耐候钢在美国阿拉斯加塔纳纳河铁路桥上的应用.docx

钢结构加工制造篇耐候钢在美国阿拉斯加塔纳纳河铁路桥上的应用杨永强单亚廷徐向军魏云祥 (中铁山桥集团有限公司，秦皇岛，066205)摘要：本文介绍了耐候钢及其在桥梁结构中的发展历程，并以美国阿拉斯加塔纳纳河铁路桥为例，介 绍了耐候桥梁钢的焊接和洒水工艺，并将制造过程中有关耐候钢的注意事项逐一阐述。该桥的成功制造， 为耐候钢在中国桥梁中的应用奠定了基础。关键词：耐候钢，焊接工艺评定。洒水工艺1耐候钢耐蚀机理及发展历程般经过310年时间后，耐候钢表面锈层11耐候钢耐蚀机理逐渐稳定，腐蚀速度减慢，外观呈显能与周 平耐候钢又称为耐大气腐蚀钢，它含有边环境相协调的深褐色，它被桥梁界称为“不朽的美”。Cu、Cr、Ni、V等微量的合金元素，使钢表桥梁采用耐候钢可以减少加工制造周面形成致密和附着性很强的锈层(分为内外两层，内锈层致密，外锈层疏松、多孔)，期、节约后期涂层的维护成本。在非海洋性 阻碍锈蚀向里扩散和发展，保护锈层下面的环境条件下，使桥梁的使用寿命更长。12耐候钢发展历程基体，减缓腐蚀速度。与普通碳钢和低合金由早在20世纪初，美国的科学家就发结构钢比，耐候钢在大气中具有更优良的抗蚀性能；与不锈钢比，耐候钢只含有微量的现Cu可以改善钢在大气中的耐蚀性能。1916 合金元素，价格比不锈钢更为低廉。耐候钢年美国实验和材料学会(ASTM)开始了大气腐蚀的研究，1933年美国的一家钢铁公司首比普通钢的制造价格高约5，耐候钢不需要涂料防腐，而普通钢的涂料防护费用却是两先研制成功了耐腐蚀高抗拉强度的含Cu低 者间制造差价的3倍u3。合金钢Corten钢，其中应用最普遍的是高P、Cu力Cr、Ni的Corten A系歹0和以Cr、在锈层产生的初期，耐候钢比碳钢腐蚀Mn、Cu合金化为主的Corten B系列H80。速度快，但随着腐蚀的发展，锈层增厚，无论是碳钢还是耐候钢，引起腐蚀的C1一的扩ASTM分别于1941年和1968制定了A242和 散均受到锈层的阻挡，腐蚀速度减绶，他们A588低合金高强度耐候钢标准，屈服强度均为345渖a。ASTM于1989年制定了A709系列之间的差异变小。由于在大气腐蚀的条件下，耐候结构钢标准，屈服强度直达690MPa。耐候钢表面的疏松外腐蚀产物层(通常由日本对耐候钢的研究进行得比较晚，最Fe。04、yFeooH、aFeOOH组成)内部继续反应，和基体之间能够形成一层致密连续的 初是从美国引进专利，并在1968年和1971 铁锈QFe00H，而三价铁的氧化物至少有6年分别制订了焊接结构用(JIS G3114)和高 种形态的铁锈，最稳定的铁锈是QFe0。H。 耐大气腐蚀(JIS G3125)两种耐候钢标准， 且耐候钢中的QFeooH的含量比普通碳钢屈服强度分别至460MPa和355MPa旧11I。 中高得多。所以耐候钢比碳钢更耐腐蚀。一德国于1969年开始使用耐候钢，之后发2262014年中国钢结构行业大会论文集201410】杨永强等：耐候钢在美国阿拉斯加塔纳纳河铁路桥上的应用布了SEW 087耐候结构钢标准。英国于1972续表1年开始使用耐候钢，并于1979年制定了BS美国新奥尔良Mississippi River Bri趣e4630标准，其中包括屈服强度为345MPa的1983(斜拉桥)wR50系列耐候钢u 2|。欧洲标准协会于19931985日本久路见桥(系杆拱)年统一了欧盟国家的耐候钢标准。1988日本麻生大桥(吊桥)我国于20世纪60年代初期开始研制含1988日本十胜中央大桥(斜拉桥)铜钢，直到80年代初，才正式试制和使用1990中国建成第一孑L耐候铁路桥(京广铁路武汉巡司河上)耐候钢。除仿制主要添加元素为CuPNiCr1992韩国开始建造耐候钢桥系的美国Corten钢及日本SPA钢之外比，12 o，中国第一座免涂漆耐候公路桥(沈阳后还考虑到Ni，Cr资源的稀有性及我国富含2013丁香大桥)稀土资源，逐渐开发出CuPRE系。我国于美国阿拉斯加塔纳纳河铁路桥(中铁山桥20131984年制定了高耐候性结构钢及焊接结构用制造)耐候钢标准，并于2008年重新修订。3美国阿拉斯加塔纳纳河铁路桥简介2耐候钢在桥梁中的应用历史美国阿拉斯加塔纳纳河铁路桥(以下简 从发展趋势来看，国外已将耐候钢逐渐称阿拉斯加桥)位于美国的阿拉斯加州中部 当作一种普通桥梁用钢来广泛使用。表1为 地区，为Salcha(萨彻)的北部铁路延伸lA 耐候钢桥的发展历程旧1113。在美国及日建设段。本桥采用栓焊简支上承式钢板梁结 本，分别约50和20的桥梁使用耐候钢。构，全桥共20跨，每跨跨度为502m，每跨 加拿大在新建的钢桥中有90是用耐候钢。钢板梁由四片主梁和下平联、横隔板、道渣 韩国目前有十余座耐候钢桥。耐候钢桥在我板、桥面系、附属设施等组成，全桥主梁共 国几乎是空白，资料记载仅有2座。值得注80片工形板梁，每片工形板梁重约66t，全意的是，中铁山桥集团有限公司于2013年桥总重6775t。该桥横断面见图1。 成功为美国阿拉斯加地区建造一座免涂漆铁 路钢桥，该桥的生产制造完全按照美标执行。该桥的成功制造为耐候钢在中国桥梁中的应用，进一步奠定了基础。下文将详细阐述这l座耐候钢桥焊接工艺评定试验，焊接过程控匪萝 匪萝 匪虱制和洒水工艺等。表1耐候钢桥的发展历程年份事件1964美国新泽西高速公路桥匡l 匡萝 匡雪1964美国维拉扎诺海峡桥(部分钢板为耐候钢)Tr1965日本建成第一座耐候涂漆钢桥1967日本建成第一座耐候裸钢桥(知多2号桥)图1阿拉斯加塔纳纳河铁路桥横断面1969德国开始建造耐候钢桥1972英国开始建造耐候钢桥4阿拉斯加桥焊接工艺评定美国New River Gorge Bridge1977(上承式耐候钢拱桥)41母材美国纽约New Burgh Beacon Bridge母材材质为ASTM A70950w钢，全桥板1979(悬臂桁梁)厚分布从6咖到57mm不等。由于耐候钢中1980日本第三大川桥含有超出普通结构钢的可以提高钢材淬硬1981日本三宝入路钢桁梁桥性的Cr，Mn等合金元素。14|，这样极易提高2Q14年中国钢结构行业大会论文集【201410】 227钢结构加工制造篇焊接接头的硬度，使产生冷裂纹的敏感性增 工艺评定试验，焊接性较好的大生产用钢板 大。而且母材中的Cu，P等元素是助长焊接 的焊接质量才能得到更好的保障。制造商在 热裂纹的元素u 5|。由于上述因素，美国国家 采购钢板时，一定要制定焊接工艺评定试验 高速公路和交通运输协会(AASHT0)和美国 用和生产用两种钢板采购技术条件，而且要 焊接协会(AwS)联合编制的桥梁焊接规范 使试验用钢板提前进厂。AASHT0AWS D15MD15：2010(以下简称规大生产用钢板和焊接工艺评定试验用钢 范)第542条规定了焊接工艺评定试验用板均为国内生产，钢板的化学成分见表2， 50W钢板的几种元素化学成分的最低含量，可见试验用钢板的碳含量及碳当量均比大生 增加了评定试验难度。这样如果通过了焊接产用钢板高出很多。表2大生产用和焊接评定试验用钢板的化学成分化学成分，不大于标准规范规定及质保书CSiMnCrVMoNiCu CEV AwS D15规定最小含量015025 105003045ASTM A709规定最大含量019O6515 07 01 O504 典型生产用钢板007024137045002O004O17031044 评定试验用钢板015 03136053 O070004021032O5342焊接材料抗腐蚀性，均符合规范中表42的要求并在 耐候钢焊材不但要考虑强度的匹配，还 国内生产。具体如下：要考虑到焊接熔敷金属具有不低于母材的抗 1)焊条电弧焊：E8018一W2。 腐蚀性。规范第C一414条规定，多道焊焊2)埋弧自动焊：焊丝F55A3一ENilKNil， 缝中，下层焊道所用焊材可以仅考虑强度的焊剂JFB。 匹配，但是盖面的两层焊道的焊材还要具备3)药芯气体保护焊：E81T卜Ni 1JC，保 抗腐蚀性的要求。规范第C一415条中对结护气体为100C02。 构中的单道焊缝规定如下，如果焊缝尺寸小43接头力学性能评定标准 于8咖，可以使用常规焊材，因为从母材中所有试板均要首先进行外观检查，对接 过渡到焊缝中的合金元素足可以使焊缝具备试板在进行力学性能试验之前要射线检测。 良好的耐腐蚀性。为了避免制造过程中用混焊缝质量要达到规范第626条要求。评定标 焊材及简化焊接工艺，本桥全部焊材均具备准按照规范第五章中的要求，具体要求见表3。表3接头力学性能评定标准接头形式评定项目数量Aws D15：2010中规定 熔敷金属拉伸试验1屈服强度345MPa，抗拉强度485MPa，延伸率22焊缝横向拉伸试验2抗拉强度485船a 对接焊缝侧弯试验4不允许出现任意大于3岫裂纹冲击试验530，平均值27J焊缝宏观断面3无裂纹，良好熔合，咬边1唧，余高3咖 角焊缝焊缝宏观断面3无裂纹，良好熔合，咬边1姗，焊角尺寸符合要求2282014年中国钢结构行业大会论文集201410】杨永强，等：耐候钢在美国阿拉斯加塔纳纳河铁路桥上的应用44焊接工艺评定试验项目标准，进行了9组焊接工艺评定试验，包括5 对全桥的接头形式及板厚进行归纳，总组对接焊缝，4组角焊缝。试板的板厚组合、结出57衄厚的主梁上下翼缘板和22咖厚的坡口形式、焊接位置等见表4。 腹板需要接料，其余焊缝均为角焊缝。按照表4焊接工艺评定试验项目编号焊接方法接头类型坡口准备焊接位置衬垫板厚组合PQR 1SAW对接焊缝 单面V形 平位1G 钢衬垫 254+254 PQR 2SAW对接焊缝 单面v形 平位1G 钢衬垫 254+254 PQR 3SAW 角焊缝船位1F254+254 PQR 4FCAW对接焊缝 单面v形 平位1G 钢衬垫 254+254 PQR 5FCAW对接焊缝 单面V形 立位3G 钢衬垫 254+254 PQR 6FCAW对接焊缝 单面V形 仰位4G 钢衬垫 254+254 PQR 7FCAW 角焊缝平角2F254+254PQR 8FcAW角焊缝立位3F254+254PQR 9FCAW角焊缝仰角4F254+25445焊接工艺评定试板结果典型接头力学性能试验结果见表5，由表451接头力学性能试验结果4可以看出各项数据均符合表2的规定。表5典型接头力学性能试验结果熔敷金属拉伸试验焊缝横向拉伸试验侧弯一30冲击试验 编号屈服强度抗拉强度抗拉强度断裂试验(平均值)延伸率MPaMPaMPa位置PQR 157963429627 655母材合格69JPQR 258665524586 655母材合格54JPQR 455l62726540 545母材合格119JPQR 553860028627 627母材合格122JPQR 663468924627 496母材合格104J452接头宏观断面结果与母材熔合良好，焊缝内部无缺陷，焊缝外 图2为部分接头的宏观断面，可见焊缝观及尺寸均符合要求。图2典型焊接工艺评定接头的宏观断面2014年中国钢结构行业大会论文集201410 229钢结构加工制造篇46焊接工艺评定试验注意事项接工艺评定试验，唯一的例外是，对接焊缝461焊条电弧焊免除工艺评定评定试验位置为平位时，可以覆盖实际生产 对于焊条电弧焊，如果使用的焊条是规 中的平位和横位。范中表41中母材相对应的焊材，则可以免474焊接工艺参数覆盖范围 除做焊接工艺评定。(该桥全部焊接接头均为按照最大热输入评定方法(规范第 规范中规定的标准接头)5121节)，各种焊接工艺参数的覆盖范围 462控制焊接工艺评定试验的焊接速度如下：焊接评定试板时，除了根部和盖面焊道 1)焊接热输入的范围为评定试验数值的 之外，其余焊道的焊接工艺参数均要采用工60100。 艺评定指导书(wPS)中的参数，来确保这些 2)焊接电流的范围为评定试验数值的 焊道的焊接热输入的变化范围在10之内。80100。 由于电流，电压是事先设定好的，这样就要3)焊接电压的范围为评定试验数值的 保证焊工操作焊枪的焊接速度要在规定值的86100。l 096之内浮动。对于埋弧自动焊，规范第494规定， 463焊接工艺评定试板根部间隙对接焊缝的与两个坡口面均接触的焊道的最评定试板根部间隙要按照规范中第2章 大电流不允许超过600A，而平位角焊缝的最 标准接头中的间隙来选定，埋弧焊对接试板 大电流不能超过1000A。这样对于生产中的接 的间隙为16胁，药芯焊丝气体保护焊的根部料焊缝来言，评定试验的电流值就不能超过 间隙为6姗。 750A。对于单道大尺寸埋弧角焊缝来言，还 464角焊缝工艺评定焊脚尺寸 需要再按照规范第5121节或第5124节 对于角焊缝工艺评定，需要焊接双面角再做一次评定。这就是做了两组埋弧焊对接焊缝，一侧为单道焊最大焊脚尺寸，另一侧工艺评定(PQRl和PQR2)的原因。 为多道焊最小焊脚尺寸。做评定试验时，最 好使两侧焊脚尺寸相等或有一部分重叠，便5焊接过程控制于灵活地编写1lPs。51角焊缝端头不包角的要求 465角焊缝工艺评定试验参数业主要求该桥结构中所有不加引弧板的角焊缝工艺评定所用的试验参数，要参 角焊缝，均不允许包角焊接，即端部甩焊， 照相对应的已做完的对接焊缝的焊接工艺参 距角焊缝端部6舢10咖范围内停弧，如图 数，并在对接工艺评定试板的工艺参数覆盖 3所示。焊工在停弧时需采用回焊收弧法，避 的范围内施焊。免产生包角咬边、弧坑裂纹和焊缝尺寸不足466预热温度和道间温度等问题。焊缝包角的目的之一是为了更好地 规范第51216条规定焊接工艺评定的涂装，防止水汽进入到组装间隙中去，由于 最低预热温度和道间温度均为100。耐候钢不需要涂装，这一点可以不考虑，而47焊接工艺评定覆盖范围且这样还便于检查焊缝装配间隙。471母材覆盖范围 根据规范第541条规定，该桥试验用母材可以覆盖ASTM A709 36，50，50S，50W，旧S 50W这几种钢材。472板厚覆盖范围圜由于规范第56条规定，若评定用钢板为254唧以上，可以覆盖产品中大于3舢的 所有板厚，故焊接工艺评定试验用钢板选取 254m的厚度。473焊接位置覆盖范围实际生产中所有的焊接位置均要进行焊图3角焊缝端部甩焊细节2302014年中国钢结构行业大会论文集201410杨永强，等：耐候钢在美国阿拉斯加塔纳纳河铁路桥上的应用52焊前预热和焊后热处理 由于主梁上下盖板的厚度达57姗，焊接接头的刚度非常大，为了避免产生焊接裂纹， 所有与主梁上下盖板连接的接头，施焊前(包 括定位焊)需要在待焊区域及周围120唧范 围预热到150170，施焊后要立刻将此区 域加热到180200，减缓焊缝的冷却速 度，防止冷裂纹的产生。由于母材的特殊性， 其余与主梁连接的焊缝的预热温度也要达到 100120。主梁焊缝采取的焊后热处理的工艺可以使焊缝中扩散的氢充分逸出，降低图5杆件装船前的锈蚀颜色基本一致了焊接接头的残余应力，改善组织性能，进 一步降低了焊接冷裂纹的倾向。 53定位焊具体规定定位焊缝的长度和间距要适当加密，焊 接正式焊缝前，要及时对定位焊打磨并做磁 粉检测，及时消除焊接缺陷。6杆件洒水工艺 合同规定，杆件制造完毕后，在发运之前每天对杆件洒水一次。洒水要均匀，使得 整个杆件的锈蚀程度及外观颜色一致。图4图6杆件达到美国后呈现金黄色为洒水初期局部出现锈蚀的状况，经过一个月的洒水过程之后，到杆件装船时，外观颜7耐候钢在桥梁工程中的应用展望 色基本一致(见图5)。图6为杆件到达美国日本于1985年制订了无涂装耐候性桥 港口后，外观基本呈现漂亮的金黄色。梁设计施工要领，美国联邦公路局(FHwA)也于1989年制订耐候钢结构设计指南。 这些设计标准在耐候钢结构设计上，对锈蚀 层的折减计算、疲劳、构造细节等都有详细 规定，而我国还是空白。目前耐候钢钢板及 相应的焊接材料均已经可以在中国生产制造， 但是桥梁用耐候高强度螺栓没有国产化，还 需要进口。8结语 美国阿拉斯加铁路桥的成功制造，为我公司积累了耐候钢桥的制造经验，将整体提高我国钢桥制造技术水平，在世界钢桥领域 开拓了“中国制造”的市场。图4洒水初期局部出现锈蚀下转第252页2014年中国钢结构行业大会论文集201410】 231钢结构施工技术篇运用SAP2000有限元计算软件计算出11 术，在基础大底板上实施钢结构一次性吊装 个支撑胎架点结构挠度。对于最大卸载量小 完成”的施工原则，先钢结构后土建的施工 于5唧的点采用1步卸载，5mm一11姗的点分 顺序。实现了质量目标，降低了成本，确保 2次卸载完成，每次最大卸载量6mm，各支撑 和提前实现了工期目标：通过钢材进场检测 点卸载量如表2所示。卸载后变形监测数据 验收和构件的预拼装及空间测量定位技术确 与理论计算下挠变形基本接近，实测变形满 保了安装精度：通过现场焊工持证现场模拟足设计及规范之要求。考试上岗确保了质量；转换桁架成功完成卸表2转换桁架卸载测量数据对比载，各项数据指标均满足标准规范及设计功能要求。卸载点12345678910 11理论卸载3 10 3