中国钢桥发展概况

⒈ 中国钢桥发展概况

常见的钢桥型式有：梁桥（I型板梁、桁梁、箱梁），拱桥（系杆拱、下承拱、上承拱、中承拱），以及悬索桥和斜拉桥等。大跨径公路钢桥主要是悬索桥（图1 a）和斜拉桥（图1b）；铁路钢桥多为梁桥和拱桥。图1c为低塔斜拉公铁两用梁桥。按造桥方法，钢桥可分为：

a b

C d

图1 焊接钢桥的几种桥型

a---西陵长江大桥(公路桥)；b--- 南京长江二桥（公路桥）；

c---芜湖长江大桥（公铁两用桥）；d---贵州北盘江大桥（铁路桥）

铆接桥(工厂制造和工地拼接均为铆接)、栓焊桥(工厂制造为焊接，工地拼接为高强度螺栓连接)和全焊桥(工厂制造和工地拼接均为焊接)。栓焊桥和全焊桥统称为焊接桥。

我国仅在长江上已有各种型式的桥梁29余座，其中接近半数为钢桥。“万里长江成了中国当代桥梁的展台。”（北京日报，2002.07.17）。关于焊接钢桥，可以公路桥为对象作比较，按大跨径悬索桥的跨径L≥600m，大跨径斜拉桥L≥400m，进行不完全统计，90年代以来中国已建成大跨径悬索桥7座，大跨径斜拉桥10座；同时期国外建成的大跨径悬索桥有10座（其中日本6座），大跨径斜拉桥有15座（其中日本6座）。按跨径大小排序〔1〕〔2〕，在世界上建成的全部悬索桥中排名前十位的焊接钢桥中，中国有2座：江阴长江大桥（L=1385m）排名第四，青马大桥（L=1377m）排名第五；日本明石海峡大桥L=1990m，居首位；丹麦的Great Belt大桥L=1624m，排名第二。而在全部斜拉桥排名前十位的焊接钢桥中，日本的多多罗大桥L=0m，居首位；中国有6座桥，排名第三、四、五、六、七和第九（南京长江二桥L=628m，排第三位；武汉长江三桥L=618m，排第四位）。其中“不少已跻身‘世界级’桥梁，展示出中国当代建桥技术达到了世界先进水平”。（北京日报2002.07.17）。

1996年布达佩斯国际焊接钢桥会议中，日本东京大学伊藤教授在题为“东亚焊接桥的技术进展”〔2〕(p.67)中讲了日本的情况，并着重评述了中国钢桥的发展，“中国当前正在蓬勃开展经济工作，条件允许，也需要在广阔的中国大地上大规模建设永久性基础设施。在

建设大跨度索承载桥（cable-supported bridge）方面，中国仅次于日本，也有显着的成就。”“（中国）目前正在非常积极地开发焊接桥梁。”“关于焊接桥，中国工程技术人员正努力开发几百米跨径的全焊结构。”实际上他还并不完全了解中国的发展情况。这时中国已经建成第一座全焊钢桥，即西陵长江大桥（L=900m，单跨悬索钢桥，1996年）。当然，这较之世界上第一座全焊悬索钢桥Severn大桥（英国，1966年，L=987.6m）晚了30年。在〔2〕中，伊藤教授提到：“日本钢结构的生产超过了其它所有国家”，“研究开发了多种用于日本钢桥的焊接技术，但迄今为止，关于工地焊接方面似乎还有些保守。”这说明当时日本还未全力开发全焊钢桥。看来，中国焊接钢桥已经开始疾步赶上并进入了世界的先进行列。为了便于了解，将我国近50年来有代表性的钢桥按建成年代排序，如表1所示。所谓有代表性，不涉及任何方面评价问题，而是为说明各时期桥型、钢材及钢梁制造安装方法等的演变。

中国焊接钢桥的发展并不是一蹴而就的，而是设计、冶金、焊接各方面工程技术人员和技术工人密切配合，经历了几个阶段，努力不懈地试验研究，攻克一个个难关，才可以取得令世人瞩目的成果。中国钢桥是从建设铁路桥起步的，相当长的时间里是采用铆接制造技术。采用的钢材是低碳钢。60年代初，开始栓焊钢桥的研制，并于1962年和19年分别建成雒容(L=44.62m)和浪江(L=61.44m)两座试点钢桥，取得了初步经验。

修建成昆铁路时，西南铁路建设总指挥部于1965年组成“栓焊梁战斗组”，集合有铁路系统内外19个单位共68人。其中，清华大学与哈尔滨焊接研究所担负焊接试验工作，中国科学院声学研究所负责超声波探伤开创工作。以成昆铁路建设为契机，中国开始进入了栓焊钢桥时代。成昆铁路全线共建成栓焊钢桥44座122孔，用钢量1.2万吨(16Mnq），高强螺栓100万套。“栓焊结构基本上代替了铆接结构，是我国钢桥技术的一次重大改革，并为我国钢桥的进一步发展提供了大量实践的经验，起到了促进作用。”〔3〕

我国在70～80年代，桥梁用钢的质量不理想，同时也存在对焊接技术可靠性的疑虑，而妨碍焊接技术在桥梁钢结构上的应用。1966年列为当时重点工程的枝城长江大桥（701桥），为三跨连续桁梁铁路桥，L=160m，原设计为栓焊梁。专为该桥开发了新桥梁钢 15MnVNq，并进行了全部的焊接性和焊接工艺试验；但最终仍将栓焊结构改变为铆接结构。只当15MnVNq钢经过不断优化，并将白河大桥作为试验桥取得成功后，才在1992年应用于九江长江大桥，建成L=216m公铁两用三跨连续系杆拱栓焊钢桥（最大板厚为56mm）。

№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 年代 1957 1968 1970 1991 1992 1993 1995 1996 1996 桥名 武汉长江大桥 南京长江大桥 迎水河桥（成昆铁路） 上海南浦大桥 九江长江大桥 上海杨浦大桥 孙口黄河大桥 上海徐浦大桥 西陵长江大桥 表1 中国钢桥的发展概况 跨径类别 桥型 结构 /m 公铁 三跨 桁梁 128 两用 连续 公铁 三跨 桁梁 160 两用 连续 系杆刚性梁 铁路 112 拱 公路 公铁 两用 公路 铁路 公路 公路 斜拉 系杆拱 斜拉 桁梁 斜拉 悬索 结合梁 三跨连续 结合梁 四跨连续 混合梁 单跨 箱梁 423 216 602 108 590 900 钢材 CT.3（相当Q235） 16Mnq 16Mnq StE355 15MnVNq StE355 SM490C S355N 16Mnq 制造 铆接 铆接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 安装 铆接 铆接 栓接 栓接 栓接 栓接 栓接 栓接 焊接

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 1997 1997 1999 1999 2000 2001 2001 2001 2001 2001 在建 在建 在建 青马大桥 虎门大桥 厦门海沧大桥 江阴长江大桥 芜湖长江大桥 南京长江二桥 宜昌长江大桥 天津塘沽 海河大桥 贵州 北盘江大桥 武汉 军山长江大桥 巫峡长江大桥 舟山 桃夭门大桥 润扬长江大桥北汊大桥 公铁 两用 公路 公路 公路 公铁 两用 公路 公路 公路 铁路 公路 公路 公路 公路 悬索 悬索 悬索 悬索 低塔斜拉 斜拉 悬索 单塔 斜拉 拱 斜拉 拱 斜拉 斜拉 三跨连续箱梁 单跨 箱梁 三跨连续箱梁 单跨 箱梁 三跨连续桁梁 三跨连续箱梁 单跨 箱梁 混合 箱梁 钢管砼 三跨连续箱梁 钢管砼 混合 箱梁 三跨连续箱梁 1377 888 8 1385 312 628 960 310 236 460 460 580 406 BS 4360 Gr.500YS 16Mnq 16Mn Fe510D (S355J2G3) 14MnNbq 16Mnq Q345E Q345E Q345D Q345C Q345C Q345D Q345D 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 栓接 焊接 焊接 焊接 栓接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 焊接 进入90年代，经济发展对交通建设的需求日益增长，高速公路网的建设和跨江河、跨海湾通道的建设，迫切要求修建大跨度钢桥。同时，我国冶金技术在不断进步，优质低合金高强钢有了长足发展。除了山海关和宝鸡两个桥梁厂，大型船厂如沪东造船厂、江南造船厂、武昌造船厂及广州造船厂等均有条件承担大跨径钢桥的制造任务，并且已经成功地制造出高质量的焊接钢桥。

1991年开始，上海率先先后建成三座斜拉式栓焊公路桥：南浦大桥（1991年，L=423m，结合梁）、杨浦大桥（1993年，L=602m，结合梁）、徐浦大桥（1996年，L=590m，混合梁）。正在建设的上海卢浦大桥，L=550m，是世界上最大的一座钢拱公路桥。1996年、1997年相继建成全焊结构的单跨钢箱梁悬索桥：西陵长江大桥（L=900m）、虎门大桥(L=888m)。以后陆续建成江阴长江大桥、汕头石大桥、武汉长江三桥、宜昌长江大桥、武汉军山长江大桥、天津塘沽海河大桥及南京长江二桥等多座公路大桥。在建中的润扬长江大桥南汊大桥，L=1490m，为我国当前跨距最大的公路悬索桥。铁路钢桥也有明显进步，建造了诸如九江长江大桥、孙口黄河大桥、长东黄河二桥、芜湖长江大桥等公铁两用栓焊钢桥或铁路专用栓焊钢桥；而且结构型式由源于铆接钢梁的节点栓接到焊接整体节点，栓焊比例由初期“少焊多栓”发展到全焊整体节点，钢材由16Mnq发展到14MnNbq，钢板厚度由24mm 发展到56mm。芜湖长江大桥的建成，被铁路系统“誉为继武汉、南京、九江长江大桥之后我国桥梁建设的第四座里程碑〔4〕。” 这样，中国自90年代开始了焊接钢桥大发展的黄金时期。这表明，如实际有需要，中国完全具备条件有能力建设大跨度或超大跨度焊接钢桥。 2. 中国焊接钢桥的若干技术进展 2. 1 桥梁钢的开发与优化

我国在发展焊接钢桥的过程中主要是采用国产钢材（表1），钢的强度级别主要是屈服点σS≥345Mpa级，如16Mn（Q345）。少数大桥应用了σS≥420Mpa级的15MnVN。也采用过国外的钢材，钢的强度级别均相当于Q345，如SM490C、Fe510D、StE355之类。

50年代，武汉长江大桥采用的是前苏联提供的低碳钢，牌号为CT.3 (相当于Q235)。

60年代，南京长江大桥建桥初期，使用的也是前苏联提供的低合金钢，牌号为Нл2(σ

S

=290～390Mpa),但仅供应少量后就停止了。从此开始了自力更生。鞍山钢铁公司全力以赴

地开发16Mnq钢，以解南京长江大桥的“燃眉之急”。开始时，成材率很低，钢的质量不够理想，也不够稳定；但在以后的发展中逐步改善，并成为国内各个钢厂长时期的基本产品。16Mnq钢就是这样诞生的。

在制造成昆铁路栓焊钢梁时，使用了国内几个钢厂的16Mnq钢，曾遇到钢板严重的碳偏析情况。标准规定碳的含量上限为0.20%，而有的钢板碳含量高达0.24%。在工型杆件角焊缝埋弧焊时，焊缝产生热裂纹。不得不进行焊丝的优化工作，用H03MnTi焊丝代替H08A,焊剂HJ431也作了优化，结果才得以使用这批钢板。〔3〕

1985年以前，由于16Mn钢的生产工艺改进较小，钢的质量与国外同类钢材差距较大，钢中硫含量高，非金属夹杂物多，钢材性能低，特别是低温冲击韧性差，不能适应市场需要。因而，冶金部组织力量在“六.五”期间进行了科技攻关。在冶炼方面，采用了喷射冶金、稀土处理、微合金化等措施；在轧制方面，采取了控制轧制、热机械控制处理（TMCP）、水幕冷却等新工艺，使16Mn钢的质量得到了很大提高，主要指标达到了当时国外同类钢材的水平。〔5〕表2列出新冶炼工艺的效果。将优化的16Mn钢与近些年应用的几种同类钢材作对比，列于表3，从表3可见，优化的16Mn钢的韧性确已得到明显改善。

1966年初，为满足枝城长江大桥的需要，鞍山钢铁公司开始开发15MnVNq。针对设计的最大板厚为38mm，屈服点σS≥420Mpa，确定正火供货，以保证韧性。起初，经过焊接性和焊接工艺试验，发现，正火的15MnVNq对焊接热循环敏感，过热区韧性降低幅度比较大，必须进一步优化。1976年，15MnVNq的优化工作取得了成果，并应用于白河大桥。该桥为单线铁路桥，三跨连续桁梁，L=128m,作为试验桥已运营多年。15MnVNq钢的优化，实际是利用先进冶炼工艺尽可能降低硫和磷的含量，并适当降低碳含量，表4列出部分数据。

表2 改进冶炼工艺后16Mn钢化学成分和夹杂物的控制标准〔5〕 标准 新工艺16Mn 化学成分/% 夹杂物级别 C 0.14～0.18 0.12～0.20 P ≤0.025 ≤0.035 S ≤0.010 ≤0.035 硫化物 氧化物 ≤0.1 2～3 ≤1.5 2～3 YB(T)10-81 16Mnq 表3 改进工艺的 16Mn与同类钢的低温韧性对比 № 1 钢号 优化16Mn〔5〕 a KU /J.cm-2 -40℃ 140 - - - - - - 0℃ 200 - - - - - AKV /J -20℃ - 80～250 - - - 234 -40℃ 100 - - 65～180 190～220 140～270 - 2 Q345C（*巫峡桥，#军山桥） 3 Q345D(润扬长江大桥北汊桥) 4 5 Q345E（宜昌长江大桥） 14MnNbq（芜湖长江大桥） 70～280 * 50～260 # 6 日本SM490C（孙口黄河大桥）（Storebaelt桥） 7 丹麦Fe510D注：①#军山长江大桥钢料，武昌造船厂的-23℃试验数据。 ②Q345C、D、E按GB/T1591-94供货，为多批统计数据。

表4 15MnVNq的优化效果〔6〕 化学成分 / % 力学性能 C 优化前 优化后 P 0.025 0.016 S 0.032 0.008 σs /mpa 460 440 δ5 /% 24 21 aKU /J 30 98 0.18 0.14 九江长江大桥所确定的焊接方法主要是埋弧焊。为了与优化的15MnVNq匹配，焊丝和焊剂也应进行优化，表5列出焊丝与焊剂的匹配结果。所谓焊丝优化，就是尽量降低焊丝中的S（≤0.01%）、P(≤0.015%)，适当减少C。这种优化的焊丝，在钢号尾部附以“E”。在孙口大桥、芜湖大桥建造时也作了焊丝优化工作：H08A→H08E；H10Mn2→H08Mn2E；H08MnA→H08MnE 。这些焊丝目前正在广泛应用于钢桥的制造中。

表5 优化的15MnVNq钢埋弧焊焊丝焊剂匹配结果〔6〕 焊丝 焊剂 σS /MPa 584 607 δ5 / % 26 21 AKV (-20℃) 104 59 H04MnMoE HJ 603(高碱度) HJ 350 显然，钢材的“优化”，实际就是提高钢的纯度。在今天的冶金技术看来已不是问题。兹再列举一些润扬长江大桥使用的Q345D钢几个具体批号的数据，如表6所示。比较表6和表4，显然，当时“优化”的结果远未达到当前所用钢种的性能水平。其实国外也经历过这种情形，在文献〔2〕（p.130）中写有：法国“在发展了连铸并同时采用电磁扰动，精炼除硫，促进了优质厚钢板的发展，无层状撕裂的缺陷。层状撕裂，只是一个过去的幽灵”。我国钢材的性能已达到相当高的水平，但似乎还有质量稳定性问题，尤其是低温韧度常有低值出现，还需进一步改善。

表6 Q345D的化学成分和力学性能（山海关桥梁厂2002年数据） 钢厂 板厚化学成分 / % 力学性能 /mm 舞阳 C P S Ceq * 0.40 0.40 0.39 0.39 σS /MPa 420 360 475 360 δ5 /% 28 31 26 31 AKV (-20℃) /J 279,278,252 259,255,266 196,162,125 265,263,266 30 65 12 20 0.13 0.006 0.002 0.16 0.006 0.002 0.14 0.014 0.006 0.15 0.015 0.001 鞍钢 武钢 *注：Ceq 为碳当量 在16Mn微合金化优化工作的基础上，于1994年修订完成〈低合金高强度钢〉国家标准GB1591-88，代之以GB/T1591-94。与此同时,武汉钢铁公司逐渐将14MnNbq钢定型，并于1994年开始在京九铁路京杭运河桥（L=m,1孔）上使用多年。14MnNbq钢开发成功表明我国冶金技术已达到较高的水平，可以保证钢的高纯净度和性能要求。表7和表8是芜湖长江大桥14MnNbq钢板供货技术条件［WJX(ZB)36-1997］。在表7、和表8中同时列出GB/T1591-94 标准关于Q345E级钢的技术条件，以资对比。

表7 14MnNbq与Q345E钢的化学成分标准（质量分数，%） 钢种 C 0.11~0.17 ≤0.18 Mn 1.20~1.60 1.00~1.60 Si ≤0.50 ≤0.55 S ≤0.010 ≤0.025 P ≤0.020 ≤0.025 Nb 0.015~0.035 0.015~0.060 * 14MnNbq Q345E *注：钢中至少含有Nb、V（0.02~0..20%）、Ti（0.02~0.020%）中一种。

表8 14MnNbq与Q345E钢的力学性能标准(摘录)

钢种 交货状态 正火 板厚/mm σS / MPa σb / MPa δ5 /% 冷弯 180º AKV-40℃/ J 14MnNbq Q345E ≤16 37~60 ≤16 35~50 ≥370 ≥340 ≥345 ≥295 530~685 490~625 470~630 ≥20 ≥19 ≥22 d=2a d=3a d=2a d=3a ≥100 ≥120 ≥27 协议 可见，14MnNbq较Q345E对钢的成分的控制更严，对低温韧性的要求也更高，而实际供货的质量也确实达到了这个要求。不仅如此，从防脆断设计方面考虑，还研究完成了14MnNbq钢板脆性断裂抗力试验〔7〕，如宽板拉伸试验、四点弯曲试验、落锤试验等，取得钢板厚度与设计温度、焊缝韧性要求的关系式，为大桥防脆断设计提供了一定依据。 2.2 关于焊缝强韧性标准

在焊缝强韧性控制上的贡献是提出了一个新概念“韧强比”（toughness to strengh ratio）。这个新概念“韧强比”曾经1998年5月28日北京“14MnNbq钢材、焊接材料及焊接工艺”评审会讨论，并写入铁道部科技司文件‘科技工函〔1998〕109号’。

防脆断设计是焊接钢桥设计中应予考虑的重要内容之一，其中，规定缺口冲击韧性标准是一个颇为令人为难的问题。几乎每一座大型焊接钢桥都会讨论这个问题。另外，焊缝强度应不应该有上限？国内外一般只要求焊缝强度不低于母材强度即可，没有规定焊缝强度上限。但考虑到高强度钢的屈强比总是随强度提高而提高，因而对应力集中的敏感性也随之增大，所以，认为焊缝强度应该有上限。曾规定焊缝的“超强值”。例如规定：坡口焊缝屈服点超出母材屈服点的数值不得大于100Mpa。但不仅理论根据和试验根据不够充分，执行起来也常有矛盾。芜湖长江大桥曾为此在两年间展开了两次认真的讨论，在宜昌长江大桥、桃夭门大桥等大桥焊接工艺评审时也议论过韧性标准问题。

防脆断设计要考虑断裂准则。断裂准则是用来鉴定结构是否符合断裂特性要求的一个标准，总的来说，断裂准则与断裂特性或断裂状态（即弹性断裂、弹-塑性断裂 、塑性断裂 ）有关。对于大多数大型复杂结构（桥梁、船舶、压力容器等），一定水平的弹-塑性是合适的，这就是所谓“屈服准则”（Yield Criteria, YC）。对应于弹性断裂状态，是为“平面应变极限准则”（LC）。实际上，现有大部分规范多选择了屈服准则。

所谓 “韧强比”，是指冲击功AKV与屈服点σS之比，令RA 代表韧强比，即 满足屈服准则(YC)条件的韧强比要求值RA( Y) ，根据断裂力学 可表达为：

RA( Y) = 0.0016 δ+ 0.01

这样，韧强比直接与板厚δ大小联系起来。在图2中标示的一条斜线，是英国桥梁规范BS 5400所给冲击韧度计算公式的计算值，取安全系数倒数α=0.59，应力集中系数K=2 。显然，完全符合屈服准则。在图中还标有①、②两个点，分别是芜湖长江大桥和南京长江二桥关于焊接接头冲击韧度的设计要求。南京长江二桥，板厚δ=14mm，σS≥345Mpa，试验温度 T= - 20℃， AKV ≥27J；芜湖长江大桥，板厚δ=50mm，σS≥345Mpa，试验温度T= -30℃, AKV ≥48J 。如计算韧强比，南京二桥：RA(Y) =0.032，实际规定的RA =0.078；对于芜湖长江大桥： RA(Y) =0.09，RA =0.14（焊缝实际验收时提高到RA =0.15） 。可见，设计的规定大大超出屈服准则的要求，安全裕度很大。

R A = A KV / σS

图2 屈服准则的应用与“韧强比”

为了保证“韧强比”规定值的要求，在提高强度同时必须相应提高韧度值。但对焊缝而言，由于焊缝的实际韧度常随其强度提高而降低，如图3所示，要求提高焊缝强度同时又要提高韧度，是有颇大难度的；因而一般应采取适当焊缝强度上限的方法，即焊缝超强来保证韧强比的规定要求。焊缝强度上限决定于韧强比规定值。由图3可知，采用“韧强比”作为控制指标，概念明确而易于实施。

图3 焊缝韧度与焊缝强度σSW的关系(据宝鸡桥梁厂实验数据)

关于韧度AKV，只要根据设计确定的最大板厚δ求得韧强比和最低屈服点σS，即可确定韧度最低要求值。实际上，目前一些大桥的设计所确定的韧度要求值AKV都远高出计算的数值，例如南京二桥，按屈服准则AKV≥11J，实际规定AKV≥27J，偏于安全。

关于最低设计使用温度T，国内多采用桥址环境温度TS（50年间气象资料给出的最低温度）减去5℃,即T=TS-5℃。例如，长江下游最低气温可按-15℃算（南京芜湖附近历史上遭遇的最低气温为 -13.1℃），则知南京二桥、润扬长江大桥的最低设计温度T = -20℃. 2.3 焊接钢桥的制造技术

我国桥梁钢结构由早期的铁路桥的简单工型杆件、箱型杆件到当前悬索桥和斜拉桥的复杂的正交异性板（orthotropic bridge deck）之类结构，对焊接技术的要求提高很多，各钢桥制造单位为适应发展的需要，在不断地完善和革新制造技术，工艺装备和工艺水平在不断提高。发展到今天，已具有了制造高质量焊接钢桥的条件，完全能够保证钢梁有高的制造精度（例如表9，另参见〔4〕）和焊缝力学性能。

表9 钢箱梁制造精度实例（润扬长江大桥北汊桥） 检测项目 桥面板长度 桥面板半宽尺寸 梁高 设计尺寸 / mm 允许偏差 / mm 实测尺寸 / mm 9000 16928 3000 ±2 ±3 ±2 9000 16925，16925，16926，16925 3002

这首先是因为各制造厂十分重视并有能力在以下四个方面全面控制质量：

⑴ 技术准备----包括技术文件、施工图和制造工艺方案、工装准备、焊接工艺试验和工艺评审、焊工考核以及准备材料等。

⑵ 先期加工----组焊前的加工准备，包括材料复验、号料、预处理（喷丸除锈及喷漆）、切割下料、坡口加工、制孔、弯曲成型、矫正及零件制造等。

⑶ 组装焊接----包括部件组装、焊接及工序间检验、变形矫正及磨修等。 ⑷ 成品验收----包括箱梁整体组装和预拼装、清理、涂装、验收检查及发运等。 对于钢箱梁制造，各单位均采用精确下料工艺，可以做到无余量切割。大都装备有先进的数控火焰切割机（包括龙门式多嘴切割机）、数控等离子切割机以及数控等离子水下钻割机等。可以在切割下料同时加工出坡口，并可保证尺寸、精度。为钢管拱的制造配备有钢管相关线自动切割机。

工艺装备是钢桥制造的基本设备。目前承担大桥制造任务的单位，都能在最短时间里设计和制造出来合用的各种胎具，例如，U型肋（trough）机器样板翻转钻孔胎、U型肋与桥面板焊接用的反变性焊接胎、纵隔板组焊胎、板单元自定位组装胎以及最大的胎具—钢箱梁主拼装胎架等。主拼装胎架既是钢箱量的组装胎架，又是成桥的预拼装胎架。

钢箱梁的制造需分成“节段”(section) 在工厂制造，箱梁节段在工厂制造完成时，需进行预拼装，以检查尺寸和线形。然后再分解成节段，并按计划将节段运送至工地进行拼装成桥。节段大小和重量须适应运输的要求。例如，厦门海沧大桥为三跨连续钢箱梁悬索桥，箱梁总长1108m，梁宽36.6m，梁高3.0m，需分成94个“节段”进行制造，每一节段重达127.4t～206.6t，其中标准节段长12m、重157.5t 。所有节段拼装之后需保证成桥的线形要求，纵向要保证所有节段的锚板吊点中心均在规定半径尺寸的圆弧上，横向也要保证规定的拱度。图4 为钢箱梁节段在工地吊运和拼装的情况。

a b

图 4 钢箱梁工地吊装（厦门海沧大桥）〔8〕

a---吊运；b---拼接

早期制造钢箱梁时，没有专用胎具，采用国外早期使用过的“倒装法”。当前采用正装法“多节段连续匹配组装法”，焊接和预拼装同时完成。这当然需要很大的场地，并且要布置的非常合理。主拼装胎架纵向线形按桥梁的设计线形设置，横向预设上拱度。板单元组装定位须在无日照时进行。这种多节段连续匹配组装法的实施具有一定的创造性。但工艺装备方面尚有进一步提高和完善之处，以进一步提高效率和质量。当前，定位板（“马”）的使用尚不能完全避免，应尽可能减少。

焊接方法的应用与早期也有很大不同。已经不再仅仅是手工电弧焊定位、埋弧自动焊完成焊接任务的情况。在公路斜拉桥和悬索桥钢箱梁制造中，高效率焊接方法的应用受到重视，

应用最多的为CO2自动焊和半自动焊和单面焊双面成型技术。例如，据润扬长江大桥的统计，CO2自动焊和半自动焊应用比例已达75%，埋弧焊则约占15 %，其余为焊条手工电弧焊。其它各厂的情况大体相似。而对于桁梁结构形式的铁路桥或公铁两用桥，主要焊接方法仍是埋弧焊，例如，1995年建成的孙口黄河大桥，埋弧焊约占70%，CO2焊接法仅占约3%；2000年建成的芜湖长江大桥，埋弧焊方法约占60%，CO2焊接法约占15%。为了根部熔透和背面成形，广泛应用了陶质衬垫。已经配备有焊可摆动的CO2自动焊机、用于U形肋与桥面板角焊缝的双头CO2自动焊机等。但与国外相比较，中国高效焊接方法的应用还比较单一，主要是CO2焊接法和埋弧焊接法。国外很重视高效焊接方法的开发和应用，常用TIG焊实施根部焊道的单面焊双面成形来代替衬垫焊；除使用Ar/CO2(82/18) 混合气体，还开发了新的混合气体，即Ar/He/CO2/O2四种气体相混合的混合气体，并已应用于焊接钢桥。另外，在U形肋与桥面板焊接时则采用了六头自动焊机。焊接机器人已在国外应用于桥面板构件的焊接。在这方面，与国外相比还有差距。

在焊接材料方面，一个突出的变化是药芯焊丝的应用逐渐增多，例如，宜昌大桥焊接中，CO2焊接时完全使用药芯焊丝，用量为210吨，占该桥用钢量的1.9%。军山大桥的情况相同，药芯焊丝占该桥用钢量的1.8%。目前，高韧性和工艺性能优异的焊接材料的开发和稳定供货，是进一步提高焊接钢桥质量的重要因素之一。

论及焊接质量，今天的焊接钢桥远非早期钢桥可比。除了建立有完善的质量保证体系，高素质的技术队伍，先进的工艺装备和工艺水平，重要的还有两点：一是严格的标准；二是必要的制度。

关于标准方面，可用无损探伤标准为例。可对比世界第二大桥丹麦的Great Belt大桥（The East Bridge of the Great Belt Link，1996年建成）和中国润扬长江大桥北汊桥所执行的标准（表10和表11）。显然，中国的标准要比丹麦的标准严得多（如此严格是否合理待斟酌），且实际执行结果很好，可参见表12。其中所谓“一次合格率”就是“第一次探伤合格率”。特别要说明的 ，第一次探伤发现的缺欠主要是内部气孔或夹渣，很少见到未熔合或裂纹之类缺陷。我国近些年建成的大桥的焊接质量都是这种情况，可参见〔4〕。而Great Belt大桥的探伤结果，却发现有裂纹和未熔合之类“危险缺陷”存在；各周探伤发现的缺陷几乎都是“危险缺陷”，其“周缺陷率”最高可达3%（〔2〕p.107,Fig.8）。

表10 Great Belt大桥的无损探伤标准 探伤方法 目测 超声波（UT） 射线（RT） 磁粉（MT） 液体渗透（CT） 平均探伤范围：探测长度 / 焊缝长度 100% 10% 3% 8% 0.1%

U形肋与桥面板间角焊缝的熔透质量是正交各向异性板质量的重要标志。

Great Belt 大桥关于熔透度的规定，如图

5所示： U形肋板厚为6mm或7mm，根部不熔透最大值允许为2 mm，或熔透度要求为 67%～71% 。

中国则规定熔透度 ≥80%。润扬长江大桥北汊桥实际统计126块生产试板，熔透度达到 95%以上。

5 Great Belt 桥U形肋角焊缝〔2〕

表11 中国润扬长江大桥北汊桥无损探伤标准 ( 质量等级及探伤范围) 质量探伤探伤焊缝部位 探伤部位 等级 方法 比例 桥面（底）板纵向、横向 对接焊缝 桥横向工地对接焊缝 锚箱与腹板间熔透角焊缝 横隔板与腹板的熔透角焊缝 腹板与桥面板间熔透坡口角焊缝 横隔板接长对接焊缝 横隔板接宽对接焊缝 腹板与桥底板间坡口角焊缝 支座处横隔板与桥面板 角焊缝 横隔板与腹板贴角焊缝 纵隔板与面（底）板角焊缝 行车道范围桥顶板U形肋 坡口角焊缝 桥底板U形肋坡口角焊缝 U形肋嵌补段对接焊缝 横隔板与接板角焊缝 Ⅱ Ⅱ Ⅱ Ⅱ Ⅱ Ⅱ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅰ UT RT UT RT UT UT UT UT UT UT MT UT MT MT MT MT MT MT MT 100% 10% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 焊缝全长 焊缝两端各250~300mm 焊缝全长 1片/3m；顶板十字交叉处100%； 底板十字交叉处30% 焊缝全长 焊缝全长 锚箱与腹板连接区外延2m 及两端各1m 焊缝全长 焊缝两端各1m，中间加探1m 每个梁段两侧腹板各随机抽探1m 锚箱与腹板连接区外延2m 及两端各1m 形车道范围随机抽探1m（累计） 行车道范围 焊缝两端各500m 焊缝两端各500m 焊缝两端各1m 焊缝两端各1m 焊缝全长 总长的20%（重点：行车道范围）

探伤方法 表12 首批14个梁段主要焊缝的探伤结果统计（润扬大桥北汊桥） 考察项目 底板纵缝 生产探伤 探伤长度 / m 一次合格率/% 返修长度 / m 监理抽查 面板纵缝 生产探伤 监理抽查 UT RT 2070 99.8 4.4 392 379 96.7 448 99.7 1.41 105 104 99.0 1924 99.6 6.60 3 351 96.4 558 99.9 0.25 182 182 100 拍片数量 / 张 合格片数 / 张 一次合格率/% 国内近几年建成的大桥在制造中对于U形肋角焊缝的焊接工艺，均曾下过功夫，采取各

种可能的措施来解决如何获得最大的熔透而又不致发生烧穿的问题，取得了比较好的效果。但工艺效果稳定性的问题仍需不断完善。

关于制度，有两方面值得一提，一是工艺评审制度，另一是监理制度。

工艺评审，一般有“钢箱梁制造验收规则”评审，“焊接工艺试验”评审，“板单元制造”评审，“钢梁节段制造”评审，“钢梁总拼“评审等。

监理的工作总结起来则是“三控一管一协调：质量控制、进度控制、投资控制，合同管理，组织协调。最主要的是严格把住质量关。有的大桥将钢箱梁制造程序划分为几个主要阶段（称为“停止点”），如：①底板装焊，②纵、横隔板、锚腹板装焊，③桥面板装焊，④风嘴、附件装焊，⑤拉索导管、检查车吊点、吊装线标记及装船单签认；监理要求在每阶段结束时立即停止作业，备齐资料向监理报验，监理签认后方可继续作业。

关于监理的工作，实际上并非仅仅“旁站监督”来控制质量；因为监理都是专家， 还常常能起到参谋的作用，提出合理化建议和帮助解决技术问题，有时还能参与试验研究等。 ⒊ 应关注的两个问题 3.1 标准与选材问题

首先是焊接钢桥的制造标准，还没有现代大跨径公路钢桥的制造标准；目前仅有“铁路钢桥制造规则”TB10212-98,其内容已不适应需要，应尽快进行修改。

其次，应制定新的适用的专用桥量钢标准，以指导正确选材。当前，设计工程师选材时使用的标准是GB/T1591-94“低合金高强度结构钢”。该标准是按冲击韧性进行质量分级，分为A、B、C、D、E等级别。各级别所定冲击试验温度仅仅表明其质量级别，并非该级别钢的可使用温度；不了解这一点时，常误解为该钢的最低容许使用温度。其实，以Q345C钢为例，虽然C级钢的规试验温度为0℃,但并非不可应用于更低的温度下。由表3见，武汉军山长江大桥采用的Q345C钢， 在-23℃试验， AKV =50～260J，有比较大的韧性储备，完全可以代替Q345D应用于 -20℃的使用条件下。日本有些标准对具体焊接结构的选材有参考意义，如表13所示。由此表可以看到，日本标准JIS G3106对于SM490B与SM490C所规定的试验温度完全相同。能不能由此得出结论：B级钢和C级钢只能用于同样的使用温度下。显然是不正确的。通过宽板试验可以确定钢材的容许最低使用温度。中国目前还缺乏这方面的数据积累。但如果能有具体钢材的系列温度冲击试验数据（钢厂能提供最好），也可看出来其适用温度。在考虑安全可靠性的同时还应考虑经济性。一个大桥用钢量一般超过1万吨，以Q345D和Q345C为例，每吨钢价格相差约150元以上，如果可以选用Q345C，与采用Q345D相比，至少百万余元人民币就可能省下来。

表13 钢材冲击试验温度及其最低容许使用温度（储罐） 冲击试验标准 不同板厚(mm)的最低容许使用温度/℃ （JIS G3106） (JIS B8501) 钢号 T/℃ 0 0 AKV /J 27 47 12 -15.5 -22.5 16 -13 -20 25 -7 -14.5 ≥35 +4.5 -2.5 SM490B SM490C 3.2 缺陷判定与返修问题

普遍感到为难的问题就是“缺陷”返修。尽管一次探伤合格率比较高，但需处理的“缺陷”的总量还是一个不小的数目。 问题是：返修是否一定会有好的结果？相反，有时一旦

处理不好还可能产生新的缺陷，甚至遗留隐患。

据IIW 第V委员会，有两类质量标准，示意如图6 ，即Q A 标准和QB 标准。 Q A属于质量的常规优质管理标准，有较高的质量期望值。能满足Q A要求时应属于优质品，否则，则为非优质品。在质量上存在不完善性、不完美性或不健全性，即质量有所欠缺，定义为“缺欠”(imperfection)。缺欠不必修补。现有大多数规范或标准均属于这一类。

Q B属于质量的最低合用验收标准，可认为是质量的最低容许界限。低于Q B标准时，意味着“缺欠”已不能满足工程的使用要求，或报废，或返修后再进行验收。凡不符合使用要求的“缺欠”或对“合用性”(Fitness-For-Purpose)构成危险的“缺欠”，定义为“缺陷”（defect）。在缺乏工程判据情况下不能判定“却欠”为“缺陷”，此时将“缺欠”按“缺陷”去处理就未必正确。但是，目前还未有适用于桥梁钢结构的

缺陷判定规范。这个问题似有必要尽快解决。

图 6 两类质量标准（IIW-V）

参考文献

1．史永吉，面向21世纪焊接钢桥的发展，第九次全国焊接会议论文集，第一册，1999

2． PROCEEDINS of the INTERNATIONAL CONFERENCE on WELDED STRUCTURS in particular WELDED BRIDGES, BUDAPEST , HUNGARY 2/3 September, 1996

3．成昆铁路技术总结委员会，成昆铁路，第四册，桥梁，北京，人民铁道出版社，1980

4． 中国铁路工程总公司、芜湖长江大桥有限责任公司，芜湖长江大桥钢梁制造技术，北京，科学出版社，2001

5．王永达、谢仕柜，低合金钢焊接基本数据手册，北京，冶金工业出版社，1998

6．李克中、陈伯蠡等，15锰钒氮桥梁钢埋弧自动焊焊接材料的研究，铁道学报，19

7．钱维平等，14MnNbq钢的断裂抗力及其表述，材料开发与应用，2000，03. 8．潘世建、杨盛福，厦门海沧大桥建设丛书，摄影专集，北京，人民交通出版社，2001

后记：在编写本文时，得到了山海关桥梁厂、宝鸡桥梁厂、武昌造船厂、中交公路规划设计院以及厦门路桥建设投资总公司的许多帮助，在此致以感谢之意。

*陈伯蠡，清华大学教授