摘要：从高性能钢（high-performance steel，简称HPS）的强度，断裂韧性，可焊性和耐腐蚀性能进行分析，并且HPS在国外的研究刚刚被引进。

与普通混凝土相比较，其优越的性能和明显的经济效率就凸显出来了，并且在结构中应用，有很广阔的研发前景。

Abstract : The material properties of high-performance steel were analyzed from strength , fracture toughness , welding capacity and corrosion resistance , and the research survey of high-performancesteel in foreign was introduced simply. Combining with concrete application practices ,the good performance and obvious economic efficiency of high-performance steel were explained , and it pointedout that it was the idea material of structure, and has wide researching prospect.一．概述随着钢材生产技术的进步,实现了生产出满足预先要求的高性能钢(High-performance Steel 简称HPS) 。

目前,HPS 的生产方法主要有两种:淬火及回火(Q &T) 和高温控轧技术( TMCP) 。

与传统钢种相比,HPS 具有强度高,延性好,更韧性高,更可焊性优越,冷成型能力和腐蚀抗力更理想的特征。

这些改善的材料性能不仅可以提高结构的性能,而且可以降低施工成本。

在结构工程,美国、日本及欧洲国家越来越注重HPS 的研发与应用。

目前,各个国家根据本国的特殊工程要求开发了一系列钢种。

HPS的发展伴随着当今对于薄柔轻型结构日益增长的需求，例如在桥梁和高层建筑的设计中就非常需要采用具有良好的加工制作性能的高强度材料。

二．高性能钢的材料性质1.HPS 的强度从化学成分上分析,碳(C) 是控制钢材强度的主要化学元素。

通过提高碳含量来实现钢材的高强,但是提高碳含量的同时降低了钢材的可焊性。

HPS 降低了碳含量,通过加入其他合金元素来实现优越的强度和韧性。

HPS 的碳含量减到0. 11 ～0. 16 之间,而由其他元素来弥补因C 含量降低引起的强度损失,如锰(M n) 。

2. HPS 的断裂韧性高性能钢的断裂韧性远优于传统的桥梁用钢。

与传统钢种相比,高性能钢的脆—延转变在温度更低时才发生。

高性能钢优良的可焊性提高了焊接质量并降低了在低温条件下的钢桥发生脆断和突然失效的可能性。

这意味着HPS 在更低温度下仍然具有充分的延性,HPS 可以应用于更寒冷的地区。

随着断裂韧性的提高,高性能钢的抗断裂能力与传统钢相比有很大提高。

高性能结构对大裂缝的承受能力更强,所以人们有更多的时间在桥梁失效前发现并修复疲劳裂缝。

3. HPS 的可焊性HPS 改善的韧性和可焊性主要通过控制硫的含量来实现。

一般而言,焊接时的预热温度越高,脆性微观结构形成的机会就越少,氢可从焊接中扩散的时间也越长。

然而,预热不仅费时,而且增加了成本。

提高可焊性可以减少由施工时高的预热温度、温度输入控制、焊后处理和其他严格控制措施带来的过高的施工成本,也可以消除焊接过程中的氢致开裂。

HPS 碳当量低且韧性高,尤其是采用TMCP 的HPS 更是如此。

HPS 易于同普通钢焊接,焊接时允许高的输入温度,通常可不预热或在低预热温度下焊接。

HPS 优良的可焊性可以降低预热温度、温度输入控制、焊后处理和其他需要严格控制的要求,也可以消除焊接过程中的氢致开裂。

4.HPS的耐腐蚀性和耐侯性能具备较高的抗腐蚀和耐候性能，是HPS的显著特征之一。

HPS 的抗腐蚀性指HPS 在一般气候条件下,在不需要涂装的情况下HPS可以正常工作。

高性能钢的良好耐候性,使桥梁等钢结构在大气环境下可以不采用涂装。

与普通的耐候钢相比,美国和日本均通过增加镍(Ni) 和铜(Cu) 等合金元素来实现钢材的耐腐蚀性和耐候性。

这种新型钢抗腐蚀性比传统钢更优,不需要涂装和其他防腐技术。

HPS485W 的成分组成不仅满足ASTM G l O l规范对传统耐候钢在不油漆条件下使用的要求，且其抗大气腐蚀指标还稍稍优于传统耐候钢。

实际上，取消或部分取消油漆，就可显著减少钢桥在服役期内的养护维修费用，取得较好的总的经济效益。

5.HPS抗疲劳性能与传统钢材一样，HPS的抗疲劳性能取决于构造细节和应力比，而不受钢的类型和强度的影响。

在焊接结构中疲劳强度仍然不取决于钢材的强度。

由于利用HPS强度高，焊接结构的疲劳强度越来越重要。

为了提高HPS应用性价比，必须提高钢材的抗疲劳性能，使疲劳强度不作为结构设计的控制冈素，发挥HPS最大使用效率。

提高结构的抗疲劳强度，首先要靠合理构造细节设计和精心施工取得好的质量，此外，还可以在焊后进一步采敢一些工艺措施提高抗疲劳强度。

三．HPS力学性能美国、日本、欧洲地区有代表性的高性能钢力学性能比较见表1。

为保持高性能钢的高强特征，对合金元素进行优化组合，并采用淬火和回火( r)或TMCP技术，生产出同时保持高强度和高韧性的细晶粒结构钢。

抗拉强度性能是高性能钢发展中一个主要关心的问题。

表1中对高性能钢的屈服强度和抗拉强度力学性能进行比较。

可以看出：美国和日本规范在所有钢板厚度范围有统一的强度标准；欧洲规范钢板强度是随着钢板的厚度变化而变化的。

对于严寒地区的桥梁结构，在活载作用下，发生疲劳破坏可能性更大。

通常用最小夏比V形缺口冲击试验来表明高性能钢具有良好的抗裂韧性。

高性能钢有较高的屈服和抗拉强度，表1中显示高性能钢最小轴向断裂伸长率大于16％，可见具有很高的延性性能。

高性能钢的高韧性和高延性有利于提高桥梁的抗裂性能。

四．HPS与普通性能钢的比较钢的综合性能决定了其在应用中的优劣。

强度、抗腐蚀能力、延展性和可焊性都将影响其综合性能, 高性能钢有两个优点, 即可焊性及韧度都优于普通钢。

普通钢可取得和高性能钢同样的屈服强度, 事实上70ksi和100ksi钢已使用数年但其可焊性较差。

高性能钢因含碳量低而改善了其可焊性能, 甚至可做到焊接高性能钢不需要预热, 直至作了更深入的研究, 才推荐使用很小的预热。

因HPS钢具有很好的可焊性才使新桥型及需现场焊接的结构得以发展。

五．HPS在桥梁工程中的应用HPS的高强度性能，为桥梁工程师提供了设计更加轻盈、跨度更大的桥梁的可能；其良好的抗腐蚀和耐候性能(在正常大气环境下无需油漆)，也得到桥梁业主和管理部门的认可。

因此，HPS在美国桥梁工程界受到青睐，近年来，采用HPS建造的桥梁数量呈快速增长趋势。

根据目前的汇总资料进行分析，采用HPS修建的桥梁绝大部分是中小跨度的公路简支梁和连续梁桥(大部分梁桥的跨度在2O～50 m之间，最大跨度达到137 m)；主梁截面为工字形或开口箱形，配混凝土桥面板。

将HPS应用到斜拉桥、桥面板和其它结构部位，只是个别情况。

新的材料带来了新的设计思路。

从材料和设计的角度讲，一座桥梁的承重结构采用的钢材通常为同一型号，这是常见情况；也可以是不同型号，如日本1988年建成的与岛公铁两用连续钢桁梁桥，其在支点附件的上、下弦杆采用HT780钢，邻近的部分弦杆采用HT690钢，其余杆件则采用其它钢材，这叫混合设计(Mixed Design)。

若在1根构件或1片主梁上采用不同型号的钢材，就称其为Hybrid De—sign，现姑且译其为“混杂设计”。

混杂设计的主要特点在于：根据结构受力情况配置不同型号(一般不超过两种)的钢材，以便充分发挥材料特性，取得经济效益。

六．HPS应用实例（1）马丁河(Martin Creek)桥。

该桥位于田纳西州，1998年2月开通，为2×71．78 m的两跨连续梁桥，车行道宽8．53 m，横向布置连续的3片工字形主梁，主梁间距3．2 m。

原设计采用345W 钢，后在FHWA的支持下，改用HPS 485W 以便进行实桥设计试验。

重新设计中，中间支点附近的梁段采有横向联结采用345W。

最后的结果是：主梁用钢量减少24．2 ，费用减少10．6 。

由于主梁重量大为减轻，显然也带来了运输、架设和下部结构费用的节省。

（2）福特城(Ford City)桥。

该桥位于田纳西州，2000年7月开通，为(97.5+126.8+97.5)m的三跨连续梁桥，第一跨布置在半径155 m的水平圆曲线上；横向布置4片主梁，主梁间距4．1 m。

主梁在负弯矩区域采用HPS485W，其余部位采用345W。

这样的主梁混杂设计使得钢梁自重减轻20％，而且，可在较大跨度内仍采用等高梁(减少了制作费用)，避免了在采用345W 钢的常规设计中需要的腹板纵向拼接。

在积累了一些实桥数据后认为，采用HPS并实行混杂设计，与全部采用HPS相比，可大约平均节省10 的建桥费用。

经济效益最好的一座HPS桥的用钢量减少28%，总费用减少18%。

六．我国桥梁用钢的发展在国内桥梁HPS生产和应用尚属空白。

国内普通桥梁用钢的发展虽起步早，但与国外相比发展速度缓慢。

我国钢桥发展的主要几个阶段如下表2所示，建国以来部分钢桥的用钢牌号情况如表3所示。

在20世纪6o～8O年代开发了16Mnq、15MnVNq，其中16Mnq在行业中虽然应用广泛，但其致命的缺点是板厚效应严重。

1976年在沙通线白河桥试用的15MnVNq，后来仅在1993年京九线上的九江大桥上使用，实际上形成了中国桥梁钢仅有16Mnq可用的被动局面。

20世纪7O一8O年代包括南京长江大桥在内的大型公路和铁路桥都采用16Mnq。

90年代上海南浦、杨浦、徐浦等斜拉桥采用的都是进口或国产的STE355钢。

随后武钢研制开发的桥粱钢14MrLNbq，先后用于芜湖长江大桥、南京长江二桥、黄河长东二桥等长江、黄河上的近20座桥梁。

2007年初武钢推出第五代WNQ570(Q420qE)桥梁钢，用于计划在2009年通车的南京大胜关长江大桥。

随着南京大胜关长江大桥应用Q42Oq的开始，现在设计的超大跨的钢桥陆续采用Q42Oq钢材，如安庆长江铁路桥的斜拉桥方案、广东东莞东江大桥等。

从表4和表5可以看出，我国钢桥正向大跨度发展，而且多线并桥，公铁合用，桥梁恒载加大，桥梁用钢必然向高强度、高性能发展。

目前我国桥梁用钢以Q345q和Q37OqE 为主流钢种；Q420qE、q42OqD陆续采用。