一、研究的背景与问题

我国钢结构桥梁占比仅为1%，而发达国家为30%以上，为推进钢结构桥梁建设，交通运输部发布了《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》。发展并建设钢-混凝土组合结构桥梁既是桥梁技术发展趋势之一，也是与国际桥梁发展形势相接轨的需要。高性能桥梁钢具有优良的机械性能、焊接加工性能和耐腐蚀特性，直接决定了钢结构桥梁工程建设质量、效率和寿命。但目前桥梁钢材料性能指标非常宽泛，无法适用西北地区千沟万壑、温差大、风沙大、工业气候腐蚀的复杂地理环境和气候环境。随着西北地区进入“一带一路”交通先行发展的快车道，对桥梁建设用钢服役条件愈发苛刻（宽温域、重载、高速、强冲击及复杂地质环境和气候腐蚀），对桥梁钢的耐候、焊接、冲击性能以及加工效率和经济性提出了更高要求，提出了技术挑战。

项目通过对桥梁钢材料进行宽温域、宽地域环境下自主化学设计,高强度、高韧性、耐腐蚀、抗撕裂性能的优化，以及桥梁钢母材与焊缝力学性能和耐蚀性能的设计和焊接工艺协同控制、钢结构桥梁批量化工程应用最后一公里攻关等关键技术问题的系统研究，发展了一系列具有高强、高韧、耐腐、抗撕裂、易焊接、工期快、高性价比的桥梁钢材料，满足了桥梁钢构件于西北地区复杂工况条件需求。

二、解决问题的思路与技术方案

酒钢中板在近几年的产品研发过程中，先后对Q345qD、Q345qE、Q370qE等牌号桥梁钢均有研究，新标准实施后，以前的生产方案不能保证低温冲击功性能，因此对前期的方案进行调整，鉴于酒钢的装备水平、工艺生产能力限制，超低碳贝氏体钢的生产难度较大，因此酒钢耐候桥梁钢采用低碳TMCP工艺路线，主要采用Nb、V金属进行强化，确保低温冲击韧性。

耐候钢在国标中，以耐候指数来衡量钢板的耐蚀性，耐受指数以Ni+Cr+Cu+P的元素组合测定，一个耐受指数判定方法不能更加精准地测定西北独特气候条件下的耐候钢腐蚀指标、同时耐候钢作为。项目通过耐候钢成分设计的优化，结合西北区域特点，利用模拟腐蚀的方案[盐雾腐蚀—模拟海洋气候大气环境、干湿交替循环腐蚀（3种介质）—模拟西北地区除冰盐和工业大气环境、大气暴露腐蚀（1年）]匹配气候条件，测定对比成分工艺优化后钢板的耐腐蚀性能优化情况。

对耐候钢进行焊接时，焊接热影响区、接头成为结构的薄弱区，存在一定的潜在风险和安全隐患的问题。同时由于焊接热循环的作用，使得焊缝区和母材的组织不同，电化学电位存在差值，使材料本身构成原电池，导致腐蚀的进一步加深的问题。由于气保焊焊接成本低、适应性广、电弧加热集中，受热面积小，可以减小热影响区的面积的优点。多层焊后一道焊接对前一道有热处理的作用，采用气体保护多层焊接的方法，可以有效改善晶粒大小，提高各项性能。并合理选择焊接工艺进行评定。

三、主要创新性成果

1、宽温域、宽地域环境下的桥梁耐候钢的自主化成分设计

针对西北地区气候多变，地貌复杂、风沙大、温差大，现有桥梁钢材料强度与韧性难以兼具、耐腐性能不足、焊接性能差、抗撕裂的难题，提出了低碳-镍铬铜-铌钒钛微合金复合强化的化学成分设计方法，建立了成分、组织、性能的高性价比复合优化设计方法，具体设计如下(以Q345qNH为例)。

（1）成分设计采用低碳微合金化，增加焊接性，满足强度和塑韧性，控制P、S元素，CEV≤0.43，Pcm≤0.19；添加耐候元素Ni+Cr+Cu，增加钢板的耐腐蚀性能。

（2）工艺控制优化：控制加热温度，保证除磷效果及避免晶粒长大；粗轧低速大压下，增加中间坯的厚度，控制精轧温度及节奏；采用弱水冷工艺，控制强度及屈强比，保证低温冲击韧性；采用堆垛缓冷工艺。冷床快速下线，实现堆垛缓冷工艺，保证钢板探伤。薄规格耐候桥梁钢400～500℃高温回火处理，确定合理的回火热处理温度，通过热处理的钢板出现了屈服平台，屈服强度提高，抗拉强度降低，延伸率上升，冲击功大幅度上升（详见表1）。解决了薄规格钢板待温过程中的性能不均问题。

表1 力学性能

（3）常规桥梁钢Q345qD与本项目设计耐候桥梁钢Q345qDNH组织性能对比

图1  Q345qD（a,b） 、Q345qDNH（c,d） 的组织对比

注：Q345qD组织为铁素体+珠光体 ，Q345qDNH组织（回火后 ）为铁素体+回火屈氏体，组织更细更均匀。

图2  Q345qD和Q345qDNH力学性能对比

从图2可知,Q345qDNH、Q345qD的抗拉强度分别为573Mpa、530Mpa（GB490Mpa）;屈服强度为449Mpa、385Mpa,延伸率分别为26%、27.5%，-20℃ AKV分别为80～98J、60～68J，可见尽管含碳量低于桥梁钢，但加入合金元素的耐候钢强度和韧性均优于桥梁钢。

2、西北地区耐候钢的匹配性焊材研究

对钢结构桥梁制造过程中焊缝位置力学性能低、易撕裂、耐腐蚀性能差和服役寿命短等关键共性技术问题，通过适合西北地区耐候钢的匹配性焊材研究，实现母材和焊缝耐候指数与耐候性能统一。具体解决方案如下：

（1）焊材选择

耐候桥梁钢焊接过程中，根据钢板中Cu-Cr-Ni耐候性元素配比，并在钢板内锈层的富集来保证耐候性。在焊丝选型过程考虑含耐腐蚀元素的焊丝选择THQ440-NQ。Q345qDNH各种焊接接头和焊缝强度满足技术要求，富余量合理。

表2 焊丝化学成分表

表3 耐候钢焊丝及焊接接头性能检验结果

（2）试验标准及要求

评定试验的依据和标准执行《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650-2020）、《铁路钢桥制造规范》（Q/CR 9211-2015）、《桥梁用结构钢》（GB/T 714-2015）等标准规范要求。

在试验过程中，根据板厚对同一厚度选择了两种不同的焊接坡口，分别是K型坡口和带钝边双边V型坡口。依据等强度原则和国标，选择焊丝直径为1.2mm耐候焊丝THQ440-NQ，焊接方式为气体保护焊。焊后试样均不进行热处理，坡口成型能力非对称X坡口＞K型坡口＞对称X坡口施焊。

（3）实施效果

对接头进行拉伸、冲击、弯曲性能测试，试样均判定为合格，符合国标要求。母材的耐候指数为6.5左右，THQ440-NQ耐候指数为6.6焊丝，焊缝耐候指数可以达到6.0以上，起到耐候作用，与常规的ER50-6，耐候指数提高了1.3。

随着焊接热输入的增大，焊缝柱状晶晶粒也显著增大，合适的热输入是影响力学性能的主要因素，可使焊接接头抗拉强度与母材相比较为增大，而屈服强度、断后伸长率以及冲击韧性较母材相比下降程度大为降低，尤其是在-40℃下的冲击韧性；同时可降低焊缝金属的韧脆转变温度，有效保障低温韧性。随着焊接热输入的增大，热影响区也逐渐增大，但硬度的最大值也逐渐减小。

表4  焊接参数

图3 焊缝金属金相组织(a)、(d)、(g)、(j) 1#焊缝 (b)、(e)、(h)、(k) 2#焊缝(c)、(f)、(i)、(l) 3#焊缝

焊缝在冷却过程中，熔池中液态金属一次结晶结束后，转变为固态的高温焊缝，在冷却到室温时，要经过一系列的组织相变过程。焊缝金属首先在原奥氏体晶界首先形成先共析铁素体，并且开始有少量魏氏组织铁素体的形成，随着温度的下降，针状铁素体在奥氏体晶内的非金属夹杂形核并长大，共同形成了焊缝的显微组织。

依据酒钢开发的耐候钢板的厚度和碳当量，通过耐候配套焊丝和焊接工艺参数的优化，解决了耐候桥梁钢和焊缝同耐候问题，耐候桥梁钢焊接接头力学性能和耐蚀性能双达标，形成从材料研发到焊接成套技术。

3、针对西北典型大气腐蚀环境中桥梁耐候钢的加速腐蚀试验评价方法

针对西北大气环境腐蚀介质特点，制定了评价大气腐蚀性能的腐蚀溶液，模拟冬天除冰盐腐蚀环境、工业大气环境以及除冰盐和工业大气共同作用的三种不同环境，为西北大气环境中的腐蚀评价奠定了基础。

表5 桥梁耐候钢Q345qNH的实验参数

通过以上实验可有效评价耐候钢在西北不同大气环境中的耐蚀性能，从而弥补国标对耐候钢耐蚀性能的评价仅用耐候性指数I不能全面评价不同大气环境介质中腐蚀性能的不足；大气暴露腐蚀周期太长，也不能快速评价耐候钢耐蚀性能的不足。

针对西北典型大气腐蚀环境，评价了酒钢耐候钢腐蚀特点及腐蚀机理，为耐候钢在西北大气环境中的腐蚀模型提供了参考。

 图4 Q345qNH钢在除冰盐介质中的锈层表面SEM图:(a) 24 h, (b) 144 h, (c) 288 h

 图5 Q345qNH钢在NaHSO3介质中的锈层表面SEM图: (a) 24 h, (b) 144 h, (c) 288 h

图6 Q345qNH钢在混合介质中的锈层表面SEM图:(a) 24 h, (b) 144 h, (c) 288 h

 图7 Q345qNH钢在不同介质中的锈层截面形貌图及Cr、Cu、Ni元素分布:(a) 除冰盐,

(b) 亚硫酸氢钠, (c) 混合介质

本项目以酒钢Q345qNH钢为研究对象，通过干湿交替加速腐蚀实验，分别模拟三种不同的西北大气环境对桥梁耐候钢Q345qNH的腐蚀形貌、锈层组成及耐蚀性能的影响，研究发现桥梁耐候钢Q345qNH在除冰盐介质中腐蚀失重最少，在NaHSO₃介质中腐蚀失重最大。在腐蚀初期，三种介质中Q345qNH钢腐蚀速率呈急速上升趋势，144 h后腐蚀速率明显下降。桥梁耐候钢Q345qNH经三种介质腐蚀后，形成锈层的致密性及稳定程度排序为：除冰盐介质<混合介质<NaHSO₃介质。

四、应用情况与效果

本项目研发出系列高性能桥梁钢材料，具有高强、高韧、高耐候、易焊接、宽温域、长寿命等特点，耐候性能指标已经达到或超过国外同类产品水平，适合于我国西北地区环境，并解决了钢结构桥梁比传统混凝土桥梁造价高的问题，从2016年至今，累计生产15万吨以上，具有广阔的推广应用前景。

1、桑园子黄河特大桥

大桥位于甘肃省兰州市榆中县桑园子峡谷，桥轴线与黄河斜交约60度。桥梁全长949m。大桥结构主要材料为Q345qDNH、Q370qENH、Q420qENH耐候钢材料，钢梁主要结构形式有主桥框架钢板梁、钢锚梁，结构材质均为耐候钢材料，设计复杂、机构新颖，项目施工质量要求高。

2、中川机场立交改造工程主线桥

中川机场T3航站楼连接线是连接G1816乌海至玛沁国家高速公路、S13机场高速和T3航站楼的快速通道，是进出兰州中川国际机场T3航站楼的专用线。全长11.274公里，桥梁总用钢量约10万吨。

图8 中川机场立交改造工程主线桥 图9 酒银大桥(全部使用酒钢桥梁钢）

3、甘肃省外重点桥梁工程

产品应用到大运会专用通道天府国际机场PRT交通工程、全运会桥梁凤城十路段、新疆果子沟大桥等重点工程，社会效益显著。

图10 青海省扎麻隆至倒淌河公路桥 图11 新疆果子沟大桥

 图12 重庆机场大桥（全部采用酒钢桥梁钢Q345qD）

信息来源：酒泉钢铁（集团）有限责任公司