19世紀的工業革命促進了鐵的普遍使用，從而代替了木材和磚石來建造橋梁。那個時代的橋梁建設者們驚嘆於鑄造和鍛造鐵的強度，以及橋梁跨徑的提升能力。許多的鐵路橋開始用鑄造和鍛造鐵來建造。然而，這些橋中許多由於超載或者疲勞，在僅僅運營了12～30年後便失效了。橋梁建設者認識到他們需要比鐵更具有高強、耐久，並且更好的抗疲勞性的建橋材料。結果證明是鋼。
在18世紀50年代中，隨著貝西莫轉爐煉鋼和平爐煉鋼的出現，鋼材以合理的成本開始應用在大量的房屋和橋梁建設中。在過去的150年中，結構鋼的發展從碳素鋼到特種鋼，比如鎳鋼，從低合金高強度鋼到調製（淬火回火）高強度鋼，再到現在21世紀的高性能鋼和耐候鋼。
隨著時代的發展，橋梁工程師和養護人員開始著力於對橋梁鋼結構的設計、施工、維護、監測和維修等工作的探究。基於橋梁鋼材特性的基礎之上，對新橋進行設計，對既有橋梁進行維修，以免造成鋼結構早期的失效。
橋梁結構鋼的類型
1.碳素結構鋼（ASTM A7、A9、A373、A36）
碳素結構鋼主要用於鉚接、栓接和焊接橋梁建設中。很多老橋採用了A7、A9、A373和A36。自從1960年A36第一次被採用，已經成為了應用最為廣泛的碳素結構鋼，並且經常被認為是「所有用鋼」。
2.特種鋼（A8鎳鋼，A94矽鋼，HT眼）
19世紀初期，一些特種鋼被應用於減輕鋼橋重量非常重要的高強度鋼結構構件。A8鎳鋼已應用於眼杆和桁架構件，A94矽鋼用於桁架構件、塔柱、樓層梁、縱梁和大梁。HT Eyebars用於懸索橋、桁架橋和系杆拱橋。其中，HT Eyebars由AISI 1060碳素鋼加工而成，通過熱處理來降低屈服強度和極限強度。這些特種鋼被用來鉚接或者普通鋼施工，非常難以焊接。
3.低合金高強度鋼（A242、A440、A441、A572、A588）
低合金高強度鋼（HSLA）是為了比碳素結構鋼具有更好的結構性能和更高的抗腐蝕性而研發的低合金鋼。通過添加合金元素而具有這些特性，能很好地應用於鉚接、栓接和焊接結構。
在採用ASTM名稱之前，A242和A588分別以CortenA和CortenB的商業品牌為大眾熟知，由美國鋼鐵公司生產。A242和A588比碳素鋼具有更好的抗腐蝕能力，也就是通常所說的「耐候鋼」，應用於不塗裝的情況。
4.調製（淬火回火）低合金鋼（A852）
調製（淬火回火）低合金鋼（A852）主要是為了用於減輕重量、更耐久、對衝擊韌性要求高的焊接或栓接橋梁，這種鋼材防大氣腐蝕性比碳素結構鋼好得多。但是，當用於橋梁時一般都需要塗裝。
5.高屈服強度調製（淬火回火）合金鋼（A514）
高屈服強度調製（淬火回火）合金鋼（A514）主要用於高強度的大跨橋梁。
6.高性能鋼（HPS 50W，70W和100W）
現在常用高性能鋼的等級有HPS 50W、HPS 70W和HPS 100W，在大氣環境下具有耐候性，具有更好的焊接性和韌性。
HPS的耐候性
HPS最初的研發目的之一就是其具有的「耐候性」，也就是說HPS應具有在常規大氣環境下不需要塗裝的適用性。HPS的大氣耐腐蝕性略高於常規的50W和70W級鋼。例如，根據ASTM G101進行的測試結果，70W級的大氣防腐蝕指標CI為6.0，而HPS 70W的CI指標為6.5。長期的大氣防腐蝕性觀測還在進行中，以進一步支撐這項研究。
設計人員應遵守規範和常規的防腐等級鋼的應用實踐，以保證HPS鋼在無塗裝情況下的正確應用。無塗裝耐候鋼在公路橋梁上的正確應用規範，可以在FHWA (美國聯邦公路局)技術諮詢T5140.22中找到（結構無塗裝耐候鋼，1989年10月3日）。
HPS抗疲勞斷裂性能
HPS的抗疲勞性能通過控制連接處的焊接細節和應力幅來控制，就像普通鋼材一樣。抗疲勞性不受鋼材類型和強度影響。對於高性能鋼材的測試，包括AASHTO LFRD橋梁設計規範中規定的疲勞範圍，同樣適用於HPS的焊接細節。
HPS斷裂韌性比普通橋梁鋼材更高。圖1表示了HPS 70W(HPS 485W)和普通AASHTO M270 50W級鋼的夏比V形缺口衝擊試驗曲線。HPS的脆韌性變化發生溫度比普通50W級鋼低很多。這就表明在普通50W級鋼開始變脆時的溫度HPS 70W(HPS 485W)仍然保持完全的韌性。
現行AASHTO對CVN(夏比V形缺口衝擊韌性)規定，在最低規定環境溫度以上時，鋼橋不得發生脆性斷裂。環境溫度分為3個區域，規定見表13。
AASHTO對CVN的溫度區域要求在AASHTO LFRD橋梁設計規範中有規定。HPS 70W(485W)鋼，甚至完成了在極端環境溫度60°F的韌性試驗。這是HPS研究的重大成就，並在HPS脆斷控制上取得了重大進步。因為具有高的斷裂韌性，所以高性能鋼比普通鋼，具有更高的裂紋容限。在實驗室進行的HPS 70W(485W)工字梁疲勞斷裂足尺試驗表明，在裂縫大到受拉翼緣淨截面損失50%的情況下，仍能夠承受全部的設計荷載。大的裂縫容限使得橋梁在變得不安全之前，有了更多的檢查和維修時間。
結構鋼的可焊性
可焊性是一個用來表示在焊件沒有初始裂紋和缺陷的情況下焊接材料的焊接難易程度。橋梁中的結構鋼一般都是可焊接的。然而，A514和特種鋼比碳素結構鋼和低合金鋼更難焊接。採用正確的焊接程序才能避免出現問題。碳是結構鋼中最重要的化學成分。碳含量影響強度、韌性和可焊性。提高碳含量會降低可焊性。碳當量（CE）通常被用來確定可焊性。CE用來估計預熱要求，氫和連接限制的影響。碳當量高的鋼以常規方式並不是很容易焊接，應該設置特別的焊接程序才能進行成功的焊接。
碳當量確定可焊性的方式，對於鋼材化學成分不明情況下的鋼橋修復和翻新非常有用。橋梁設計和製造人員必須通過從既有橋梁上取樣來計算碳當量評估可焊性。
很多基於經驗和試驗的碳當量經驗公式可以採用。基於這些碳當量公式的可焊性大概評價如下：
CE＜0.45%——可焊性很好。宜預熱到200°F。推薦低氫焊接操作。
CE=0.45%～0.60%——可焊性合適。宜預熱到200°F到400°F。要求後熱。推薦低氫焊接操作。
CE＞0.60%——可焊性差。要求預熱到400°F到700°F。要求後熱。推薦低氫焊接操作。
一種鋼材的碳當量確定後，可以通過AWS焊接規範中碳當量相似的鋼材進行核對，來發現板厚和焊接程序的影響來確定預熱、焊層溫度和後熱要求。對於不常見的情況，推薦的焊接方案應在施焊前進行測試以確保成功。
結構鋼焊接的最常見問題是HIC(氫致開裂)。氫致開裂有焊道底裂紋、冷裂紋或者延遲裂紋多種名稱。在焊件冷卻到低於200°F時發生。這對於檢查冷卻後的潛在氫致裂紋缺陷非常重要。如果氫不足，或者在較低的水平則不會發生氫致裂紋。焊接中採用氫，由於電極材料內的水分、焊劑、保護氣體，填塞物或母材上的汙染物，比如鏽、油漬、塗料等。使用低氫電極對於高碳當量並且裂紋敏感的連接細節的焊接結構鋼非常重要。低氫電極包括最小量水分的遮蓋物和密閉容器。一旦打開，電極必須存儲在電極烤箱中以保持低水分。
高性能鋼HPS 50W和HPS 70W的可焊性有非常大的提高，要求少預熱或者不預熱。AASHTO公路橋梁製造規範對HPS 70W和AWS D1.5橋梁焊接標準中，有對HPS採用低氫操作的規定。
鋼橋使用壽命的影響因素
一座橋梁的使用壽命受許多因素影響，例如材料選擇，設計和結構細節，荷載和應力水平，加工質量，檢查、運輸和安裝，腐蝕，維護和修理。可以通過控制以上部分或者全部因素延長使用壽命。
理論上把鋼橋失效的主要原因歸於以下缺陷：設計荷載、應力水平、應力幅、應力循環和結構連接細節；製造；檢查和材料韌性。這些缺陷導致疲勞破壞和脆斷。對導致疲勞破壞和脆性斷裂的因素的認識，有助於防止這種破壞，從而保證安全並延長使用壽命。
疲勞破壞的成因
大多數的疲勞裂紋初始於表面缺陷、不規則或者外形改變。表面光滑對於獲得高的抗疲勞性能非常重要。例如，消除焊接應力，磨平表面，保證截面間光滑過渡，防腐蝕和其他降低應力集中的處理，可以簡單有效的方式提高抗疲勞性。
有三個主要因素影響鋼橋的疲勞壽命：應力幅、應力循環次數、結構細節類型。
◆ 應力幅
應力幅是指在構件的細節或個別位置處計算得到的最大和最小應力數值差。是由過橋車輛引起的應力循環，震動、溫度變化和風力都能使構件產生循環應力。對產生疲勞裂紋風險最大的是那些發生在構件受拉或者應力反轉區域的應力幅。
◆ 應力循環次數
每一個通過橋梁的車輛通道都會在構件或細節處產生一次或多次應力循環。一座鋼橋經歷的循環次數是在運營期內過橋車輛數的函數。例如，設計壽命為75年，全部應力幅循環次數通過下式可以確定。
N=(365)(75)n(ADTT)SL
其中，N——為75年內的應力幅循環總數；
n ——每車通道產生的應力幅循環次數。可從表14得到，即AASHTO LRFD橋梁設計規範第6節中。
（ADTT)SL ——單車道的平均日交通量。
◆ 結構細節類型
結構細節類型指鋼橋中常用的鉚接、栓接和焊接。AASHTO LRFD橋梁設計規範中根據基於試驗數據和斷裂力學分析評價確定的疲勞抗力，把結構細節劃分為8類，稱為細節類型，根據疲勞強度分別標為A、B、B'、C、C'、D、E和E'。A類細節名義疲勞抗力最高，E'最低。例如對於200萬次疲勞應力循環，A類細節名義疲勞抗力為23ksi，而E'類的名義疲勞應力為6.0ksi。圖中所示為A類到E'類名義疲勞抗力圖。
AASHTO LFRD橋梁設計規範給出了細節類型的一般情況描述，並對細節進行了解釋說明。知道了細節類型和循環次數，可以從下圖確定細節的名義疲勞抗力，從106次循環豎直向上畫直線與E'線相交，然後從交點水平劃線與應力幅坐標軸相交處為7.3ksi。如果設計應力幅小於這個值，說明細節類型是合適的。如果應力幅高於這個值，那麼這個細節很可能會出現疲勞裂紋，即使裂紋還沒有發現。疲勞抗力低的細節，比如蓋板兩端（細節類型E'）應進行評估和定期檢查。如果發現疲勞裂紋，應對這種細節進行維修或者翻新，如果還沒有開裂應進行處理提高疲勞性能。
疲勞破壞的維修
具有良好細節的設計在預防疲勞失效方面還有很長的路要走。然而，許多既有鋼橋結構細節抗疲勞性能較低。在鋼橋需要承受更重的交通荷載或者交通量更大時需進行維修和翻新。
在選擇維修或翻新方法之前，必須先確定疲勞破壞或即將疲勞失效的原因。有很多種疲勞破壞維修或翻新的方法。根據疲勞的性質，需要採取一種或多種方法來解決。有些情況，沒有任何行動是合適的選擇。
疲勞破壞或可能失效的多數原因是：表面缺陷、焊接缺陷、結構細節低劣、變形受限、面外扭曲。
疲勞破壞或潛在的疲勞失效維修或翻新一般程序是：監控裂縫擴展→確定應力水平→打磨去除表面缺陷→去除裂紋→再焊接→後熱處理→表面處理（例如用鎢極氬弧重熔、用錘尖敲擊、超聲衝擊處理等）→鑽孔→安裝淬火墊圈高強螺栓→鑽兩個孔並用鋸切連接→螺栓鉸接→修改連接→降低應力幅。
◆ 脆性斷裂
脆性斷裂以非常快的速度發生，之前並沒有塑性變形和徵兆。最開始來自焊弧的一些小裂紋，焊接處的大裂縫或者疲勞裂縫。有三個主要因素控制橋梁和組成構件損傷到脆性斷裂，分別是材料韌性、缺陷尺寸、應力水平。
◆ 材料韌性
材料韌性可以認為是材料在缺陷狀態下吸收能量的能力。如果材料吸收能量的能力弱，輸入的能量不得不通過擴張缺陷被分散。材料韌性可以通過一系列試驗確定，例如夏比衝擊功（CVA衝擊試驗）落錘試驗、動力撕裂試驗，預製裂紋簡支梁試驗等。CVN衝擊試驗是用來確定結構構件韌性的最常規方法，簡單快速，不貴。試驗結果表明與其他試驗具有很好的相關性。鋼結構的斷裂韌性主要受三個因素影響：溫度——溫度越低，韌性越低；板厚——板越厚，韌性越低；加載速度——加載越快，韌性越低。
◆ 缺陷尺寸
缺陷存在於所有的鋼結構構件和連接中。缺陷出現在構件中——生產，例如接縫、分層和夾雜；製造，例如火焰切割和焊接；運輸和安裝，例如切割、鑿、鏈條印記。一個構件缺陷的數量和尺寸取決於設計和細節的質量，生產、製造和檢查。這些缺陷導致應力集中並產生潛在的裂紋萌生。
◆ 應力水平
斷裂發生在拉應力的情況——拉應力越大，構件發生脆性斷裂的受損越高。設計人員通常只關心名義設計應力。然而，在設計和細部設計控制斷裂，設計人員必須關注應力增大和應力集中，有可能將名義的張力應力提高到一個很高的水平。母材和焊接金屬的所有缺陷都會導致應力集中。任何的截面改變或者沿應力流線的不規則都會導致應力集中。焊接也會導致很高的殘留張拉應力，通常是屈服點的大小，在焊縫和母材焊縫附近。
◆ 應用斷裂力學
斷裂力學原理是建立在斷裂韌性、缺陷尺寸和應力水平的相互關係基礎上的。斷裂力學基本概念建立在裂縫發生前的應力範圍可以通過一個參數表示，這個參數稱為應力強度參數K。K與名義應力水平σ、裂縫尺寸a相關。
當裂縫末梢的應力集中係數到達關鍵值Kc時發生斷裂。Kc表示材料的斷裂韌性，單位為
，對於一個既定的確定尺寸結構構件Kc是確定的，以具體溫度和加載速度，設計人員可以確定結構構件確定應力水平下的關鍵裂縫尺寸。當一條裂縫到達關鍵尺寸，就會變的不穩定並導致脆性斷裂。Kc、σ之間的確定關係如圖3所示。
圖3中可以看出斷裂韌性的重要性。例如在30ksi的應力水平時，鋼構件Kc=
，在斷裂前可以承受1英寸的裂縫；但是在Kc=
，在斷裂前可以承受3.5英寸的裂縫；換句話說，更大的裂縫容許值意味著在脆性斷裂發生前，允許更多的時間對疲勞裂縫進行檢查和維修。
結構鋼在美國已廣泛應用於大、中、小跨徑橋梁，鋼橋已經成為國家基礎設施的基本需求，許多歷史和現代標誌性的橋梁都是鋼結構。鋼結構的強度重量比減小了，使得超大結構的重量相應減小，也減少了基礎造價，在基礎條件差的情況下，減輕自重對大跨徑橋梁尤為重要。
鋼橋為滿足安全、美學、耐久、經濟、快速施工、靈活、減少維護的要求提供了有效的解決方案。做到注意細節、正確防腐、經常檢查和日常維護，鋼橋可以在整個使用壽命期內保持安全、耐久和有效的性能。
本文節選自：第14屆中美橋梁工程交流會報告
作者 / Myint Lwin
作者系美國聯邦公路署橋梁技術司原司長
中美公路技術交流中心美方主席