哈大客運(yùn)專線H型鋼柱鋼材的選用分析研究

王森林,王國(guó)梁

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

1 概述

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》,嚴(yán)寒地區(qū)的定義為累年最冷月平均溫度小于等于-10 ℃的地區(qū),我國(guó)東北及華北的北緯40°30′以上地區(qū)均屬于嚴(yán)寒地區(qū)。哈爾濱至大連客運(yùn)專線地處我國(guó)東北地區(qū),屬于嚴(yán)寒地區(qū)的客運(yùn)專線。對(duì)承重鋼結(jié)構(gòu)鋼材的選用,按照新版《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017—2003)的規(guī)定,要求同時(shí)有7種考慮的因素,其中以應(yīng)力狀態(tài)、連接方法和工作溫度3項(xiàng)最重要,所有因素都基于一個(gè)出發(fā)點(diǎn),那就是要防止脆性破壞的發(fā)生,這對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。其工程所經(jīng)地區(qū)的環(huán)境溫度,在《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017—2003)中,是以結(jié)構(gòu)工作溫度為表征的。結(jié)構(gòu)工作溫度：按新版《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017—2003)的規(guī)定,是以該規(guī)范的最低日平均溫度定義的,它比劃分寒冷、嚴(yán)寒的溫度標(biāo)準(zhǔn)還低,也就是說(shuō)：一個(gè)地區(qū)的結(jié)構(gòu)工作溫度和該地區(qū)的所屬溫度區(qū)類型劃分的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù),在數(shù)值上是不同的。對(duì)于大部分東北地區(qū)來(lái)講,都屬于嚴(yán)寒地區(qū),因此可以按嚴(yán)寒地區(qū)來(lái)研究鋼材的選用問(wèn)題。

2 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況

2.1 國(guó)內(nèi)情況

由于我國(guó)大部分電氣化鐵路處于華北、華中以及南方地區(qū),東北的電氣化鐵路較少,所以對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)高速電氣化鐵路H型鋼柱的選材缺乏研究。

2.2 國(guó)外情況

就目前掌握情況,在日本的新干線上鋼腕臂的選材等同于國(guó)內(nèi)的Q345鋼。

3 鋼材選用原則及依據(jù)

3.1 常用的Q235和Q345鋼材的化學(xué)成分及力學(xué)性能

現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T700—2006)和《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T1591—94)中對(duì)Q235和Q345鋼材的化學(xué)成分及力學(xué)性能要求見(jiàn)表1～表4。

表1 Q235鋼材的化學(xué)成分 %

表2 Q345鋼材的化學(xué)成分 %

從表1～表4中可以看出,同一牌號(hào)的鋼,其等級(jí)的不同,主要體現(xiàn)在主要化學(xué)成分如碳、硫、磷的含量,以及沖擊韌性試驗(yàn)合格保證的溫度這兩方面。等級(jí)越高,碳、硫、磷的含量越少,沖擊韌性試驗(yàn)合格保證的溫度也越低,表明鋼材的韌性越好。

3.2 鋼材選用的規(guī)定

能夠?qū)е落摬拇嘈云茐幕蚺c之有關(guān)的的因素總共有：結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征、結(jié)構(gòu)形式和連接方法、應(yīng)力狀態(tài)、工作溫度、鋼材厚度和工作環(huán)境等7項(xiàng),其中應(yīng)力狀態(tài)、連接方法和工作溫度是鋼材選用主要考慮的因素。因此了解了各因素對(duì)防止脆性破壞發(fā)生所起的作用,也就可以掌握鋼材選用的原則。

3.2.1 結(jié)構(gòu)的重要性

脆性破壞是一種先兆不明顯、帶有突然性質(zhì)的破壞,建筑結(jié)構(gòu)按自身破壞可能產(chǎn)生后果的嚴(yán)重性,分為重要的、一般的、次要的3種,其對(duì)應(yīng)的安全等級(jí)為一、二、三級(jí),安全等級(jí)高的建筑應(yīng)選用較好的鋼材,一般的建筑,可選用普通鋼材。對(duì)電氣化鐵路H型鋼柱來(lái)講,沒(méi)有備用可算一級(jí)的重要建筑。

表3 Q235鋼材的力學(xué)性能

表4 Q296、Q345、Q390鋼材的力學(xué)性能

3.2.2 結(jié)構(gòu)形式和連接方法

鋼結(jié)構(gòu)的形式主要是以連接方式來(lái)劃分,只有焊接和非焊接,對(duì)焊接結(jié)構(gòu),在焊接時(shí)的不均勻加熱和冷卻常使構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生很大的焊接殘余應(yīng)力,焊接構(gòu)造及難以避免的缺陷又常使結(jié)構(gòu)存在潛在的裂紋損傷,而焊接結(jié)構(gòu)的整體剛性及連續(xù)性好的固有特點(diǎn),又恰好易使這些缺陷和裂紋相互擴(kuò)展貫通；而碳、硫、磷等有害元素的含量都對(duì)結(jié)構(gòu)的焊接性能有影響,硫磷的偏析均較嚴(yán)重,硫能在焊接高溫下(800～1 000 ℃)出現(xiàn)熱脆裂紋,磷偏析形成的富磷區(qū)促使鋼材冷脆,因此所有承重結(jié)構(gòu)對(duì)硫磷的含量均應(yīng)有合格保證。而碳的含量,是決定焊接性能的最主要因素,因此焊接結(jié)構(gòu)用鋼材的質(zhì)量要求要高于同樣條件的非焊接結(jié)構(gòu),而且一定要保證碳含量,因此在主要焊接結(jié)構(gòu)中不能使用Q235—A級(jí)鋼。電氣化鐵路H型鋼柱結(jié)構(gòu)鋼材都要選用焊接性能較好的鋼材。

3.2.3 鋼材厚度

厚鋼材輥軋次數(shù)少,壓縮比小,組織欠密,所以與薄鋼材相比,不僅強(qiáng)度較低,而且塑性、沖擊韌性和焊接性能也較差,因此厚度大的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用材質(zhì)較好的鋼材。

3.2.4 荷載特征

直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)應(yīng)選用綜合性能(主要指塑性和韌性)較好的鋼材；直接承受動(dòng)力荷載特別是荷載重復(fù)作用頻繁需要疲勞驗(yàn)算的結(jié)構(gòu),容易引起疲勞脆性破壞,要求使用綜合性能更高的鋼材,不使用Q235沸騰鋼；承受靜力荷載或間接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)就可采用一般質(zhì)量的鋼材。電氣化鐵路H型鋼柱結(jié)構(gòu)受列車通過(guò)時(shí)的空氣動(dòng)力作用、大風(fēng)天氣的風(fēng)荷載作用以及弓網(wǎng)之間振動(dòng)帶來(lái)動(dòng)力荷載作用。是否要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞驗(yàn)算,以及在鋼材選用時(shí)提出更高的要求,主要是看荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的作用,以及所產(chǎn)生的破壞形態(tài)。電氣化鐵路H型鋼柱結(jié)構(gòu)屬于直接承受動(dòng)力荷載或振動(dòng)荷載,但是現(xiàn)階段沒(méi)有理論或試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持是否屬于需要驗(yàn)算疲勞(判斷標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)≥5×104)的結(jié)構(gòu),就目前判斷應(yīng)適當(dāng)考慮疲勞因素。

3.2.5 結(jié)構(gòu)的工作溫度

鋼材的塑性和韌性都隨溫度的降低而下降,在低溫尤其是脆性溫度轉(zhuǎn)換區(qū)時(shí)韌性急劇降低,容易發(fā)生脆性斷裂,因此對(duì)處于較低負(fù)溫下工作的結(jié)構(gòu)、特別是焊接結(jié)構(gòu),應(yīng)選用質(zhì)量較好和脆性轉(zhuǎn)變溫度低于結(jié)構(gòu)工作溫度的鋼材。由于Q235—A和Q235—B沸騰鋼,在澆筑前,以較便宜的錳鐵作為脫氧劑,來(lái)脫去能使鋼的熱加工性能變差的氧化物,但脫氧不充分,仍有較高的含氧量,澆鑄時(shí)冷卻速度快,氣泡較多,內(nèi)部組織不致密,氮是以固溶氮的形式存在,硫磷的偏析大,沖擊韌性低,冷脆性和時(shí)效性也大,在低溫及在動(dòng)力荷載作用下易發(fā)生脆斷,故對(duì)低溫環(huán)境和直接承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)限制使用Q235沸騰鋼。

3.2.6 應(yīng)力特征

這是指受力構(gòu)件截面上的應(yīng)力性質(zhì),由于脆斷主要發(fā)生在受拉區(qū),而且危險(xiǎn)性較大,所以對(duì)受拉、受彎結(jié)構(gòu)和構(gòu)件應(yīng)選用質(zhì)量較好的鋼材。

3.2.7 環(huán)境條件

露天環(huán)境下結(jié)構(gòu)的鋼材易產(chǎn)生時(shí)效,在有害介質(zhì)作用下鋼材易銹蝕,如有一定大小的拉應(yīng)力存在,那將產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象,經(jīng)過(guò)一定時(shí)間會(huì)產(chǎn)生延遲脆斷,因此環(huán)境條件惡劣的結(jié)構(gòu)要選用質(zhì)量教好的鋼材。

3.3 推薦嚴(yán)寒地區(qū)鋼材使用原則

推薦的嚴(yán)寒地區(qū)鋼材使用原則,基于對(duì)處于嚴(yán)寒地區(qū)并保證列車高速運(yùn)行電氣化鐵路H型鋼柱,為防止鋼材發(fā)生脆性破壞的考慮,并充分認(rèn)識(shí)哈爾濱至大連客運(yùn)專線工程及H型鋼柱的重要性,以重要的焊接和非焊接結(jié)構(gòu)對(duì)待,合理地提出并在個(gè)別條件下適度提高了鋼材選用標(biāo)準(zhǔn),這是近年來(lái)的大量工程實(shí)踐所遵循的,并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)分析如圖1所示,Q345B級(jí)鋼沖擊功吸收要優(yōu)于Q235B級(jí)鋼。

圖1 Q235B沖擊功平均值隨溫度變化趨勢(shì)

在國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的送電線路工程桿塔用鋼材,自2006年初開(kāi)始已經(jīng)全部統(tǒng)一采用Q235B和Q345B級(jí)鋼,這反映了電力行業(yè)內(nèi)對(duì)鋼材使用的重視。所以在電氣化鐵路中也應(yīng)提高對(duì)鋼材使用的重視程度。沖擊功平均值隨溫度變化趨勢(shì)如圖1、圖2所示。

圖2 Q345B沖擊功平均值隨溫度變化趨勢(shì)

4 結(jié)論

哈大鐵路客運(yùn)專線是我國(guó)“中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃”北京—沈陽(yáng)—哈爾濱(大連)客運(yùn)專線的組成部分,是東北鐵路網(wǎng)的脊梁,在全國(guó)路網(wǎng)的地位和作用十分重要。由于哈大客運(yùn)專線地處我國(guó)東北嚴(yán)寒地區(qū),平均最低氣溫為-40 ℃,但是實(shí)際冬季最低氣溫可能要低于-40 ℃,哈大客運(yùn)專線是我國(guó)第一條高寒地區(qū)電氣化高速鐵路。為適應(yīng)特殊環(huán)境要求,哈大客運(yùn)專線接觸網(wǎng)所選用的設(shè)備必須經(jīng)得起低溫考驗(yàn),特別是H型鋼柱,設(shè)計(jì)等級(jí)均按50年以上考慮,所以其在低溫下斷裂性能的研究尤為重要。目前我國(guó)常用鋼材Q235的強(qiáng)度不高、韌性和塑性也比較差,容易產(chǎn)生裂紋并引起擴(kuò)展,尤其是在低溫下更容易發(fā)生,建議選用含錳鋼及Q345低合金鋼,其強(qiáng)度高,雜質(zhì)少,磷的含量比Q235低,產(chǎn)生的低溫脆性斷裂的幾率小。

[1]崔 佳,等.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范理解與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004．

[2]劉聲揚(yáng).鋼結(jié)構(gòu)疑難釋義[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004．

[3]默增祿.輸電桿塔常用鋼材低溫特性試驗(yàn)研究[C].第5屆輸配電技術(shù)國(guó)際會(huì)議論文集,2005．

[4]于萬(wàn)聚.高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社,2002．

[5]于萬(wàn)聚.接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)及檢測(cè)原理[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,1991．

[6]吉鵬霄.接觸網(wǎng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006．