濱北橋鋼板及焊接接頭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究

劉桂紅

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600)

濱北橋鋼板及焊接接頭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究

劉桂紅

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600)

濱北線松花江公鐵兩用鋼桁梁橋處嚴寒地區(qū)哈爾濱，設(shè)計最低溫度為-43.1 ℃時，橋梁用結(jié)構(gòu)鋼Q370qE、Q420qE的各項力學(xué)性能指標(biāo)在規(guī)范中沒有規(guī)定，因此有必要開展鋼板及焊接接頭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究。根據(jù)斷裂力學(xué)原理，以防斷裂設(shè)計即結(jié)構(gòu)材料所具有的斷裂抗力Kc必須高于結(jié)構(gòu)物所要求的最高斷裂驅(qū)動力KI(KC≥KI)為理論依據(jù)，通過試驗數(shù)據(jù)確定采用Q370qE、Q420qE高強度結(jié)構(gòu)鋼作為濱北橋的結(jié)構(gòu)用鋼，得出鋼板焊縫的強度、韌性以及鋼板的斷裂抗力、焊縫沖擊功等指標(biāo)的設(shè)計限值及板厚與溫度的變化關(guān)系，為確保濱北橋鋼板及焊接接頭技術(shù)指標(biāo)的要求，提出焊縫的韌性與鋼材強度的韌性相匹配原則。

公鐵兩用橋；橋梁用結(jié)構(gòu)鋼；焊接接頭；斷裂抗力；質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

1 工程概述

濱北線松花江公鐵兩用橋是既有松花江公鐵兩用橋的改建工程，位于哈爾濱市松花江畔，既有橋是中國最早的公鐵兩用過江鋼桁梁橋，1933年日本制造，下層鐵路單線，上層公路兩車道，因公路交通量和超載車輛不斷增加，公路橋面于2006年全面實行封閉。經(jīng)專家評估論證，既有橋因修建較早，其設(shè)計荷載、橋梁限界、通航凈空等標(biāo)準(zhǔn)等級較低，難以滿足現(xiàn)有交通運輸?shù)男枨?，且鋼梁和混凝土結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)嚴重老化，使用壽命2016年到期。濱北橋是濱北線鐵路運輸?shù)钠款i，新建的濱北公鐵兩用橋在既有橋下游50 m橋位處，正橋鋼梁布置：2-96 m簡支鋼桁梁+(96+2×144+96) m連續(xù)鋼桁梁+6-96 m簡支鋼桁梁，鋼梁總長1 267.7 m。主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1)鐵路

鐵路等級：Ⅰ級；

設(shè)計活載：中-活載；

正線數(shù)目：雙線，線間距5.0 m；

設(shè)計速度：旅客列車速度≤160 km/h；

貨車列車速度≤120 km/h；

軌道類型：有砟軌道。

1.2 公路

道路等級：城市快速路；

車道數(shù)目：雙向六車道；

設(shè)計速度： 60 km/h；

橋面橫坡：雙向2%；

公司電池片環(huán)節(jié)設(shè)備全球領(lǐng)先：PERC較傳統(tǒng)電池主要添加的工藝設(shè)備為PECVD，公司的核心產(chǎn)品為PECVD設(shè)備和擴散爐，產(chǎn)線配套能力行業(yè)領(lǐng)先，2017年公司在光伏電池環(huán)節(jié)制造設(shè)備生產(chǎn)商中排名第一。

公路橋梁主橋總寬30 m。

2 主橋結(jié)構(gòu)

主橋桁式：均采用帶豎桿的三角形桁式(圖1)，兩片主桁間距14 m，桁高14 m，節(jié)間長度12 m，連續(xù)梁在144 m孔跨的中墩及次邊墩處設(shè)高度為10 m加勁弦，其余均為平行弦桁架，上層公路橋面總寬30 m。主桁采用整體節(jié)點，鐵路橋面、公路橋面均采用正交異性鋼橋面，主橋橫斷面見圖2。

圖1 正橋鋼梁布置(單位：m)

3 鋼板及焊縫質(zhì)量理論

濱北橋橋址處年平均氣溫3.5 ℃，極端最高36.4 ℃，極端最低-38.1 ℃，借鑒英國橋梁規(guī)范(BS 5400-3)，設(shè)計最低溫度U(C)=Ue-5，(其中Ue=-38.1 ℃)，濱北橋的設(shè)計最低溫度為-43.1 ℃。

地處嚴寒地區(qū)濱北橋為栓焊結(jié)合構(gòu)造，最大跨度144 m，承受荷載大，連續(xù)梁加勁弦處桿力較大，為使結(jié)構(gòu)的構(gòu)造與全橋的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，加勁弦處桿件采用了強度較高的Q420qE鋼板，平弦主桁桿件和橋面系等均采用Q370qE，鋼梁主結(jié)構(gòu)采用Q370qE、Q420qE。

設(shè)計最低溫度為-43.1 ℃時，橋梁用結(jié)構(gòu)鋼Q370qE、Q420qE的各項力學(xué)性能指標(biāo)在規(guī)范中沒有規(guī)定，制定鋼板及焊接接頭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是本橋研究的重點和難點之一。

國外嚴寒地區(qū)同類型橋梁有關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

借鑒英國 “BS5400-3”、美國橋梁規(guī)范防斷裂理論原理，結(jié)合我國已積累的實踐經(jīng)驗，應(yīng)用斷裂力學(xué)原理以防斷裂設(shè)計為理論依據(jù)，即結(jié)構(gòu)材料所具有的斷裂抗力Kc必須高于結(jié)構(gòu)物所要求的最高斷裂驅(qū)動力KI(Kc≥KI)。

圖2 主橋橫斷面(單位：m)

橋名主跨/m橋梁形式設(shè)計荷載建成年代日本明石海峽大橋1991鋼桁懸索橋公路六車道1998日本下津井、南北備贊瀨戶大橋940、1100鋼桁懸索橋公路四車道,鐵路雙線1998丹麥厄勒海峽大橋490鋼桁斜拉橋公路四車道,鐵路雙線2000日本柜石島、巖黑島橋420鋼桁斜拉橋公路四車道,鐵路雙線1988澳大利亞悉尼港橋503單孔鋼桁拱鐵路1932加拿大魁北克大橋548.6鋼桁梁橋公路兩車道,鐵路雙線1917日本港大橋510鋼桁梁橋公路1974日本與島橋(Yoshima)245鋼桁梁橋公鐵兩用1988美國皇后大橋(Queensboro)360鋼桁梁橋公鐵兩用1909

(1)材料所具有的斷裂抗力Kc

(2)結(jié)構(gòu)斷裂驅(qū)動力

式中,y為結(jié)構(gòu)因子構(gòu)件細節(jié)分類；σ為構(gòu)件的工作應(yīng)力；半長ac為裂紋長度。

構(gòu)件的細節(jié)及應(yīng)力狀態(tài)在結(jié)構(gòu)設(shè)計時已充分考慮，裂紋也是影響結(jié)構(gòu)斷裂驅(qū)動力KI的一個重要指標(biāo)，雖然采用了無損檢測的措施，裂紋的存在是不可避免的，如母材上的裂紋、焊接中的工藝裂紋、使用期間的疲勞及腐蝕裂紋等，當(dāng)存在著初始缺陷的鋼梁及其焊縫處于應(yīng)力狀態(tài)，構(gòu)件的韌性必須足以保證橋梁在有效使用年限內(nèi)在有一定缺陷或裂紋存在的情況下不發(fā)生脆性斷裂，沖擊韌性是關(guān)系到橋梁安全的關(guān)鍵。

4 鋼板及焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

本橋采用板桁結(jié)構(gòu)整體節(jié)點，因此焊接接頭類型多，焊接工作量大，焊接變形大，焊接的質(zhì)量與桿件的組裝精度是控制工程質(zhì)量的關(guān)鍵點。在超低溫環(huán)境下，對濱北橋鋼板及各種接頭形式的焊接工藝進行試驗，其結(jié)果如下。

在-43 ℃的溫度下，濱北橋鋼板的各項力學(xué)性能試驗結(jié)果見表2；焊縫金屬強度見表3；焊縫金屬伸長率見表4；接頭低溫沖擊值見表5。

綜上所述：在超低溫環(huán)境下鋼板及焊接質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)滿足：

(1)縱、橫對接焊縫金屬屈服強度(Rel)和抗拉強度(Rm)不低于母材標(biāo)準(zhǔn)值；

(2)焊縫金屬屈服強度(Rel)不低于母材標(biāo)準(zhǔn)或?qū)嶋H值，且不超過母材實際值的100MPa；

(3)焊縫金屬屈服強度(Rel)超強時，則屈強比應(yīng)

表2 鋼板試驗的力學(xué)性能

小于0.85(或基材實際值)；

(4)焊縫韌性?？v、橫對接接頭三區(qū)(焊縫、熔合線、熱影響區(qū))-43 ℃的卻貝沖擊功Q370qE不低于41 J，Q420qE不低于47 J。

結(jié)果表明：焊縫的韌性與鋼材強度的韌性相匹配。

表3 焊縫金屬強度 MPa

表4 焊縫金屬伸長率

表5 接頭低溫沖擊值

5 結(jié)語

在超低溫環(huán)境下，對于栓焊結(jié)合的濱北公鐵兩用橋，制定合理的鋼板及焊接接頭力學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)系到橋梁安全及鋼梁構(gòu)件制造合格率的關(guān)鍵，本橋應(yīng)用斷裂力學(xué)原理以防斷裂設(shè)計為理論依據(jù)結(jié)合國內(nèi)外規(guī)范，根據(jù)鋼板焊縫的強度、韌性以及鋼板的斷裂抗力、焊縫沖擊功、板厚和溫度的變化關(guān)系，確保濱北橋鋼板及其焊接接頭的質(zhì)量，試驗證明：焊縫的韌性與鋼材強度的韌性相匹配，避免造成結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為今后嚴寒地區(qū)的鋼橋建設(shè)積累經(jīng)驗。

[1] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005．

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB 10002.2—2005鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[M].北京：中國鐵道出版社，2005．

[3] 中華人民共和國鐵道部.TBJ 24—99鐵路結(jié)合梁設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，1999．

[4] [日]小西一郞.鋼橋[M].北京:人民鐵道出版社，1980．

[5] 西南交通大學(xué).鐵路鋼橋. [M].北京:人民鐵道出版社，1978．

[6] 趙庭衡.橋梁鋼結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.

[7] 吳沖.現(xiàn)代鋼橋[M].北京：人民交通出版社，2006．

[8] 中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司.濱北線松花江公鐵兩用橋施工圖[Z].北京：中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，2013．

[9] 中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，中鐵山橋集團有限公司，濱北線松花江公鐵兩用橋—鋼梁制造規(guī)則[Z].2014．

[10]中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，中鐵山橋集團有限公司.濱北線松花江公鐵兩用橋—焊接工藝評定報告[R].北京：中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，2014．

[11]馮沛，李鳳芹.鐵路鋼桁梁橋計算中幾個問題探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013(3):53-56．

Quality Standard for Steel Plate and Welded Joints of Bin-Bei Bridge

LIU Gui-hong

(China Railway The Fifth Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Beijing 102600， China)

Songhua River Bridge on Harbin-Beijing line is a combined bridge located in Harbin. The minimum tolerant temperature of the bridge is -43.1 ℃. As the mechanical performances of the high-tensile structural steel (Q370qE and Q420qE) applied to the major structure of the bridge have not been specified in relevant specifications， it is necessary to conduct researches on the standard for the steel plate and welded joint. Based on fracture mechanics theory， the break tolerance of steel (KC) must be greater than the maximum break driving forceKI(KC≥KI). The test results show that Q370qE and Q420qE are suitable for Songhua River Bridge. The welding strength of steel， the impact toughness of steel， the relationship between the thickness of steel and the temperature area obtained. Moreover， the principle that governs the toughness of weld joint to match the toughness of steel is introduced．

Road and rail bridge; Structural steel for bridge; Welded joints; Break resistance; Quality standard

2014-09-28；

2014-10-20

劉桂紅(1963—)，女，高級工程師，E-mail：liuguihong63@163.com。

1004-2954(2015)07-0108-04

U448.36

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.024