滬通長江大橋Q500qE鋼的適用性研究

閆志剛，趙欣欣，徐向軍

(1.中國鐵路總公司 工程管理中心，北京　100038；2.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京　100081；3.中鐵山橋集團有限公司，河北 秦皇島　066200)

隨著我國鐵路橋梁技術的快速發(fā)展，繼武漢、南京、九江和蕪湖等長江大橋之后，武漢天興洲和南京大勝關長江大橋等數(shù)座高速鐵路大跨度橋梁也相繼建成，這些鐵路大跨度橋梁的主體結構多以鋼材為主建造。20世紀50年代建成的武漢長江大橋主桁的材質為從前蘇聯(lián)進口的屈服強度在240 MPa以上的A3q鋼。20世紀60年代建成的南京長江大橋首次采用了我國自主研發(fā)的16Mnq低合金鋼，其屈服強度在320 MPa以上，但板厚效應嚴重。20世紀90年代建成的九江長江大橋采用了我國自主研發(fā)的15MnVNq鋼，其屈服強度在420 MPa以上，比16Mnq鋼屈服強度有顯著提高，但低溫韌性和可焊性較差。為保證鐵路橋梁工程的安全性和易于工廠制造，2000年建成的蕪湖長江大橋采用了我國自主研發(fā)的14MnNbq鋼，其屈服強度在370 MPa以上，因采用降碳加鈮和超純凈冶金方法，其具有優(yōu)異的低溫沖擊韌性和可焊接性，并且解決了板厚效應問題[1]。14MnNbq鋼被納入橋梁鋼的國家標準后，改稱Q370q鋼。隨后，武漢天興洲長江大橋也使用了Q370q鋼。南京大勝關長江大橋于2011年建成通車，是世界上列車通過速度最快、跨度最大的鋼桁拱橋；由于該橋主桁桿件的最大軸力達到近萬噸，如果使用Q370q鋼建造，其最大板厚將超過100 mm，故此我國又自主研發(fā)了高性能的Q420q(WNQ570)鋼[2]，該鋼種采用超低碳微合金化成分設計，按控溫控軋(TMCP)工藝組織生產，其屈服強度在420 MPa以上，主要用于受壓桿件的制造。

滬通長江大橋主航道橋為主跨1 092 m的雙塔三索面鋼桁梁斜拉橋[3]，是世界上跨度最大的公鐵兩用斜拉橋。由于該橋的主跨超千米，承載4線鐵路、6車道高速公路，主桁斷面軸力超過7萬t，因此需要采用屈服強度更高的鋼種建造。但我國鐵路橋梁用鋼以Q345q鋼，Q370q鋼和Q420q鋼為主，尚無更高屈服強度級別的鋼種用于鐵路橋梁建設的經驗[4]。故此，本文對500 MPa級的Q500qE鋼在滬通長江大橋的適用性開展系統(tǒng)研究，重點研究其拉伸、低溫韌性和防斷等母材基本性能，切割、焊接和熱矯形等工廠制造性能，以及結構安全儲備、疲勞抗力和壓桿穩(wěn)定等設計參數(shù)，為滬通長江大橋采用Q500qE鋼提供技術支持。

1　母材基本性能

1.1　拉伸性能

軸向拉伸性能是鋼材最基本的力學指標之一。為掌握Q500qE鋼的拉伸性能，選取32 mm厚，屈強比為0.7的Q345qD鋼板和屈強比分別為0.7，0.86和0.9的Q500qE鋼板分別進行φ10 mm的標準試樣拉伸試驗，得到試樣的拉伸應力—應變曲線，如圖1所示。由圖1可知，與Q345qD鋼相比，Q500qE鋼沒有明顯屈服平臺。此外，Q500qE鋼的延伸率大于20%，沒有隨著屈強比的變化而明顯改變，這間接表明Q500qE鋼在高屈服強度和抗拉強度的同時，還具有良好的塑性。

圖1Q345qD鋼與不同屈強比的Q500qE鋼標準試樣拉伸應力—應變曲線

1.2　低溫沖擊性能

低溫時鋼材抵抗沖擊的韌性會變差，易發(fā)生脆性斷裂。依據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，選取板厚32，44和60 mm的Q500qE鋼母材及其40 mm+40 mm對接焊接熱影響區(qū)制作沖擊試件，分別進行-100～20 ℃的沖擊試驗，沖擊試驗結果如圖2所示。由圖2可知，隨著溫度降低，Q500qE鋼的沖擊功顯著降低，但-100 ℃時沖擊功仍可達70 J；厚44 mm板焊接熱影響區(qū)的沖擊功比母材有所降低，隨著溫度降低，降幅呈增大趨勢，在-78 ℃時降幅可達98 J；選用Boltzmann函數(shù)[5]擬合試驗數(shù)據(jù)，可以得到不同組試樣的韌脆轉變溫度，無論是母材還是焊接熱影響區(qū)的韌脆轉變溫度均低于-50 ℃。

1.3　防斷性能

滬通長江大橋的跨度大、荷載重，即使采用Q500qE鋼，主桁桿件最大板厚仍可達60 mm，僅通過低溫沖擊韌性判斷其防斷能力不夠全面。鑒于此，進行Q500qE鋼的裂紋尖端張開位移(Crack-Tip Opening Displacement，簡稱CTOD)和寬板拉伸試驗，根據(jù)所測CTOD值和斷裂韌性Kc值進一步研究Q500qE鋼的防斷性能。

圖2　Q500qE鋼低溫沖擊試驗結果

采用厚度為32，44和60 mm Q500qE鋼的標準三點彎曲試樣，進行室溫16，-20，-40和-50 ℃下的CTOD試驗，試驗裝置如圖3(a)所示，結果如圖3(b)所示。由圖3(b)可知，板厚60 mm試樣的CTOD值均小于板厚32和44 mm試樣；隨著溫度降低，板厚32和44 mm試樣的CTOD值變化不大，但板厚60 mm試樣在溫度降至-40 ℃時，CTOD值大幅降低。

圖3　Q500qE鋼材的CTOD試驗結果

選取32，44和60 mm 3種厚度的Q500qE鋼板進行室溫11，-20，-40，-50和-65 ℃情況下的寬板拉伸試驗，板寬400 mm。該試驗在中國鐵道科學研究院高速鐵路軌道技術國家重點實驗室的2 000 t MTS材料試驗機上進行，并配套研制了試驗所需的低溫環(huán)境箱，如圖4(a)所示。圖4(b)為不同板厚試樣在不同溫度下的實測Kc值。由圖4(b)可知：板厚32 mm試樣隨著試驗溫度的變化，Kc值幾乎沒有變化；隨著板厚增加，試樣Kc值隨著溫度降低顯著降低；板厚44和60 mm試樣在溫度低于-40 ℃后，Kc值有降有增。

圖4　Q500qE鋼寬板拉伸試驗

總體來看，32和44 mm厚的Q500qE鋼板在11～-50 ℃范圍內具有良好防斷能力。低于-40 ℃時，60 mm厚的Q500qE鋼板防斷性能有所降低，但仍與Q370qE鋼的防斷性能相當，依然滿足使用要求[6-7]。

2　工廠制造性能

2.1　焰切性能

火焰切割是經濟有效切割厚金屬板的方法之一，但具有熱影響區(qū)大、熱變形大等特點。因此，若采用火焰切割Q500qE鋼時，需要進行焰切工藝評定試驗。分別選取厚為16，32，44和60 mm的Q500qE鋼板進行焰切面硬度試驗。圖5為60 mm厚Q500qE鋼板焰切面相片，由圖5可知，切割面光滑、整齊，沒有裂紋或其他危害性缺陷。進一步測試可知，焰切面硬度均不超過350HV10，表明Q500qE鋼的焰切工藝性良好。

圖5　60 m厚Q500qE鋼板焰切面

2.2　焊接性能

采用手工、埋弧和氣體保護3種方式對Q500qE鋼試樣進行焊接，選取板厚16，32，44和60 mm的試件進行焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗，焊接熱影響區(qū)最高硬度分別為297 HV10，317 HV10，306 HV10和290 HV10，均低于350 HV10，表明Q500qE 鋼的焊接性良好。

針對對接焊縫、熔透角焊縫、坡口角焊縫和T形角焊縫開展Q500qE鋼的焊接工藝評定試驗。表1為焊接工藝評定試樣概況。試驗前對所有焊縫質量進行外觀和探傷檢查，焊縫表觀和內部質量均達到相關質量要求。

表1　焊接工藝評定試樣概況

圖6為對接接頭的宏觀斷面和金相組織相片，由圖6可知，接頭熔合良好，無裂紋等焊接缺陷。焊肉組織為鐵素體+貝氏體+索氏體，熱影響區(qū)為貝氏體組織，無淬硬組織。在強度方面，各種接頭的焊縫強度不低于母材標準值。在塑性方面，焊縫金屬的延伸率均不小于18%，對接試板的彎曲檢驗結果完好，表明接頭塑性良好。在韌性方面，對接焊縫、熔透角焊縫的焊縫金屬、熱影響區(qū)-40 ℃ 沖擊功均不低于54 J，坡口角焊縫、T形角焊縫沖擊功均不低于46 J。

圖6　56 mm厚板埋弧自動焊對接接頭

2.3　熱矯性能

火焰矯形是矯正焊接變形的主要方法，但矯形溫度太高可能對Q500qE鋼的力學性能產生不利影響。因此，選取焊接變形較大的熔透角焊縫作為研究對象，針對32，44和60 mm不同厚度的Q500qE鋼板，分別在650，700和750 ℃的溫度下進行熱矯形，在熱影響區(qū)提取試樣進行拉伸、彎曲和低溫沖擊試驗。結果表明：隨著矯形溫度升高，鋼板的屈服強度和極限強度均略有降低，但屈服強度仍在500 MPa以上；低溫沖擊韌性有增有降，但最低值仍在100 J以上。由此可知，熱矯溫度不超過750 ℃時，Q500qE鋼板的力學性能雖略受影響，但仍滿足使用要求。

3　設計參數(shù)

3.1　結構安全儲備

由1.1節(jié)可知，Q500qE鋼的拉伸應力—應變曲線沒有明顯屈服平臺，屈強比僅比普通鋼略高，滬通長江大橋如果采用Q500qE鋼，其結構安全儲備需要研究。為此選用屈強比為0.70的Q345qD鋼和屈強比為0.86的Q500qE鋼制作全尺寸試驗模型梁，模型梁長10 600 mm，高1 000 mm，翼緣寬320 mm，翼緣和腹板厚均為32 mm，如圖7所示。通過三點彎曲試驗，研究其極限承載力和變形，以評判Q500qE鋼結構的安全儲備。

圖8為Q345qD鋼和Q500qE鋼模型梁三點彎曲試驗得到的實測載荷—撓度曲線。由圖8可知，在極限荷載作用下，Q500qE鋼模型梁的跨中撓度大于Q345qD鋼模型梁，載荷卸載時，Q500qE鋼模型梁的殘余變形卻小于Q345qD鋼模型梁。這表明Q500qE鋼比Q345qD鋼具有更好的幾何變形恢復能力。相關研究也表明[8]，Q345qD鋼和Q500qE鋼在最大應力達到屈服強度以后迅速變形，應力不斷重新分配，并形成塑性鉸，未見明顯高屈強比的破壞特征。因此，屈強比不高于0.86的Q500qE鋼采用目前規(guī)范中的容許應力安全系數(shù)時，其安全儲備不比普通鋼材低。

圖8Q345qD鋼和Q500qE鋼模型梁三點彎曲試驗載荷—撓度曲線

3.2　疲勞抗力

隨著屈服強度提高，高強鋼構造的疲勞抗力是否與普通鋼相同，國內外尚沒有統(tǒng)一認識[9-10]?；诖?，針對Q500qE鋼的對接焊縫、栓焊混合接頭、箱形桿件端隔板與縱肋交叉焊縫、箱型桿件隔板焊縫等滬通長江大橋的典型構造細節(jié)，開展疲勞試驗。圖9為Q500qE鋼和Q370qE鋼的對接焊縫疲勞試驗結果與相關規(guī)范曲線對比的情況。由圖9可知，Q500qE鋼構造的疲勞性能比Q370qE鋼的略有提高，可以采用目前規(guī)范中的疲勞抗力設計指標進行滬通長江大橋構造的疲勞設計。

圖9　對接焊縫構造的S—N曲線與相關規(guī)范對比

3.3　壓桿穩(wěn)定

我國TB 10002.2—2005《鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范》僅給出了Q235q～Q420q鋼在不同長細比下壓桿檢算的容許應力折減系數(shù)取值，尚沒有Q500q鋼壓桿檢算的容許應力折減系數(shù)取值規(guī)定。采用以模型試驗為主、以有限元分析為輔的方法，對Q500qE鋼壓桿穩(wěn)定折減系數(shù)進行研究。一方面，考慮焊接殘余應力、初始缺陷、材性多種影響因素進行有限元計算[11]；另一方面，針對滬通長江大橋主要桿件的截面型式和長細比分布，選取5組試件開展壓桿試驗(見圖10)，工字型截面的試件4組(長細比為40，60和80的各1組，長細比為60的試件回火處理消除殘余應力1組)，箱型截面長細比為60的1組。測得靜力荷載作用下，工字型和箱型壓桿的破壞形態(tài)、應變及變形數(shù)據(jù)等，分析得到失穩(wěn)破壞荷載?；诟鲊嚓P規(guī)范[12-15]研究思路，考慮有限元計算結果，給出了Q500qE鋼壓桿穩(wěn)定折減系數(shù)的推薦值，如圖11所示。

圖10　Q500qE鋼壓桿試驗試驗裝置

圖11　壓桿穩(wěn)定系數(shù)取值示意圖

4　結　論

(1)Q500qE鋼在具有高的屈服強度和抗拉強度同時還具有良好塑性，16和32 mm厚的Q500qE鋼板在11～-50 ℃時具有良好防斷能力，44和60 mm厚的Q500qE鋼板在常溫～-20 ℃時具有良好的防斷能力，低于-40 ℃時，44和60 mm厚的Q500qE鋼板防斷性能有所降低。

(2)Q500qE鋼材的焰切和焊接工藝性良好，對接焊縫、熔透角焊縫、坡口角焊縫和T形角焊縫的表觀和內部質量均達到相關質量要求，焊接矯形溫度不宜超過750 ℃。

(3)屈強比不高于0.86的Q500qE鋼用于滬通長江大橋結構，具有與普通鋼材相當?shù)陌踩珒洌刹捎媚壳耙?guī)范中的容許應力安全系數(shù)進行設計。與普通鋼相比，Q500qE鋼構造的疲勞性能略有提高，可采用目前規(guī)范中的疲勞抗力設計指標進行疲勞設計。研究給出的Q500qE鋼壓桿穩(wěn)定折減系數(shù)推薦值可用于滬通長江大橋受壓桿件設計。

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