橋梁用高強鋼防斷評價研究綜述

陸春振，劉曉光，李永強，鞠曉臣，趙欣欣

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和國內(nèi)鋼產(chǎn)量的不斷增加，鋼材在大型基礎(chǔ)設(shè)施上的應(yīng)用越來越廣泛，大量焊接結(jié)構(gòu)被大范圍推廣使用。在過去的幾十年，鋼鐵材料技術(shù)的迅猛發(fā)展，促進了橋梁工程設(shè)計、建設(shè)的進步，使得現(xiàn)代橋梁在理論設(shè)計、施工建造和理論分析方面更加注重發(fā)揮鋼材輕質(zhì)、高強的特性，以達到橋梁的功能性、安全性以及經(jīng)濟性要求。20世紀五六十年代，美國、日本等國家已經(jīng)開始推廣使用屈服強度在500～800 MPa的高強鋼，并用于以橋梁為代表的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中。我國的GB/T 714—2015《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》[1]中包括了Q690q等高性能鋼種。

隨著高強度橋梁鋼的應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)脆斷事故屢有發(fā)生，其所造成的經(jīng)濟損失和人員傷亡越來越重。同時高強橋梁鋼在韌性等力學(xué)性質(zhì)方面不能滿足現(xiàn)代橋梁設(shè)計需求，很大程度上制約了其在橋梁中的大規(guī)模推廣使用。因此，為了有效防止橋梁鋼結(jié)構(gòu)在低溫條件下服役發(fā)生脆性破壞，有必要開展對高強鋼斷裂韌性的研究及評價。

對于橋梁鋼結(jié)構(gòu)防斷設(shè)計，我國最初沿用前蘇聯(lián)的選材設(shè)計思想，即采用經(jīng)典力學(xué)理論，將低溫冷脆設(shè)計納入鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中。相比于歐、美、日等地區(qū)或國家防斷選材較合理的原則和方法，這種研究思路比較片面，無法真實反映材料斷裂力學(xué)性能。從京九鐵路九江長江大橋的試探性研究開始，我國科研工作者對鋼橋韌性和防斷設(shè)計有了初步認識，隨后在橋梁設(shè)計規(guī)范的修訂及蕪湖長江大橋的建設(shè)中，對16Mnq鋼，14MnNbq鋼均進行了專題研究。2006年3月，為建設(shè)我國第一座高速鐵路橋——南京大勝關(guān)大橋，開展了“南京大勝關(guān)長江大橋高強度Q420q鋼防斷試驗研究”。隨后在滬通公鐵兩用橋建造時，開展了“Q500q鋼防斷試驗研究”。在完成的同類橋梁鋼防斷研究工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合滬通長江大橋高速、大跨、重載的特點，對Q500q鋼進行了有針對性的防斷試驗研究。這些研究成果為日后的防斷研究提供了堅實的基礎(chǔ)。目前，鋼材防斷研究雖然已發(fā)生了巨大變化，大量新方法、新理論不斷涌入，深化了對鋼材斷裂韌性發(fā)展現(xiàn)狀的認知，推動了鋼結(jié)構(gòu)防斷選材評價方法的發(fā)展和技術(shù)進步，但仍有許多問題尚未解決，面臨的挑戰(zhàn)還很嚴峻，相關(guān)研究仍嚴重滯后，這也是鋼材斷裂韌性問題突出的根本原因。因此，總結(jié)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷裂韌性研究現(xiàn)狀，理清當前研究面臨的主要問題和未來發(fā)展的趨勢，具有積極的理論和現(xiàn)實意義。

1 橋梁用鋼防斷評價標準研究

國內(nèi)外學(xué)者通過不同形式的試驗，分析材料斷裂韌性特征，建立了多種橋梁鋼防斷評價標準。本節(jié)扼要介紹目前國內(nèi)外常用的基于夏比沖擊試驗、落錘試驗、CTOD(Crack Tip Opening Displacement,裂紋尖端張開位移)試驗、寬板拉伸試驗等4種試驗的橋梁鋼防斷評價標準研究現(xiàn)狀。

1.1 基于夏比沖擊試驗防斷評價標準研究

夏比沖擊試驗是評價金屬材料及其焊接接頭沖擊韌性最簡單的方法，是一種傳統(tǒng)力學(xué)性能試驗方法。因此，對各類焊接鋼結(jié)構(gòu)材料，目前大都趨于以夏比V形缺口沖擊試驗結(jié)果作為材料韌性和冶金質(zhì)量控制的常規(guī)驗收指標。夏比沖擊試驗可以作為確認冶金工藝一致性驗收試驗中的重要一環(huán)，也可以用于定量比較韌性，從而選擇韌性好的材料。夏比沖擊試驗的原理是通過沖擊試驗機揚起一定高度的擺錘，對處在簡支梁狀態(tài)的含有缺口的標準沖擊試樣進行沖擊，然后測量試樣斷裂后的沖擊吸收功。

根據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》[2]開展夏比沖擊試驗，得到不同溫度下鋼材夏比沖擊試驗值，溫度與對應(yīng)沖擊吸收的關(guān)系曲線見圖1。

圖1 沖擊吸收功溫度曲線

沖擊功與溫度的關(guān)系是一個重要的研究內(nèi)容。大量研究表明[3-4]，隨著溫度降低和厚度增加，高強鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的韌性逐漸降低，表現(xiàn)出明顯的脆性特征，破壞形式也由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?。夏比沖擊試驗是最早被用于鋼材斷裂韌性研究的試驗方法，因其簡單方便、易操作等特點而被廣泛所采用。趙建平等[5]在夏比沖擊韌性研究中，總結(jié)分析了Boltzmann函數(shù)(簡稱B)、Logisticl函數(shù)(簡稱L)、Gompertz函數(shù)(簡稱G)、Richards函數(shù)(簡稱R)、Weibull函數(shù)(簡稱W)、Polynomial函數(shù)(簡稱P)等6種回歸函數(shù)方程，表1、表2為采用不同函數(shù)回歸時的相關(guān)系數(shù)、殘差的數(shù)據(jù)比較。由表1、表2可見，采用Boltzmann函數(shù)時殘差、回歸結(jié)果的相關(guān)系數(shù)優(yōu)于其他方法。因此，Boltzmann函數(shù)在沖擊功與溫度的關(guān)系曲線回歸分析中有較好的適應(yīng)性，能夠明確各參數(shù)的物理意義，使得斷裂韌性分析具有一定的統(tǒng)一性和可比性。

Boltzmann函數(shù)為

(1)

式中：Akv為沖擊吸收功；A1，A2分別為沖擊功擬合曲線的下平臺能、上平臺能；T為溫度；Tt為韌脆轉(zhuǎn)變溫度；Tr為轉(zhuǎn)變溫度區(qū)范圍。

表1 采用不同函數(shù)回歸時的相關(guān)系數(shù)

注：P(6)表示6階多項式，P(5)表示5階多項式，P(4)表示4階多項式。下同。

表2 采用不同函數(shù)回歸時的殘差

孔祥偉等[6]在對Q390鋼韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)沖擊吸收功的研究中，在基于夏比沖擊試驗結(jié)果三參數(shù)Weibull函數(shù)分布的基礎(chǔ)上，結(jié)合斷裂失效概率分布統(tǒng)計模型，揭示了沖擊吸收功、溫度、累計失效概率之間的變化關(guān)系為

KJC(Pf)=20+[-ln(1-Pf)]1/4×

[13.8+96.6e0.019(T+42)]

(2)

式中：KJC(·)為由J積分換算得到的等效斷裂韌性；Pf為累計失效概率。

夏比沖擊試驗所獲得的沖擊功包括裂紋萌生功和裂紋擴展功，而試驗結(jié)果無法準確反映二者的相對關(guān)系，也不能很好地反映材料的斷裂行為，因此無法通過沖擊試驗得到真實的材料韌脆性能。夏比沖擊試驗多采用10 mm×10 mm×55 mm標準試件，因此用夏比沖擊試驗評價材料韌性指標有很大的局限性，表現(xiàn)在：①標準試件具有顯著的尺寸效應(yīng)，使得與實物試驗所得結(jié)果往往存在嚴重的背離。②沖擊試驗局部取樣的方法，改變了材料的應(yīng)力狀態(tài)，將鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件原本的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎽?yīng)力狀態(tài)，再由沖擊試驗結(jié)果評價材料韌性，得到的結(jié)果有較大誤差。③鋼板厚度大小及沿厚度方向的位置差異對沖擊韌性均勻有較大的影響[7]。

1.2 基于落錘試驗的鋼材防斷評價標準研究

由于夏比沖擊試驗無法反映不同厚度鋼板斷裂韌性差異，落錘試驗方法應(yīng)運而生，并在船舶、壓力容器、橋梁等工程領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。落錘試驗是由美國海軍研究所Pellini等在20世紀50年代創(chuàng)立，之后在美國鋼材防斷韌性研究中推廣使用。該方法用于研究在特定溫度下鋼材的抗脆性斷裂性能，1963年該方法首次被ASTM E208-17e1StandardTestMethodforConductingDrop-WeightTesttoDetermineNil-DuctilityTransitionTemperatureofFerriticSteels[8]所采納并經(jīng)歷數(shù)次修訂。

落錘試驗得到最主要參數(shù)指標是NDT(Nil Ductility Transtition,無塑性轉(zhuǎn)變)溫度，該溫度值是判定結(jié)構(gòu)材料防斷設(shè)計的一個重要指標。NDT溫度是指在標準試驗中標準試樣發(fā)生斷裂的最高溫度值，能夠表征含裂紋的鋼材在動態(tài)加載屈服應(yīng)力作用下發(fā)生脆性斷裂的最高溫度。落錘試驗方法測定得到NDT溫度，以此確定鋼材在某一厚度下的最低使用溫度，也可求得在設(shè)計應(yīng)力下結(jié)構(gòu)允許的最大裂紋尺寸，或由裂紋尺寸確定發(fā)生斷裂的最小應(yīng)力。

何成等[9]在工業(yè)汽輪機氣缸用材無塑性轉(zhuǎn)變溫度的研究中提出：通過先進的冶煉技術(shù)和熱加工工藝嚴格控制P，S元素含量，細化晶粒等手段，可有效降低鋼材的NDT溫度，以實現(xiàn)材料良好的斷裂韌性。李國寶等[10]在管線鋼落錘試驗中，分析了材料偏析度、夾雜物、碳化物析出組織均勻性和組織類型對落錘試驗結(jié)果的影響。結(jié)果表明：①當鋼材偏析度越大，軋制時出現(xiàn)帶狀組織概率越高，而落錘試驗試件取橫向試樣即垂直于帶狀組織方向，當試件受力時帶狀組織由于應(yīng)力集中極易產(chǎn)生裂紋并沿帶狀組織邊界迅速擴展，發(fā)生脆性斷裂;②雜物存在產(chǎn)生明顯的裂紋源，大大降低了材料韌性;③碳化物的析出割離集體的連續(xù)性，在落錘試驗過程中碳化物與基體交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致脆性斷裂發(fā)生。

以上2項研究在很大程度上啟發(fā)了科研人員更多地關(guān)注材料微觀特性，改變以往只針對材料宏觀力學(xué)性能的研究方法，使科研人員認識到真正影響材料斷裂韌性的關(guān)鍵在于材料材質(zhì)問題。這既有助于幫助科研人員更好了解材料的本質(zhì)屬性，又促使他們通過優(yōu)化材料生產(chǎn)工藝獲得更好的斷裂韌性。

諸多研究表明[11-13]，落錘試驗過程中沖擊作用荷載一部分轉(zhuǎn)化為彈性應(yīng)變；另一部分被材料轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，造成不可恢復(fù)的損傷。由此對沖擊過程中的沖擊接觸力、沖擊速度、被沖擊試件產(chǎn)生的沖擊變形量等參數(shù)進行研究，分析得到材料損傷和沖擊能量吸收之間的關(guān)系以及相關(guān)力學(xué)行為，具有實際的意義。

綜上所述，不管是夏比沖擊試驗還是落錘試驗，橋梁用高強鋼防斷評價僅用某一參數(shù)或者某一項試驗結(jié)果反映鋼材斷裂韌性是片面的。為克服防斷評價指標單一、理論性差等缺點，需要綜合考慮多方面因素，提出敏感性防斷評價控制指標，制訂并完善全面的評價標準。

1.3 基于CTOD的試驗鋼防斷評價標準研究

斷裂力學(xué)韌性參數(shù)，無論是裂紋張開位移δ，還是裂紋臨界狀態(tài)應(yīng)力強度因子KC，都隨著溫度、構(gòu)件厚度、加載速率變化而發(fā)生變化[14]。為了研究鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其焊接接頭斷裂韌性，國內(nèi)外諸多學(xué)者進行了大量重復(fù)試驗，通過統(tǒng)計試驗結(jié)果特性、分析試驗數(shù)據(jù)，試圖通過有效途徑尋找鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷裂韌性評價方法及標準。

CTOD能夠反映材料抵抗裂紋擴展的能力，因此CTOD特征值可以作為鋼材防斷評價判定指標。CTOD試驗包含了引發(fā)斷裂的2個重要因素——應(yīng)力和裂紋尺寸，通過不同溫度下試驗結(jié)果可以歸納得到規(guī)律性結(jié)論，并被用于鋼材防斷評價研究。將材料試驗測試的CTOD特征值δ與工程應(yīng)用時的CTOD允許值δmin進行比較，若所測CTOD特征值δ≥δmin，則材料的斷裂韌度合格，可以使用。工程應(yīng)用時的CTOD允許值δmin是結(jié)構(gòu)設(shè)計人員根據(jù)可靠性設(shè)計統(tǒng)計得到的，無法由試驗確定，一般在產(chǎn)品標準中或者行業(yè)規(guī)范中給定。例如挪威船級社DNV-OS-C401—2014FabricationandTestingofOffshoreStructures[15]規(guī)定允許δmin為0.15 mm，美國石油協(xié)會API RP 2Z—2005RecommendedPracticeforPreproductionQualificationforSteelPlatesforOffshoreStructures[16]規(guī)定試驗研究中允許最小CTOD值為0.13 mm。我國規(guī)范尚未對鋼材CTOD允許值δmin作出規(guī)定，導(dǎo)致許多CTOD試驗在完成試驗后依然無法判斷其韌性是否滿足使用要求。

圖2 P-V關(guān)系曲線

從20世紀90年代開始，科研工作者開始對CTOD試驗進行大量研究，但在如何依據(jù)CTOD試驗結(jié)果選取鋼材斷裂韌性評價指標方面沒有統(tǒng)一定論。張玉玲[17]在14MnNbq鋼，16Mnq鋼CTOD試驗中，根據(jù)CTOD試驗結(jié)果得到P-V關(guān)系曲線，見圖2。圖中，F(xiàn)Q為最大力；Fc，F(xiàn)u，F(xiàn)m分別對應(yīng)δc，δu，δm。由此可將試件破壞狀態(tài)分為脆性失穩(wěn)、脆性穩(wěn)定失穩(wěn)、韌性失穩(wěn)3個階段，因此CTOD臨界值應(yīng)由試件破壞狀態(tài)決定。在對試驗所得復(fù)雜數(shù)據(jù)進行個性因素剔除后，得到CTOD計算式如下：

對于14MnNbq鋼母材

(3)

對地16Mnq鋼母材

(4)

對于焊縫

(5)

式中：δB，δW為母材和焊縫的裂紋尖端張開位移,mm；a為裂紋長度，mm；W為試樣寬度，mm；T為溫度，℃。

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)需求，考慮橋梁構(gòu)件裂紋形式、焊接殘余應(yīng)力、接頭錯位、角變形、裂紋尖銳度等因素下，提出各種板厚不發(fā)生脆性破壞時的允許最低使用溫度。

為了能夠準確預(yù)測鋼材的斷裂破壞，王元清等[18]提出了考慮裂紋構(gòu)件擴展，最大載荷點裂紋擴展量Δa比實測值偏大的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件防斷設(shè)計公式。該方法依據(jù)CTOD試驗對裂紋擴展阻力曲線的參數(shù)進行標定，將鋼材最大荷載CTOD特征值δm定為裂紋擴展阻力，并分析含裂紋鋼構(gòu)件斷裂驅(qū)動力δΔa與δm的關(guān)系，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件防斷設(shè)計式為

(6)

式中：σy為鋼材屈服強度；E為鋼材彈性模量，取206 GPa。

有研究表明[19]，在鋼材斷裂韌性CTOD特征值選取指標問題上一直沒有定論。選取不同的特征值會直接影響結(jié)構(gòu)的安全水平，若選用啟裂特征值為特征值則安全水平過高，偏于保守；若選用最大荷載特征值則安全水平偏低。

在CTOD斷裂韌性測試中，塑性鉸模型用于計算CTOD的塑性分量，但塑性鉸模型的精度一直存在爭議。為此，Yoichi等[20]通過有限元模型分析得到塑性旋轉(zhuǎn)因子rp、裂紋尖端張開位移有限元計算值δFEM,對屈強比為0.6,0.9的試件進行對比分析時發(fā)現(xiàn)，在緊湊型CTOD試樣模型中，屈強比對塑性旋轉(zhuǎn)因子的影響非常小，在2種屈強比的鋼模型中，塑性旋轉(zhuǎn)因子的平均值為0.52，見圖3。圖中采用的是C(T)試件，厚度B=25 mm，寬度W=50 mm，a0/W=0.52，a0為預(yù)制疲勞裂紋。該塑性旋轉(zhuǎn)因子與傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)因子一致，并且合理地用于CTOD計算。

圖3 塑性旋轉(zhuǎn)因子rp與δFEM變化關(guān)系曲線

CTOD試驗前要預(yù)制試件疲勞裂紋，且對預(yù)制疲勞裂紋的精度有著嚴格的要求。GB/T 21143—2014《金屬材料準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》[21]規(guī)定0.45≤a0/W≤0.70。Tomoya等[22]在研究裂紋寬度比時提出了新的CTOD計算式

(7)

式中：K為應(yīng)力強度因子;m=4.9-3.5(YR),YR為屈強比;f為CTOD塑性分量修正系數(shù)，f=FfB=25，F(xiàn)為厚度修正系數(shù)，F(xiàn)=0.8+0.2e-0.019(B-25)，fB=25=-1.4(YR)2+2.8(YR)-0.35;rp=0.43;Vp為缺口張開位移的塑性分量;CVp=CVp1+CVp2,計算式為

通過比較ISO標準公式與式(7)，計算得到δ誤差曲線，誤差較小，能夠滿足工程要求。該公式可以應(yīng)用于高強鋼δ值的計算。

田越[23]在針對Q500鋼斷裂韌性的研究中，將CTOD試樣的單邊疲勞預(yù)裂紋作為缺陷，結(jié)合BS 7910—2013GuidetoMethodsforAssessingtheAcceptabilityofFlawinMetallicStructures[24]的失效評定曲線(FAD圖)，提出對橋梁鋼CTOD值防斷性能評定方法。

對高強度Q500鋼的CTOD值的評定可以采用BS 7910—2013[24]的2B級評定方法。2B級失效評定曲線的公式為

(8)

當理想彈塑性材料裂紋尖端達到全面屈服后，塑性屈服區(qū)的應(yīng)力與屈服應(yīng)力σy相等，因此

Lr=σref/σy=1

(9)

式中：σref為荷載作用下裂紋尖端的真實應(yīng)力。

(10)

如果評定指標值落在坐標軸線與評定曲線所包圍的區(qū)域內(nèi),則該缺陷可以接受；如果評定指標值落在評定曲線上或評定曲線外,則該缺陷不可以接受，見圖4。

圖4 不同厚度S420ML橋梁鋼CTOD值評定曲線

國外已經(jīng)大量運用CTOD特征值評價鋼材母材和焊接接頭的斷裂韌性，相關(guān)規(guī)范中也給出了CTOD最小的允許δ值，而國內(nèi)在對鋼材母材及其焊接接頭斷裂韌性評價中尚未給出CTOD最小的允許δ值，導(dǎo)致在實際鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計中缺少相關(guān)依據(jù)。苗張木等[25-26]在對焊接接頭斷裂韌度CTOD評定分析研究中，提出確定鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭CTOD允許值的“母材參考法”，即若焊接接頭中焊縫和熱影響區(qū)的特征CTOD值都不小于母材CTOD值，則焊接接頭韌度合格，但大量研究證明，熱影響區(qū)和焊縫試樣的CTOD特征值都小于母材，因此“母材參考法”并不適用于焊接接頭斷裂韌度評定。

CTOD試驗作為斷裂韌性指標，在工程上被廣泛應(yīng)用。大量研究表明，裂紋尖端張開位移由彈性分量δe和塑性分量δp組成。彈性分量對溫度、板厚變化不敏感，而塑性分量對溫度、板厚較為敏感，隨溫度的降低而明顯減小。目前對于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，尤其是高強橋梁鋼構(gòu)件的研究不夠充分，試驗數(shù)據(jù)體量不夠大，不夠完整。

表3 斷裂韌性數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果

1.4 基于斷裂力學(xué)K概念的橋梁鋼結(jié)構(gòu)防斷評判標準研究

斷裂力學(xué)(Fracture Mechanics)是以鋼材內(nèi)存有裂紋為前提評價材料和結(jié)構(gòu)強度的工學(xué)方法。鋼材在發(fā)生斷裂時，斷裂力學(xué)以裂紋尖端周圍狀態(tài)的物理量作為破壞特性值處理其斷裂破壞強度，即把作用應(yīng)力、應(yīng)變、缺陷尺寸、材料的斷裂特性等處理成相關(guān)定量。20世紀30年代，由Griffith[31-32]按能量理論用完全脆性材料(玻璃)進行研究，取裂紋尖端應(yīng)力強度因子K作為斷裂參數(shù)。該概念是建立在裂紋尖端的塑性變形遠遠小于裂紋尺寸的基礎(chǔ)上，稱為線彈性斷裂力學(xué)。彈性裂紋尖端近旁的應(yīng)力場可根據(jù)應(yīng)力場參數(shù)K進行定義。K是裂紋尖端應(yīng)力場強度的尺度，是外力、裂紋大小、彈性體形狀等的函數(shù)。據(jù)此，建立K與外荷載、裂紋長度、彈性體形狀等因素的關(guān)系。

劉家駒等[33]在16Mnq鋼斷裂韌性防斷評判研究中，將大尺寸試件的寬板拉伸試驗數(shù)據(jù)結(jié)果和小尺寸試件的夏比沖擊試驗數(shù)據(jù)結(jié)果進行線性回歸分析，該評判方法通過對夏比沖擊試驗與寬板拉伸試驗進行定量分析，確定二者關(guān)系表達式為

(11)

(12)

式(11)相關(guān)系數(shù)R=0.902 4，式(12)相關(guān)系數(shù)R=0.801 5。

將寬板拉伸試驗和夏比沖擊試驗用于16Mnq鋼焊接橋梁防斷適用性研究之后，對材料斷裂韌性有了更深入認識，并逐步形成一套完整防斷評價標準，在Q420qE鋼、Q500q鋼防斷評價中得到應(yīng)用。

2006年8月4日，京滬高速鐵路上的控制性工程——南京大勝關(guān)長江大橋破土動工，主跨采用2×336 m連續(xù)鋼桁拱橋。南京大勝關(guān)長江大橋首次采用了Q420qE級高強度、高韌性與良好焊接性能的新型鋼材，針對Q420qE鋼斷裂韌性，利用斷裂力學(xué)K概念通過全厚度深缺口寬板拉伸試驗、夏比V形缺口沖擊試驗，將影響橋梁鋼結(jié)構(gòu)斷裂韌性的焊接結(jié)構(gòu)工藝、接頭性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)力、構(gòu)件厚度、結(jié)構(gòu)的加載速率、臨界裂紋尺寸、最低環(huán)境溫度等因素全面、系統(tǒng)地歸納為結(jié)構(gòu)斷裂驅(qū)動力與斷裂抗力的函數(shù)，并定量地確定斷裂驅(qū)動力與斷裂抗力的表達式。

橋梁結(jié)構(gòu)斷裂驅(qū)動力是通過斷裂力學(xué)概念進行表述，斷裂驅(qū)動力為

(13)

式中：KI為裂紋尖端應(yīng)力場的應(yīng)力強度因子;Y為結(jié)構(gòu)因子；σ為結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力。

結(jié)構(gòu)材料的斷裂抗力由深缺口寬板拉伸試驗測定的KC值表示，是包含了溫度T、沖擊試驗1/2上平臺能溫度vTrE、板厚t等影響因素的結(jié)構(gòu)材料斷裂抗力函數(shù)。

由此得到Q420鋼母材及其焊接接頭的斷裂抗力表達式KC以及驅(qū)動力表達式KI，根據(jù)斷裂力學(xué)判據(jù)KI≤KC和計算、試驗結(jié)果確定該橋Q420qE高強度結(jié)構(gòu)鋼選材標準。其防斷選材思路為：①結(jié)構(gòu)母材及其焊縫的斷裂抗力通過深缺口寬板拉伸試驗測定斷裂韌性KC=f(T，ITk)；②將結(jié)構(gòu)基材及其焊縫通過V形缺口試驗測定的沖擊韌性值，建立vEr=f(T,vTrE)；③通過寬板試驗KC和沖擊試驗vEr，建立特征溫度關(guān)系式，把寬板試驗KC值表示為溫度T，材料冶金因素vTrE，加載速率ε′，板厚t，裂紋尖銳度修正系數(shù)F等影響因素在內(nèi)的結(jié)構(gòu)材料抗斷能力函數(shù)KC=F·f(T，VTrE，ε′，t)； ④由桿件內(nèi)應(yīng)力σ，臨界裂紋長度a，結(jié)構(gòu)幾何因素Y，則可建立結(jié)構(gòu)斷裂驅(qū)動力KI[即式(13)]，由斷裂力學(xué)判據(jù)KI≤KC能確定結(jié)構(gòu)在各種環(huán)境條件下和設(shè)計條件下滿足防斷要求的材料極限使用厚度。

通過深缺口寬板拉伸試驗與夏比V形沖擊試驗，將鋼材斷裂抗力與板厚、溫度相聯(lián)系得到KC，利用理論計算得出Q420鋼斷裂驅(qū)動力KI。當KC≥KI時，滿足防斷Q420鋼極限使用厚度[34-37]。

結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件發(fā)生失穩(wěn)斷裂時，臨界裂紋尺寸主要與構(gòu)件的形式尺寸、設(shè)計承載、斷裂韌性、服役環(huán)境溫度濕度等因素相關(guān)，結(jié)構(gòu)每個部位對鋼構(gòu)件的韌性要求也不同，因此不同部位的裂紋臨界長度也不同。但是在工程設(shè)計分析中，經(jīng)常統(tǒng)一裂紋臨界長度，因為這個臨界裂紋長度非鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件允許存在的使用裂紋長度，而是作為評判鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷裂韌性的重要缺陷參數(shù)。臨界裂紋過長會導(dǎo)致材料韌性要求過高；臨界裂紋過短則導(dǎo)致安全性較低。因此，曲占元[38]在分析橋梁鋼斷裂驅(qū)動力時選用a=50 mm作為臨界裂紋尺寸；錢維平[39]在對焊接橋梁結(jié)構(gòu)H形結(jié)構(gòu)進行簡化分析時，選用臨界裂紋長度a=60 mm。

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件大多在復(fù)雜環(huán)境下服役，在整體設(shè)計中既要考慮整體結(jié)構(gòu)，又須考慮局部結(jié)構(gòu)承載各種外力的能力。蔣和歲等[40]在材料韌性要求作為斷裂控制準則中，采用轉(zhuǎn)變溫度、斷裂力學(xué)K概念建立斷裂失效極限狀態(tài)方程，方程式為

(14)

式中：R為極限狀態(tài)函數(shù)概率可靠度；FR(x)為斷裂抗力概率分布函數(shù)；fs(x)為斷裂驅(qū)動概率密度函數(shù)。該表達式準確性尚需大量數(shù)據(jù)驗證。

鋼結(jié)構(gòu)焊接構(gòu)件中存在的內(nèi)應(yīng)力是驅(qū)動結(jié)構(gòu)斷裂的主要因素。焊接殘余應(yīng)力是其中重要組成部分，焊接部位有缺陷存在時，必須考慮殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的大小取決于焊接部位的形狀、缺陷所在位置，可表示為[39]

σR=βσS

(15)

式中：σR為焊接殘余應(yīng)力；β為產(chǎn)生斷裂時的焊接殘余應(yīng)力系數(shù)，取β=0.6[41]；σS為材料的名義屈服強度。

2 橋梁用高強鋼防斷性能研究存在的問題

發(fā)達國家的橋梁建設(shè)早已步入以鋼結(jié)構(gòu)橋梁為主的發(fā)展階段，而受限于社會經(jīng)濟發(fā)展水平和建設(shè)發(fā)展階段，鋼結(jié)構(gòu)橋梁在中國橋梁工程總數(shù)中所占的比例不足1%，遠低于歐美發(fā)達國家[42]。繼Q420q鋼、Q500q鋼等高強鋼推廣使用之后，Q690q鋼也逐步進入實橋安裝使用階段。鋼材在強度提高的同時，也伴隨一系列問題，如塑性降低、屈強比增加等，對于鐵路橋梁這種動荷載很大的結(jié)構(gòu)，可能帶來安全儲備降低的風(fēng)險。GB/T 714—2015已經(jīng)將Q500q鋼、Q690q鋼納入其中；TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[43]將Q500q鋼作為新材料應(yīng)用到鐵路橋梁設(shè)計中；JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》[44]中最高強鋼材仍為Q420鋼。新型橋梁鋼無法廣泛應(yīng)用，主要有以下幾個原因：①由于生產(chǎn)力和生產(chǎn)水平導(dǎo)致橋梁用高強鋼質(zhì)量穩(wěn)定性較差；②新型鋼材性能參數(shù)匱乏，試驗數(shù)據(jù)不夠充足，設(shè)計人員不敢貿(mào)然在設(shè)計中采用新型鋼材；③配套焊接工藝技術(shù)標準無法滿足新型鋼材焊接需求[45-46]。

目前，針對橋梁用高強鋼防斷選材的研究呈現(xiàn)出多元化發(fā)展的特征，逐步走向成熟完善。各種試驗方式及評價方法從不同的角度提出材料斷裂韌性規(guī)律，但是其中依然存在諸多亟待解決的問題。

夏比沖擊韌度本質(zhì)上是一個衡量鋼材抗沖擊能力的指標，不能全面反映母材與焊接接頭的真實韌度。由于沖擊試驗不能把缺口尖的“開裂”和“擴展”區(qū)分開，因而較難從理論層面解釋焊接接頭的失效機制。另外夏比沖擊試驗取樣受限，規(guī)定以10 mm×10 mm×55 mm的V形缺口試樣為標準試樣。這一規(guī)定尺寸對于部分厚度是準確指標，但對于整體厚度未必準確，容易造成以偏概全。夏比沖擊試驗方法簡便，費用較低，能大批量進行試驗。但是，僅僅依靠夏比沖擊韌性，理論上依據(jù)不足，無法真正反映材料抗斷裂的能力。因此，必須通過采用斷裂力學(xué)的方法，由合適的模型推導(dǎo)建立力學(xué)關(guān)系。

為了克服沖擊試驗帶來的局限性，研究人員提出落錘試驗。采用“全厚”試樣的落錘試驗，所得到的NDT溫度其為與板厚無關(guān)的材料常數(shù)。由NDT溫度建立的斷裂分析圖(Fracture Analysis Diagram,FAD)可以確定應(yīng)力、溫度和裂紋尺寸三者之間的定量關(guān)系。沖擊試驗、落錘試驗等傳統(tǒng)判據(jù)都是在特定試驗條件下得到，缺乏對實際工況條件的模擬，所以改變試驗環(huán)境條件容易導(dǎo)致結(jié)果偏差。

CTOD值能夠直接反映裂紋尖端材料抵抗開裂的能力，是描述裂紋體狀態(tài)的一個斷裂力學(xué)參數(shù)。試驗中測定的CTOD值越大，表示裂紋尖端材料的韌性越好，反之CTOD值越小，韌性就越差。國際上厚板焊接結(jié)構(gòu)的CTOD試驗方法較為成熟，而且CTOD作為標準材料斷裂韌度的指標而廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。國內(nèi)的類似應(yīng)用比較少見,而將CTOD試驗結(jié)果與結(jié)構(gòu)完整性評估技術(shù)相對接在國內(nèi)外仍處于試驗研究狀態(tài)。

20世紀50年代，由于斷裂力學(xué)的發(fā)展，K概念在防斷選材中被大量應(yīng)用于工程實踐，依據(jù)斷裂力學(xué)判據(jù)KI≤KC確定結(jié)構(gòu)在各種環(huán)境條件下滿足防斷要求的材料極限使用厚度。但是斷裂韌性KC存在一定的局限性：斷裂韌性KC的概念及計算方法僅限于線彈性斷裂及小范圍塑性斷裂范疇，對于塑性變形程度較大的彈塑性斷裂實用性差，當材料狀態(tài)處于韌脆轉(zhuǎn)變曲線上平臺區(qū)間時，斷裂韌性KC將失去意義，其與沖擊功不一定滿足相關(guān)性方程。

在高強鋼斷裂問題上，船舶領(lǐng)域同樣面臨著與橋梁相似的問題，船體斷裂事故屢有發(fā)生。為了解決大型船舶易發(fā)生斷裂事故的問題，國際船級社協(xié)會(IACS)UR S33RequirementsforUseofExtremelyThickSteelPlates[47]和中國船級社指導(dǎo)性文件GD 13—2016《船用高強度厚板檢驗指南》[48]采用梯度溫度場型(簡稱“梯溫型”)ESSO試驗和雙重拉伸試驗等寬板拉伸止裂試驗方法。通過該類梯溫型寬板拉伸止裂試驗，測定鋼板在一定應(yīng)力水平下的止裂溫度TK或一定溫度下的止裂韌性Kca，將TK或Kca作為判定鋼板止裂性能的物理參數(shù)。使用具有良好斷裂韌性和抑制脆性裂紋傳播特性的鋼材實現(xiàn)抗脆性斷裂的目標。

目前，針對船用鋼材斷裂評價體系的ESSO試驗、雙重拉伸試驗采用大尺寸試件，雖然試驗結(jié)果與實際結(jié)構(gòu)性能較為接近，但試驗操作復(fù)雜，費用高昂。此外，其對試驗設(shè)備要求較高，試驗周期長，效率低。鋼板斷裂韌性沿厚度方向并不均勻，表面性能優(yōu)于中心性能，縱向性能優(yōu)于橫向性能。這使得ESSO試驗和雙重拉伸試驗并不宜用于橋梁鋼防斷選材評價試驗研究。

3 橋梁用高強鋼防斷性能研究的發(fā)展方向

橋梁用高強鋼防斷控制最初依靠強度控制，后來則依托斷裂力學(xué)理論性分析[31]。斷裂韌性研究經(jīng)過了半個多世紀的發(fā)展，科研人員試圖通過不同形式的試驗或有限元模擬，建立半經(jīng)驗半理論公式分析模型，以此解釋和評定鋼材的斷裂韌性，但此類研究無法真實反映鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件實際所處環(huán)境、受力狀態(tài)、材料自身組織類型。這說明對鋼材斷裂韌性的研究還不夠充分，也啟發(fā)科研人員轉(zhuǎn)換思路。

在鋼材冶煉和軋制過程中，為了達到良好的斷裂韌性，通常控制金屬組織以得到多變型鐵素體和針狀鐵素體組織，同時還應(yīng)細化鋼材表面晶粒組織，使有效粒徑較小。高強鋼主要通過細化晶粒作為強化機理手段，既可以提高低溫沖擊韌性，又可以滿足斷裂韌性要求。鋼鐵冶煉工藝技術(shù)、控溫控軋技術(shù)和鋼材微合金化技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用成為改善優(yōu)化高強鋼低溫下斷裂韌性的重要途經(jīng)與未來發(fā)展方向。

近年來，對材料斷裂過程的研究逐漸呈現(xiàn)出由宏觀向微觀過渡發(fā)展的趨勢，使得宏微觀斷裂力學(xué)開始被應(yīng)用于材料斷裂韌性研究中。這得益于宏微觀研究的廣泛應(yīng)用及試驗、理論與技術(shù)的長足進步。譚鴻來[49]通過建立材料斷裂韌性與加載速率關(guān)系的臨界加載速率理論，利用宏微觀結(jié)合的方式解釋了材料的斷裂行為。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的斷裂是由一系列內(nèi)部因素和外部因素共同作用引發(fā)的，因此斷裂韌性試驗分析結(jié)果呈現(xiàn)出明顯的分散性、概率性和隨機性，從而使用概率斷裂力學(xué)研究方法是重要的發(fā)展方向[50]。

4 結(jié)論和建議

鋼材斷裂韌性是衡量鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造水平的重要標志。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料的韌性是保證不發(fā)生脆性斷裂的關(guān)鍵指標。尋找合理的防斷設(shè)計評價標準是鋼材性能研究的基礎(chǔ)課題，可保證鋼結(jié)構(gòu)在服役階段全壽命周期性能與成本最優(yōu)。本文重點介紹了高強鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷裂韌性的試驗研究、斷裂韌性評估方法等方面的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向。主要結(jié)論和建議如下：

1)斷裂韌性試驗研究是橋梁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷裂韌性問題的重要基礎(chǔ)。現(xiàn)行的試驗研究主要有夏比沖擊試驗和落錘試驗，雖然在一定程度上能夠反映材料的斷裂性能，但該類斷裂韌性試驗的試樣形狀、試樣尺寸、加載工況、試驗設(shè)備等很難準確反映構(gòu)件性能，與實際情況有偏差。因此，應(yīng)在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的理論數(shù)學(xué)模型，推動該類斷裂韌性試驗研究理論體系的完善，并為未來更高強度等級鋼如Q690q鋼等新型材料的斷裂韌性試驗奠定堅實的理論基礎(chǔ)。

2)高強鋼斷裂力學(xué)韌性參數(shù)評價研究是防斷研究的最終目標。主要內(nèi)容包括：建立鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件試驗結(jié)果數(shù)據(jù)庫;選取適當?shù)姆治龇椒ê土W(xué)特征指標反映鋼材斷裂韌性;通過統(tǒng)計分析建立并逐步完善力學(xué)特征值與斷裂韌性的關(guān)系;建立便于工程應(yīng)用的斷裂韌性評估方法;提出適合中國國情的斷裂韌性設(shè)計方案；發(fā)展基于可靠度理論的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷裂韌性評估方法。

隨著試驗的開展和研究的更加深入，以及新試驗檢測設(shè)備和先進的制造加工工藝所提供的技術(shù)支撐，對斷裂韌性的特點也將有全新的認識。對鋼材斷裂韌性問題進行深入研究，將為后續(xù)更高強度等級材料的斷裂韌性評價奠定基礎(chǔ)。