雙工字鋼板組合梁橋防脆性斷裂設(shè)計(jì)研究

李井輝

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

隨著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的大力推廣，越來越多的鋼結(jié)構(gòu)橋梁建造在北方嚴(yán)寒地區(qū)；低溫環(huán)境、高強(qiáng)度鋼材、焊接連接、厚板的使用使得鋼橋脆性斷裂的問題日趨突出；本文以遼寧省開展的30 m跨徑連續(xù)雙工字鋼-混組合梁橋標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)為例，介紹下防止鋼橋發(fā)生低溫脆性斷裂的實(shí)用設(shè)計(jì)方法。

1 鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂

鋼結(jié)構(gòu)斷裂破壞是指在構(gòu)件內(nèi)部形成新的表面并繼續(xù)擴(kuò)展造成構(gòu)件凈截面的減小直至斷開；斷裂破壞可以表現(xiàn)為兩種類型:脆性斷裂和韌性斷裂。脆性斷裂是指裂紋擴(kuò)展速度快、塑性變形小、吸收能量少的斷裂，破壞前無明顯征兆。韌性斷裂是指裂紋擴(kuò)展速度緩慢、塑性變形較大、吸收能量較多的斷裂；應(yīng)力集中、動(dòng)載荷、焊接連接、低溫等等會(huì)使得鋼結(jié)構(gòu)比較容易發(fā)生脆性斷裂。應(yīng)力集中一般在缺口或裂紋尖端形成三向拉應(yīng)力狀態(tài);動(dòng)荷載容易在構(gòu)件內(nèi)部形成疲勞裂紋，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到臨界長(zhǎng)度會(huì)引起構(gòu)件斷裂;焊接連接容易在焊縫的內(nèi)部形成裂紋或其他缺陷，同時(shí)焊接熱影響也會(huì)降低臨近鋼材的韌性；低溫使得鋼材的斷裂韌度降低，鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的破壞實(shí)例分析表明，鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂常常是在較低溫度(低于-20 ℃)下發(fā)生的，這種低溫氣候經(jīng)常出現(xiàn)在我國(guó)的東北、華北、西北及青藏高原等。表1列出了我國(guó)部分地區(qū)歷史上出現(xiàn)過的極端最低氣溫值。

表1 我國(guó)部分地區(qū)歷史上出現(xiàn)過的極端最低氣溫

2 鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂設(shè)計(jì)方法

防脆性斷裂設(shè)計(jì)是嚴(yán)寒地區(qū)鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)至關(guān)重要的一項(xiàng)內(nèi)容，下面對(duì)國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范中防止鋼材發(fā)生脆性斷裂破壞的方法做下介紹。

2.1 前蘇聯(lián)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

前蘇聯(lián)是唯一一個(gè)把鋼結(jié)構(gòu)低溫脆斷放入鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的國(guó)家，通過折減強(qiáng)度的方法對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的脆性破壞進(jìn)行驗(yàn)算，設(shè)計(jì)公式為

σmax|βRuγu

式中σmax為設(shè)計(jì)截面的最大名義應(yīng)力(按鋼材截面計(jì)算，且不考慮動(dòng)載因子)；Ru,γu為鋼材的計(jì)算強(qiáng)度和相應(yīng)的安全系數(shù):β值為考慮低溫冷脆后構(gòu)件破壞強(qiáng)度的折減系數(shù)(β的取值主要決定于計(jì)算低溫、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)型式和板件厚度)。

2.2 歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求材料應(yīng)具有規(guī)定的韌度，以防止結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用壽命期限內(nèi)出現(xiàn)脆性斷裂；歐規(guī)對(duì)20 ℃、0 ℃、-20 ℃和-50 ℃下各種鋼材沖擊韌性的數(shù)值進(jìn)行規(guī)定，并對(duì)不同溫度下各種鋼材的厚度進(jìn)行了限制，以避免鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞。

2.3 我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

我國(guó)的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)不同工作環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)材料的沖擊韌性值提出了要求，如要求對(duì)工作環(huán)境溫度不高于-20 ℃時(shí)，Q345鋼材應(yīng)具有-20 ℃沖擊韌性的合格保證等等；同時(shí)也對(duì)工作溫度不高于-20 ℃的承重構(gòu)件的受拉板材厚度、承重構(gòu)件的連接方式等作出了要求；

我國(guó)的《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》僅對(duì)不同工作環(huán)境下鋼材的沖擊韌性值提出了要求，未對(duì)不同工作環(huán)境下的鋼板厚度及鋼構(gòu)件采用何種連接方式作出規(guī)定。

3 鋼結(jié)構(gòu)防脆性斷裂設(shè)計(jì)

鋼材的脆性斷裂與材料、應(yīng)力集中、使用環(huán)境、鋼板厚度、連接形式密切相關(guān)，下面以遼寧省開展的30 m跨徑的連續(xù)雙工字鋼-混組合梁橋標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)為例，介紹下結(jié)合《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、《歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》三套規(guī)范研究出的鋼板梁防脆性斷裂設(shè)計(jì)方法；雙工字鋼板組合梁的橋面凈寬、雙主梁間距、小橫梁間距、組合梁高度等如圖1～圖2所示。

圖1 邊跨立面布置圖(單位mm)

圖2 橫斷面布置圖(單位mm)

3.1 材質(zhì)缺陷方面

當(dāng)鋼材中碳、硫、磷、氧、氮、氫等元素的含量過高時(shí)，將會(huì)嚴(yán)重降低其塑性和韌性，脆性則相應(yīng)增大。

防脆性斷裂措施：設(shè)計(jì)采用的鋼材需滿足《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》GB/T 1591-2018中關(guān)于“碳硫磷等元素含量、碳當(dāng)量、焊接裂紋敏感指數(shù)等”方面的指標(biāo)要求。

3.2 應(yīng)力集中方面

鋼梁橋受力時(shí)若存在應(yīng)力集中，那么在運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)疲勞裂紋的幾率就大，同時(shí)應(yīng)力集中容易使得裂紋開展，進(jìn)而引起鋼梁斷裂失效。

防脆性斷裂措施：

(1)鋼板梁設(shè)計(jì)時(shí)最大限度減小焊接殘余應(yīng)力；在合理范圍內(nèi)增大加勁肋間距減少焊縫數(shù)量、并降低焊縫尺寸、設(shè)置過焊孔避免三向焊縫交匯；

(2)不同板厚對(duì)接時(shí)采取1∶8的過渡措施；

(3)縱梁與橫梁交匯處采取倒圓角相接；

(4)水平加勁肋、豎向加勁肋斷開處做倒角處理等等。

圖3 過焊孔設(shè)置及加勁肋倒角構(gòu)造示意圖

圖4 主梁翼緣與橫梁翼緣圓弧過渡焊接示意圖

3.3 構(gòu)件連接方面

鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)采用焊接時(shí)，焊接質(zhì)量不容易保證，焊接連接容易在焊縫的內(nèi)部形成裂紋或其他缺陷，同時(shí)焊接熱影響也會(huì)降低臨近鋼材的韌性，可能引起鋼梁發(fā)生脆性斷裂。

防脆性斷裂措施：《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》指出，在工作溫度等于或低于-20 ℃的地區(qū)，承重構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的連接宜采用螺栓連接；借鑒《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，本次將各梁段在工廠焊接制造完成后，分段運(yùn)輸至橋址現(xiàn)場(chǎng)，在現(xiàn)場(chǎng)采用螺栓拼接的方式將各梁段連成整體。

3.4 工作環(huán)境及受拉鋼板厚度方面

鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂常常是在低溫下發(fā)生的，溫度越低、鋼板越厚，脆性破壞傾向越大。

防脆性斷裂措施：借鑒《歐規(guī)》，將工作環(huán)境溫度和受拉鋼板厚度引起的脆性斷裂關(guān)聯(lián)在一起來研究；“已知：鋼材牌號(hào)、不同溫度下的沖擊韌性指標(biāo)要求、橋址處最低溫度、工作應(yīng)力”，借助《歐規(guī)》查表獲得此種狀況下受拉板件的最大允許厚度。

表2 鋼板梁受拉鋼板最大容許厚度計(jì)算表(遼寧省)

表3 單位用mm表示的元件厚度的最大允許值(歐規(guī))

4 結(jié) 論

(1)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》在防脆斷設(shè)計(jì)方面僅對(duì)不同工作環(huán)境下鋼材的沖擊韌性值提出了要求，內(nèi)容略顯不足；

(2)綜合《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、《歐洲鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，總結(jié)出了防脆性斷裂設(shè)計(jì)的實(shí)用設(shè)計(jì)方法。