熱軋變厚度耐候鋼板在鋼橋制造上的應(yīng)用

徐向軍，劉洪武，于洋，范軍旗

中鐵山橋集團(tuán)有限公司 河北秦皇島 066205

1 序言

熱軋變厚鋼板即沿軋制方向（縱向）厚度有規(guī)律性變化的鋼板，簡(jiǎn)稱LP鋼板，如圖1所示。

圖1 熱軋變厚度鋼板

在橋梁鋼結(jié)構(gòu)中，根據(jù)桿件受力需要會(huì)采用不同厚度的鋼板，因此同一桿件或梁段內(nèi)蓋板、腹板厚度變化處會(huì)采用不等厚對(duì)接焊縫連接。為了減小應(yīng)力集中，厚板側(cè)會(huì)加工1∶8或1∶10的斜坡，對(duì)接焊縫坡口如圖2所示。制造過(guò)程中，鋼板對(duì)接焊縫需要有厚板銑斜坡、加工對(duì)接坡口、組裝、焊接、修整、焊縫磨平和焊縫無(wú)損檢測(cè)等工序。

圖2 對(duì)接焊縫坡口形式

如果采用熱軋變厚度鋼板，鋼板本身薄厚勻順過(guò)渡，就可以不用在鋼板變厚處焊接對(duì)接焊縫，制造過(guò)程中省去了厚板銑斜坡、加工對(duì)接坡口、組裝、焊接、修整、焊縫磨平和焊縫無(wú)損檢測(cè)工序，節(jié)省了焊接材料和制造費(fèi)用。

安徽省G5011蕪合高速工程林頭至隴西立交段改擴(kuò)建工程（以下簡(jiǎn)稱安徽林隴橋）結(jié)合梁跨徑為2×35m和25m+2×35m+25m兩種。主梁根據(jù)橋面寬度的不同，橫向采用不同數(shù)量的縱梁。橋梁寬度為8.5m時(shí)，采用雙主梁鋼板結(jié)合梁；橋梁寬度為12m時(shí)，采用三主梁鋼板結(jié)合梁；橋梁寬度為18.5m時(shí)，采用四主梁鋼板組合梁橋。橋梁梁高1.61m，其中鋼主梁高度為1.25m。三根主梁的結(jié)合梁橫斷面結(jié)構(gòu)如圖3所示，混凝土橋面板和鋼主梁通過(guò)圓柱頭焊釘連接。

圖3 三根主梁的結(jié)合梁橫斷面結(jié)構(gòu)

主梁為工形結(jié)構(gòu)，上蓋板板厚分別為22mm、60mm，下蓋板板厚分別為26mm、35mm、38mm、60mm，腹板板厚分別為14mm、20mm。安徽林隴橋在國(guó)內(nèi)率先在鋼橋制造領(lǐng)域采用了熱軋變厚度Q345qDNH耐候橋梁鋼板，免涂裝使用。最大板厚差為22mm變60mm，變厚度長(zhǎng)度9.5m，斜率2mm/m。

2 鋼板技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，安徽林隴橋?qū)彳堊兒穸萉345qDNH鋼板的性能指標(biāo)要求見表1，鋼板化學(xué)成分和力學(xué)性能符合GB/T 714—2015《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》的要求，－20℃低溫沖擊吸收能量≥120J，耐大氣腐蝕指數(shù)I≥6.0。

表1 對(duì)熱軋變厚度Q345qDNH鋼板的性能指標(biāo)要求

3 鋼板母材復(fù)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)鞍山鋼鐵集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的板厚為14mm、20mm、34mm、60mm的變厚度Q345qDNH鋼板進(jìn)行母材復(fù)驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括母材的化學(xué)成分、冷裂紋敏感系數(shù)Pcm、耐大氣腐蝕指數(shù)I和拉伸、彎曲、－40℃低溫沖擊性能、厚度方向性能等力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果見表2、表3。

由表2可看出，鋼板的C、S、P含量與裂紋敏感系數(shù)較小，有益于提高鋼板的焊接性。鋼板的耐大氣腐蝕指數(shù)I為6.6，耐候性滿足設(shè)計(jì)要求。由表3可看出，試驗(yàn)結(jié)果均滿足表1的規(guī)定，鋼板的抗拉強(qiáng)度、塑性均滿足技術(shù)要求，－20℃沖擊吸收能量均＞150J，低溫沖擊性能優(yōu)良。厚度方向性能均滿足GB/T 5313—2010《厚度方向性能鋼板》中最高標(biāo)準(zhǔn)Z35級(jí)的要求，抗層狀撕裂性能良好。

表2 Q345qDNH鋼板化學(xué)成分及其他性能

表3 Q345qDNH鋼板力學(xué)性能

4 鋼板熱加工工藝性能試驗(yàn)

（1）Q345qDNH鋼板切割工藝性能試驗(yàn) 在鋼橋制造過(guò)程中，對(duì)鋼板需要進(jìn)行切割下料和焊接變形火焰修整，為了檢驗(yàn)Q345qDNH鋼板切割面質(zhì)量和火焰修整對(duì)鋼板性能的影響，需要對(duì)鋼板進(jìn)行熱加工工藝性能試驗(yàn)。

對(duì)板厚20mm、34mm和60mm的Q345qDNH鋼板進(jìn)行焰切面粗糙度檢測(cè)，切割面光滑、齊整，切割面表面粗糙度值≤25μm。通過(guò)磁粉檢測(cè)，切割面沒有裂紋或其他危害性缺陷，鋼板切割面硬度試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 Q345qENH鋼板切割面硬度

由表4可看出，Q345qDNH鋼板火焰切割面最大硬度為311HV10，低于標(biāo)準(zhǔn)值350HV10，表明Q345qDNH鋼板切割工藝性良好。

（2）Q345qDNH鋼板熱矯形工藝性能試驗(yàn) 針對(duì)板厚20mm、34mm、60mm的Q345qDNH鋼板進(jìn)行了熱矯形工藝試驗(yàn)，加熱方法為超能氣＋氧氣火焰加熱，加熱區(qū)的最高溫度分別按700℃、800℃和900℃控制，測(cè)試了加熱區(qū)的拉伸、彎曲、低溫沖擊力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

由表5可看出，熱矯形加熱700℃、800℃后，Q345qDNH鋼板的力學(xué)性能全部合格；熱矯形加熱900℃后，板厚20mm、34mm、50mm的Q345qDNH鋼板沖擊吸收能量不合格。因此，熱軋變厚度Q345qDNH鋼板的熱矯形加熱溫度應(yīng)不超過(guò)800℃。

表5 Q345qDNH鋼板熱矯形后的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

5 鋼板焊接性試驗(yàn)

（1）Q345qDNH鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn) 對(duì)板厚20mm、34mm、60mm的Q345qDNH鋼板分別進(jìn)行焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)，按照《焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行，采用φ4mm的CHE507NHQ焊條焊接。焊接熱影響區(qū)最高硬度結(jié)果如圖4所示。

圖4 Q345qDNH鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度曲線

由圖4 可知，板厚2 0 m m、3 4 m m 和6 0 m m的Q345q D N H鋼板焊接熱影響區(qū)最高硬度分別為285H V10、290H V10、266H V10，遠(yuǎn)低于350HV10，說(shuō)明鋼板無(wú)焊接淬硬傾向，焊接性良好。

（2）Q345qDNH鋼板斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn) 對(duì)板厚34mm、60mm的Q345qDNH鋼板分別進(jìn)行斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)。采用氣體保護(hù)焊方法焊接，焊接材料為φ1.2mm的CHT71NHQ藥芯焊絲。對(duì)板厚34mm的鋼板不預(yù)熱，對(duì)板厚60mm的鋼板100℃預(yù)熱后進(jìn)行試驗(yàn)，均沒有產(chǎn)生裂紋，Q345qDNH鋼板斜Y形坡口焊接裂紋試件如圖5所示，焊接裂紋試驗(yàn)情況與焊接參數(shù)見表6。

表6 Q345qDNH鋼板斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)情況與焊接參數(shù)

圖5 斜Y形坡口焊接裂紋試件

由斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果可以確定，Q345qDNH鋼板防止產(chǎn)生冷裂紋的預(yù)熱溫度（當(dāng)環(huán)境溫度≥5℃，環(huán)境濕度≤80%時(shí)）：板厚≤34mm時(shí)，不需要預(yù)熱；板厚>34～60mm時(shí)，預(yù)熱100℃。

6 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

針對(duì)安徽林隴橋鋼梁制造中Q345qDNH耐候鋼焊接接頭進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，典型接頭（包括對(duì)接焊縫、全熔透角焊縫、坡口部分熔透角焊縫、T形接頭角焊縫和圓柱頭焊釘焊接）的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)項(xiàng)目見表7。

表7 典型接頭焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)項(xiàng)目

對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查，外觀質(zhì)量均符合Q/CR 9211—2015《鐵路鋼橋制造規(guī)范》的規(guī)定。焊縫焊接完成24h后，依據(jù)Q/CR 9211—2015進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，對(duì)接焊縫、全熔透角焊縫超聲波檢測(cè)I級(jí)合格，坡口部分熔透角焊縫、T形接頭角焊縫超聲波檢測(cè)II級(jí)合格。

（續(xù)）

隨后，針對(duì)Q345qDNH鋼板焊接接頭進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，焊縫屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和焊縫金屬伸長(zhǎng)率不低于母材標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)接接頭彎曲180°，試樣受拉面上的裂紋總長(zhǎng)≤試樣寬度的15%，且單個(gè)裂紋長(zhǎng)度≤3mm。Q345qDNH鋼對(duì)接焊縫和熔透角焊縫－20℃沖擊吸收能量≥34J。接頭硬度≤380HV10，均滿足Q/CR 9211—2015的規(guī)定。經(jīng)焊縫金屬化學(xué)成分檢測(cè)，得到耐大氣腐蝕性指數(shù)I≥6.0，滿足設(shè)計(jì)要求。典型接頭宏觀斷面形貌如圖6所示。針對(duì)Q345qDNH鋼板焊接接頭進(jìn)行了錘擊30°彎曲和接頭拉伸試驗(yàn)，焊縫無(wú)裂紋，接頭抗拉強(qiáng)度大于圓柱頭焊釘母材，且在焊釘上斷裂，滿足Q/CR 9211—2015的規(guī)定。

圖6 典型接頭宏觀斷面形貌

7 鋼結(jié)構(gòu)焊接生產(chǎn)

根據(jù)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果，編制了安徽林隴橋鋼梁Q345qDNH耐候鋼焊接工藝，指導(dǎo)結(jié)合梁的焊接生產(chǎn)。根據(jù)安徽林隴橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將鋼梁的焊接按工序分別在工廠和橋上進(jìn)行，即：首先在工廠內(nèi)進(jìn)行主梁、橫梁工字形桿件的焊接；然后在橋位吊裝焊接主梁、橫梁工字形桿件[1，2]。

（1）工廠焊接 在工廠車間內(nèi)，將熱軋變厚度Q345qDNH耐候鋼板進(jìn)行切割下料后，分別進(jìn)行主梁、橫梁桿件的組裝和焊接。焊接方法主要采用埋弧焊和氣體保護(hù)焊，主梁、橫梁上蓋板上的圓柱頭焊釘采用螺柱焊。鋼梁在工廠內(nèi)的組裝和焊接如圖7所示。

圖7 鋼梁在工廠內(nèi)的組裝和焊接

（2）橋位拼裝焊接 將工廠制作的主梁、橫梁桿件運(yùn)到橋位，進(jìn)行桿件的吊裝，然后進(jìn)行主梁、橫梁工字形桿件間的焊接，橋位節(jié)段間焊接方法全部采用氣體保護(hù)焊。桿件吊裝和橋上施工如圖8所示。

圖8 桿件吊裝和橋上施工

8 鋼結(jié)構(gòu)銹層穩(wěn)定化處理

安徽林隴橋采用耐候鋼制造，鋼梁免涂裝使用，為了使鋼梁表面快速形成均勻的銹層，需要對(duì)制造后的桿件進(jìn)行銹層穩(wěn)定化處理。該橋銹層穩(wěn)定化處理采用了水處理法，即對(duì)桿件進(jìn)行整體噴砂處理，要求清潔度達(dá)到Sa2級(jí)。對(duì)噴砂后的桿件進(jìn)行灑水處理，每天在桿件上均勻?yàn)⑺淮危茉O(shè)前至少灑水30天，使桿件表面產(chǎn)生均勻的銹層。

9 制造費(fèi)用

在安徽林隴橋鋼結(jié)構(gòu)中采用熱軋變厚鋼板，不用在鋼板變厚處對(duì)接接料，省去了厚板銑斜坡、加工對(duì)接坡口、組裝、焊接、修整、焊縫磨平和焊縫無(wú)損檢測(cè)等工序。以一孔跨度35m的鋼梁（兩個(gè)工形）為例，因采用熱軋變厚鋼板減少工時(shí)和費(fèi)用統(tǒng)計(jì)見表8。從表8可看出，節(jié)約工時(shí)費(fèi)用1312.5元，節(jié)約焊接材料費(fèi)用457.2元，節(jié)約無(wú)損檢測(cè)費(fèi)用322.5元，合計(jì)節(jié)約2092.2元。一孔鋼梁蓋板和腹板的鋼板重量約42t，每噸桿件節(jié)約制造費(fèi)約49.8元。

表8 接料工時(shí)和費(fèi)用統(tǒng)計(jì)

10 結(jié)束語(yǔ)

1）熱軋變厚度Q345qDNH耐候鋼板化學(xué)成分和力學(xué)性能符合GB/T 714—2015的規(guī)定。C、S、P含量低，裂紋敏感系數(shù)較小，有益于提高鋼板的焊接性，耐大氣腐蝕指數(shù)I≥6.0；鋼板的抗拉強(qiáng)度、塑性均滿足技術(shù)要求，－20℃沖擊吸收能量均＞150J，低溫沖擊性能優(yōu)良。厚度方向性能均滿足GB/T 5313—2010《厚度方向性能鋼板》中最高標(biāo)準(zhǔn)Z35級(jí)的要求，抗層狀撕裂性能良好

2）Q 3 4 5 q D N H 鋼板的熱矯形溫度不超過(guò)800℃的力學(xué)性能合格，焊接熱影響區(qū)最高硬度＜350HV10，Q345qDNH鋼板的熱加工性能和焊接性能優(yōu)良。

3）選取安徽林隴橋典型焊縫進(jìn)行了Q345qDNH鋼板焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鋼梁先后在工廠和橋上進(jìn)行焊接。免涂裝耐候鋼梁表面采用了灑水的銹層穩(wěn)定處理方法，既保證了較短時(shí)期內(nèi)銹層的均勻穩(wěn)定，又實(shí)現(xiàn)了綠色、節(jié)能、環(huán)保的目的。

4）采用熱軋變厚度Q345qDNH耐候鋼板，免除了鋼板變厚處對(duì)接接料，每噸桿件節(jié)約制造費(fèi)約49.8元。