沪通长江大桥Q500qE钢的适用性研究

闫志刚，赵欣欣，徐向军

(1.中国铁路总公司 工程管理中心，北京　100038；2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京　100081；3.中铁山桥集团有限公司，河北 秦皇岛　066200)

随着我国铁路桥梁技术的快速发展，继武汉、南京、九江和芜湖等长江大桥之后，武汉天兴洲和南京大胜关长江大桥等数座高速铁路大跨度桥梁也相继建成，这些铁路大跨度桥梁的主体结构多以钢材为主建造。20世纪50年代建成的武汉长江大桥主桁的材质为从前苏联进口的屈服强度在240 MPa以上的A3q钢。20世纪60年代建成的南京长江大桥首次采用了我国自主研发的16Mnq低合金钢，其屈服强度在320 MPa以上，但板厚效应严重。20世纪90年代建成的九江长江大桥采用了我国自主研发的15MnVNq钢，其屈服强度在420 MPa以上，比16Mnq钢屈服强度有显著提高，但低温韧性和可焊性较差。为保证铁路桥梁工程的安全性和易于工厂制造，2000年建成的芜湖长江大桥采用了我国自主研发的14MnNbq钢，其屈服强度在370 MPa以上，因采用降碳加铌和超纯净冶金方法，其具有优异的低温冲击韧性和可焊接性，并且解决了板厚效应问题[1]。14MnNbq钢被纳入桥梁钢的国家标准后，改称Q370q钢。随后，武汉天兴洲长江大桥也使用了Q370q钢。南京大胜关长江大桥于2011年建成通车，是世界上列车通过速度最快、跨度最大的钢桁拱桥；由于该桥主桁杆件的最大轴力达到近万吨，如果使用Q370q钢建造，其最大板厚将超过100 mm，故此我国又自主研发了高性能的Q420q(WNQ570)钢[2]，该钢种采用超低碳微合金化成分设计，按控温控轧(TMCP)工艺组织生产，其屈服强度在420 MPa以上，主要用于受压杆件的制造。

沪通长江大桥主航道桥为主跨1 092 m的双塔三索面钢桁梁斜拉桥[3]，是世界上跨度最大的公铁两用斜拉桥。由于该桥的主跨超千米，承载4线铁路、6车道高速公路，主桁断面轴力超过7万t，因此需要采用屈服强度更高的钢种建造。但我国铁路桥梁用钢以Q345q钢，Q370q钢和Q420q钢为主，尚无更高屈服强度级别的钢种用于铁路桥梁建设的经验[4]。故此，本文对500 MPa级的Q500qE钢在沪通长江大桥的适用性开展系统研究，重点研究其拉伸、低温韧性和防断等母材基本性能，切割、焊接和热矫形等工厂制造性能，以及结构安全储备、疲劳抗力和压杆稳定等设计参数，为沪通长江大桥采用Q500qE钢提供技术支持。

1　母材基本性能

1.1　拉伸性能

轴向拉伸性能是钢材最基本的力学指标之一。为掌握Q500qE钢的拉伸性能，选取32 mm厚，屈强比为0.7的Q345qD钢板和屈强比分别为0.7，0.86和0.9的Q500qE钢板分别进行φ10 mm的标准试样拉伸试验，得到试样的拉伸应力—应变曲线，如图1所示。由图1可知，与Q345qD钢相比，Q500qE钢没有明显屈服平台。此外，Q500qE钢的延伸率大于20%，没有随着屈强比的变化而明显改变，这间接表明Q500qE钢在高屈服强度和抗拉强度的同时，还具有良好的塑性。

图1Q345qD钢与不同屈强比的Q500qE钢标准试样拉伸应力—应变曲线

1.2　低温冲击性能

低温时钢材抵抗冲击的韧性会变差，易发生脆性断裂。依据GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，选取板厚32，44和60 mm的Q500qE钢母材及其40 mm+40 mm对接焊接热影响区制作冲击试件，分别进行-100～20 ℃的冲击试验，冲击试验结果如图2所示。由图2可知，随着温度降低，Q500qE钢的冲击功显著降低，但-100 ℃时冲击功仍可达70 J；厚44 mm板焊接热影响区的冲击功比母材有所降低，随着温度降低，降幅呈增大趋势，在-78 ℃时降幅可达98 J；选用Boltzmann函数[5]拟合试验数据，可以得到不同组试样的韧脆转变温度，无论是母材还是焊接热影响区的韧脆转变温度均低于-50 ℃。

1.3　防断性能

沪通长江大桥的跨度大、荷载重，即使采用Q500qE钢，主桁杆件最大板厚仍可达60 mm，仅通过低温冲击韧性判断其防断能力不够全面。鉴于此，进行Q500qE钢的裂纹尖端张开位移(Crack-Tip Opening Displacement，简称CTOD)和宽板拉伸试验，根据所测CTOD值和断裂韧性Kc值进一步研究Q500qE钢的防断性能。

图2　Q500qE钢低温冲击试验结果

采用厚度为32，44和60 mm Q500qE钢的标准三点弯曲试样，进行室温16，-20，-40和-50 ℃下的CTOD试验，试验装置如图3(a)所示，结果如图3(b)所示。由图3(b)可知，板厚60 mm试样的CTOD值均小于板厚32和44 mm试样；随着温度降低，板厚32和44 mm试样的CTOD值变化不大，但板厚60 mm试样在温度降至-40 ℃时，CTOD值大幅降低。

图3　Q500qE钢材的CTOD试验结果

选取32，44和60 mm 3种厚度的Q500qE钢板进行室温11，-20，-40，-50和-65 ℃情况下的宽板拉伸试验，板宽400 mm。该试验在中国铁道科学研究院高速铁路轨道技术国家重点实验室的2 000 t MTS材料试验机上进行，并配套研制了试验所需的低温环境箱，如图4(a)所示。图4(b)为不同板厚试样在不同温度下的实测Kc值。由图4(b)可知：板厚32 mm试样随着试验温度的变化，Kc值几乎没有变化；随着板厚增加，试样Kc值随着温度降低显著降低；板厚44和60 mm试样在温度低于-40 ℃后，Kc值有降有增。

图4　Q500qE钢宽板拉伸试验

总体来看，32和44 mm厚的Q500qE钢板在11～-50 ℃范围内具有良好防断能力。低于-40 ℃时，60 mm厚的Q500qE钢板防断性能有所降低，但仍与Q370qE钢的防断性能相当，依然满足使用要求[6-7]。

2　工厂制造性能

2.1　焰切性能

火焰切割是经济有效切割厚金属板的方法之一，但具有热影响区大、热变形大等特点。因此，若采用火焰切割Q500qE钢时，需要进行焰切工艺评定试验。分别选取厚为16，32，44和60 mm的Q500qE钢板进行焰切面硬度试验。图5为60 mm厚Q500qE钢板焰切面相片，由图5可知，切割面光滑、整齐，没有裂纹或其他危害性缺陷。进一步测试可知，焰切面硬度均不超过350HV10，表明Q500qE钢的焰切工艺性良好。

图5　60 m厚Q500qE钢板焰切面

2.2　焊接性能

采用手工、埋弧和气体保护3种方式对Q500qE钢试样进行焊接，选取板厚16，32，44和60 mm的试件进行焊接热影响区最高硬度试验，焊接热影响区最高硬度分别为297 HV10，317 HV10，306 HV10和290 HV10，均低于350 HV10，表明Q500qE 钢的焊接性良好。

针对对接焊缝、熔透角焊缝、坡口角焊缝和T形角焊缝开展Q500qE钢的焊接工艺评定试验。表1为焊接工艺评定试样概况。试验前对所有焊缝质量进行外观和探伤检查，焊缝表观和内部质量均达到相关质量要求。

表1　焊接工艺评定试样概况

图6为对接接头的宏观断面和金相组织相片，由图6可知，接头熔合良好，无裂纹等焊接缺陷。焊肉组织为铁素体+贝氏体+索氏体，热影响区为贝氏体组织，无淬硬组织。在强度方面，各种接头的焊缝强度不低于母材标准值。在塑性方面，焊缝金属的延伸率均不小于18%，对接试板的弯曲检验结果完好，表明接头塑性良好。在韧性方面，对接焊缝、熔透角焊缝的焊缝金属、热影响区-40 ℃ 冲击功均不低于54 J，坡口角焊缝、T形角焊缝冲击功均不低于46 J。

图6　56 mm厚板埋弧自动焊对接接头

2.3　热矫性能

火焰矫形是矫正焊接变形的主要方法，但矫形温度太高可能对Q500qE钢的力学性能产生不利影响。因此，选取焊接变形较大的熔透角焊缝作为研究对象，针对32，44和60 mm不同厚度的Q500qE钢板，分别在650，700和750 ℃的温度下进行热矫形，在热影响区提取试样进行拉伸、弯曲和低温冲击试验。结果表明：随着矫形温度升高，钢板的屈服强度和极限强度均略有降低，但屈服强度仍在500 MPa以上；低温冲击韧性有增有降，但最低值仍在100 J以上。由此可知，热矫温度不超过750 ℃时，Q500qE钢板的力学性能虽略受影响，但仍满足使用要求。

3　设计参数

3.1　结构安全储备

由1.1节可知，Q500qE钢的拉伸应力—应变曲线没有明显屈服平台，屈强比仅比普通钢略高，沪通长江大桥如果采用Q500qE钢，其结构安全储备需要研究。为此选用屈强比为0.70的Q345qD钢和屈强比为0.86的Q500qE钢制作全尺寸试验模型梁，模型梁长10 600 mm，高1 000 mm，翼缘宽320 mm，翼缘和腹板厚均为32 mm，如图7所示。通过三点弯曲试验，研究其极限承载力和变形，以评判Q500qE钢结构的安全储备。

图8为Q345qD钢和Q500qE钢模型梁三点弯曲试验得到的实测载荷—挠度曲线。由图8可知，在极限荷载作用下，Q500qE钢模型梁的跨中挠度大于Q345qD钢模型梁，载荷卸载时，Q500qE钢模型梁的残余变形却小于Q345qD钢模型梁。这表明Q500qE钢比Q345qD钢具有更好的几何变形恢复能力。相关研究也表明[8]，Q345qD钢和Q500qE钢在最大应力达到屈服强度以后迅速变形，应力不断重新分配，并形成塑性铰，未见明显高屈强比的破坏特征。因此，屈强比不高于0.86的Q500qE钢采用目前规范中的容许应力安全系数时，其安全储备不比普通钢材低。

图8Q345qD钢和Q500qE钢模型梁三点弯曲试验载荷—挠度曲线

3.2　疲劳抗力

随着屈服强度提高，高强钢构造的疲劳抗力是否与普通钢相同，国内外尚没有统一认识[9-10]。基于此，针对Q500qE钢的对接焊缝、栓焊混合接头、箱形杆件端隔板与纵肋交叉焊缝、箱型杆件隔板焊缝等沪通长江大桥的典型构造细节，开展疲劳试验。图9为Q500qE钢和Q370qE钢的对接焊缝疲劳试验结果与相关规范曲线对比的情况。由图9可知，Q500qE钢构造的疲劳性能比Q370qE钢的略有提高，可以采用目前规范中的疲劳抗力设计指标进行沪通长江大桥构造的疲劳设计。

图9　对接焊缝构造的S—N曲线与相关规范对比

3.3　压杆稳定

我国TB 10002.2—2005《铁路桥梁钢结构设计规范》仅给出了Q235q～Q420q钢在不同长细比下压杆检算的容许应力折减系数取值，尚没有Q500q钢压杆检算的容许应力折减系数取值规定。采用以模型试验为主、以有限元分析为辅的方法，对Q500qE钢压杆稳定折减系数进行研究。一方面，考虑焊接残余应力、初始缺陷、材性多种影响因素进行有限元计算[11]；另一方面，针对沪通长江大桥主要杆件的截面型式和长细比分布，选取5组试件开展压杆试验(见图10)，工字型截面的试件4组(长细比为40，60和80的各1组，长细比为60的试件回火处理消除残余应力1组)，箱型截面长细比为60的1组。测得静力荷载作用下，工字型和箱型压杆的破坏形态、应变及变形数据等，分析得到失稳破坏荷载。基于各国相关规范[12-15]研究思路，考虑有限元计算结果，给出了Q500qE钢压杆稳定折减系数的推荐值，如图11所示。

图10　Q500qE钢压杆试验试验装置

图11　压杆稳定系数取值示意图

4　结　论

(1)Q500qE钢在具有高的屈服强度和抗拉强度同时还具有良好塑性，16和32 mm厚的Q500qE钢板在11～-50 ℃时具有良好防断能力，44和60 mm厚的Q500qE钢板在常温～-20 ℃时具有良好的防断能力，低于-40 ℃时，44和60 mm厚的Q500qE钢板防断性能有所降低。

(2)Q500qE钢材的焰切和焊接工艺性良好，对接焊缝、熔透角焊缝、坡口角焊缝和T形角焊缝的表观和内部质量均达到相关质量要求，焊接矫形温度不宜超过750 ℃。

(3)屈强比不高于0.86的Q500qE钢用于沪通长江大桥结构，具有与普通钢材相当的安全储备，可采用目前规范中的容许应力安全系数进行设计。与普通钢相比，Q500qE钢构造的疲劳性能略有提高，可采用目前规范中的疲劳抗力设计指标进行疲劳设计。研究给出的Q500qE钢压杆稳定折减系数推荐值可用于沪通长江大桥受压杆件设计。

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