双工字钢板组合梁桥防脆性断裂设计研究

李井辉

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

随着我国钢结构桥梁的大力推广，越来越多的钢结构桥梁建造在北方严寒地区；低温环境、高强度钢材、焊接连接、厚板的使用使得钢桥脆性断裂的问题日趋突出；本文以辽宁省开展的30 m跨径连续双工字钢-混组合梁桥标准化设计为例，介绍下防止钢桥发生低温脆性断裂的实用设计方法。

1 钢结构的脆性断裂

钢结构断裂破坏是指在构件内部形成新的表面并继续扩展造成构件净截面的减小直至断开；断裂破坏可以表现为两种类型:脆性断裂和韧性断裂。脆性断裂是指裂纹扩展速度快、塑性变形小、吸收能量少的断裂，破坏前无明显征兆。韧性断裂是指裂纹扩展速度缓慢、塑性变形较大、吸收能量较多的断裂；应力集中、动载荷、焊接连接、低温等等会使得钢结构比较容易发生脆性断裂。应力集中一般在缺口或裂纹尖端形成三向拉应力状态;动荷载容易在构件内部形成疲劳裂纹，当裂纹扩展到临界长度会引起构件断裂;焊接连接容易在焊缝的内部形成裂纹或其他缺陷，同时焊接热影响也会降低临近钢材的韧性；低温使得钢材的断裂韧度降低，钢结构脆性断裂的破坏实例分析表明，钢结构的脆性断裂常常是在较低温度(低于-20 ℃)下发生的，这种低温气候经常出现在我国的东北、华北、西北及青藏高原等。表1列出了我国部分地区历史上出现过的极端最低气温值。

表1 我国部分地区历史上出现过的极端最低气温

2 钢结构脆性断裂设计方法

防脆性断裂设计是严寒地区钢结构桥梁设计至关重要的一项内容，下面对国内外设计规范中防止钢材发生脆性断裂破坏的方法做下介绍。

2.1 前苏联钢结构设计规范

前苏联是唯一一个把钢结构低温脆断放入钢结构设计规范的国家，通过折减强度的方法对钢结构的脆性破坏进行验算，设计公式为

σmax|βRuγu

式中σmax为设计截面的最大名义应力(按钢材截面计算，且不考虑动载因子)；Ru,γu为钢材的计算强度和相应的安全系数:β值为考虑低温冷脆后构件破坏强度的折减系数(β的取值主要决定于计算低温、材质、结构型式和板件厚度)。

2.2 欧洲钢结构设计规范

欧洲钢结构设计规范要求材料应具有规定的韧度，以防止结构在设计使用寿命期限内出现脆性断裂；欧规对20 ℃、0 ℃、-20 ℃和-50 ℃下各种钢材冲击韧性的数值进行规定，并对不同温度下各种钢材的厚度进行了限制，以避免钢结构发生脆性破坏。

2.3 我国钢结构设计规范

我国的《钢结构设计标准》对不同工作环境中的钢结构材料的冲击韧性值提出了要求，如要求对工作环境温度不高于-20 ℃时，Q345钢材应具有-20 ℃冲击韧性的合格保证等等；同时也对工作温度不高于-20 ℃的承重构件的受拉板材厚度、承重构件的连接方式等作出了要求；

我国的《公路钢结构桥梁设计规范》仅对不同工作环境下钢材的冲击韧性值提出了要求，未对不同工作环境下的钢板厚度及钢构件采用何种连接方式作出规定。

3 钢结构防脆性断裂设计

钢材的脆性断裂与材料、应力集中、使用环境、钢板厚度、连接形式密切相关，下面以辽宁省开展的30 m跨径的连续双工字钢-混组合梁桥标准化设计为例，介绍下结合《公路钢结构桥梁设计规范》、《钢结构设计标准》、《欧洲钢结构设计规范》三套规范研究出的钢板梁防脆性断裂设计方法；双工字钢板组合梁的桥面净宽、双主梁间距、小横梁间距、组合梁高度等如图1～图2所示。

图1 边跨立面布置图(单位mm)

图2 横断面布置图(单位mm)

3.1 材质缺陷方面

当钢材中碳、硫、磷、氧、氮、氢等元素的含量过高时，将会严重降低其塑性和韧性，脆性则相应增大。

防脆性断裂措施：设计采用的钢材需满足《低合金高强度结构钢》GB/T 1591-2018中关于“碳硫磷等元素含量、碳当量、焊接裂纹敏感指数等”方面的指标要求。

3.2 应力集中方面

钢梁桥受力时若存在应力集中，那么在运营期间出现疲劳裂纹的几率就大，同时应力集中容易使得裂纹开展，进而引起钢梁断裂失效。

防脆性断裂措施：

(1)钢板梁设计时最大限度减小焊接残余应力；在合理范围内增大加劲肋间距减少焊缝数量、并降低焊缝尺寸、设置过焊孔避免三向焊缝交汇；

(2)不同板厚对接时采取1∶8的过渡措施；

(3)纵梁与横梁交汇处采取倒圆角相接；

(4)水平加劲肋、竖向加劲肋断开处做倒角处理等等。

图3 过焊孔设置及加劲肋倒角构造示意图

图4 主梁翼缘与横梁翼缘圆弧过渡焊接示意图

3.3 构件连接方面

钢结构现场采用焊接时，焊接质量不容易保证，焊接连接容易在焊缝的内部形成裂纹或其他缺陷，同时焊接热影响也会降低临近钢材的韧性，可能引起钢梁发生脆性断裂。

防脆性断裂措施：《钢结构设计标准》指出，在工作温度等于或低于-20 ℃的地区，承重构件和节点的连接宜采用螺栓连接；借鉴《钢结构设计标准》，本次将各梁段在工厂焊接制造完成后，分段运输至桥址现场，在现场采用螺栓拼接的方式将各梁段连成整体。

3.4 工作环境及受拉钢板厚度方面

钢结构的脆性断裂常常是在低温下发生的，温度越低、钢板越厚，脆性破坏倾向越大。

防脆性断裂措施：借鉴《欧规》，将工作环境温度和受拉钢板厚度引起的脆性断裂关联在一起来研究；“已知：钢材牌号、不同温度下的冲击韧性指标要求、桥址处最低温度、工作应力”，借助《欧规》查表获得此种状况下受拉板件的最大允许厚度。

表2 钢板梁受拉钢板最大容许厚度计算表(辽宁省)

表3 单位用mm表示的元件厚度的最大允许值(欧规)

4 结 论

(1)《公路钢结构桥梁设计规范》在防脆断设计方面仅对不同工作环境下钢材的冲击韧性值提出了要求，内容略显不足；

(2)综合《公路钢结构桥梁设计规范》、《钢结构设计标准》、《欧洲钢结构设计规范》，总结出了防脆性断裂设计的实用设计方法。