热轧变厚度耐候钢板在钢桥制造上的应用

徐向军，刘洪武，于洋，范军旗

中铁山桥集团有限公司 河北秦皇岛 066205

1 序言

热轧变厚钢板即沿轧制方向（纵向）厚度有规律性变化的钢板，简称LP钢板，如图1所示。

图1 热轧变厚度钢板

在桥梁钢结构中，根据杆件受力需要会采用不同厚度的钢板，因此同一杆件或梁段内盖板、腹板厚度变化处会采用不等厚对接焊缝连接。为了减小应力集中，厚板侧会加工1∶8或1∶10的斜坡，对接焊缝坡口如图2所示。制造过程中，钢板对接焊缝需要有厚板铣斜坡、加工对接坡口、组装、焊接、修整、焊缝磨平和焊缝无损检测等工序。

图2 对接焊缝坡口形式

如果采用热轧变厚度钢板，钢板本身薄厚匀顺过渡，就可以不用在钢板变厚处焊接对接焊缝，制造过程中省去了厚板铣斜坡、加工对接坡口、组装、焊接、修整、焊缝磨平和焊缝无损检测工序，节省了焊接材料和制造费用。

安徽省G5011芜合高速工程林头至陇西立交段改扩建工程（以下简称安徽林陇桥）结合梁跨径为2×35m和25m+2×35m+25m两种。主梁根据桥面宽度的不同，横向采用不同数量的纵梁。桥梁宽度为8.5m时，采用双主梁钢板结合梁；桥梁宽度为12m时，采用三主梁钢板结合梁；桥梁宽度为18.5m时，采用四主梁钢板组合梁桥。桥梁梁高1.61m，其中钢主梁高度为1.25m。三根主梁的结合梁横断面结构如图3所示，混凝土桥面板和钢主梁通过圆柱头焊钉连接。

图3 三根主梁的结合梁横断面结构

主梁为工形结构，上盖板板厚分别为22mm、60mm，下盖板板厚分别为26mm、35mm、38mm、60mm，腹板板厚分别为14mm、20mm。安徽林陇桥在国内率先在钢桥制造领域采用了热轧变厚度Q345qDNH耐候桥梁钢板，免涂装使用。最大板厚差为22mm变60mm，变厚度长度9.5m，斜率2mm/m。

2 钢板技术指标

根据设计需要，安徽林陇桥对热轧变厚度Q345qDNH钢板的性能指标要求见表1，钢板化学成分和力学性能符合GB/T 714—2015《桥梁用结构钢》的要求，－20℃低温冲击吸收能量≥120J，耐大气腐蚀指数I≥6.0。

表1 对热轧变厚度Q345qDNH钢板的性能指标要求

3 钢板母材复验结果

对鞍山钢铁集团有限公司生产的板厚为14mm、20mm、34mm、60mm的变厚度Q345qDNH钢板进行母材复验，试验内容包括母材的化学成分、冷裂纹敏感系数Pcm、耐大气腐蚀指数I和拉伸、弯曲、－40℃低温冲击性能、厚度方向性能等力学性能，试验结果见表2、表3。

由表2可看出，钢板的C、S、P含量与裂纹敏感系数较小，有益于提高钢板的焊接性。钢板的耐大气腐蚀指数I为6.6，耐候性满足设计要求。由表3可看出，试验结果均满足表1的规定，钢板的抗拉强度、塑性均满足技术要求，－20℃冲击吸收能量均＞150J，低温冲击性能优良。厚度方向性能均满足GB/T 5313—2010《厚度方向性能钢板》中最高标准Z35级的要求，抗层状撕裂性能良好。

表2 Q345qDNH钢板化学成分及其他性能

表3 Q345qDNH钢板力学性能

4 钢板热加工工艺性能试验

（1）Q345qDNH钢板切割工艺性能试验 在钢桥制造过程中，对钢板需要进行切割下料和焊接变形火焰修整，为了检验Q345qDNH钢板切割面质量和火焰修整对钢板性能的影响，需要对钢板进行热加工工艺性能试验。

对板厚20mm、34mm和60mm的Q345qDNH钢板进行焰切面粗糙度检测，切割面光滑、齐整，切割面表面粗糙度值≤25μm。通过磁粉检测，切割面没有裂纹或其他危害性缺陷，钢板切割面硬度试验结果见表4。

表4 Q345qENH钢板切割面硬度

由表4可看出，Q345qDNH钢板火焰切割面最大硬度为311HV10，低于标准值350HV10，表明Q345qDNH钢板切割工艺性良好。

（2）Q345qDNH钢板热矫形工艺性能试验 针对板厚20mm、34mm、60mm的Q345qDNH钢板进行了热矫形工艺试验，加热方法为超能气＋氧气火焰加热，加热区的最高温度分别按700℃、800℃和900℃控制，测试了加热区的拉伸、弯曲、低温冲击力学性能，试验结果见表5。

由表5可看出，热矫形加热700℃、800℃后，Q345qDNH钢板的力学性能全部合格；热矫形加热900℃后，板厚20mm、34mm、50mm的Q345qDNH钢板冲击吸收能量不合格。因此，热轧变厚度Q345qDNH钢板的热矫形加热温度应不超过800℃。

表5 Q345qDNH钢板热矫形后的力学性能试验结果

5 钢板焊接性试验

（1）Q345qDNH钢板焊接热影响区最高硬度试验 对板厚20mm、34mm、60mm的Q345qDNH钢板分别进行焊接热影响区最高硬度试验，按照《焊接热影响区最高硬度试验方法》的规定进行，采用φ4mm的CHE507NHQ焊条焊接。焊接热影响区最高硬度结果如图4所示。

图4 Q345qDNH钢板焊接热影响区最高硬度曲线

由图4 可知，板厚2 0 m m、3 4 m m 和6 0 m m的Q345q D N H钢板焊接热影响区最高硬度分别为285H V10、290H V10、266H V10，远低于350HV10，说明钢板无焊接淬硬倾向，焊接性良好。

（2）Q345qDNH钢板斜Y形坡口焊接裂纹试验 对板厚34mm、60mm的Q345qDNH钢板分别进行斜Y形坡口焊接裂纹试验。采用气体保护焊方法焊接，焊接材料为φ1.2mm的CHT71NHQ药芯焊丝。对板厚34mm的钢板不预热，对板厚60mm的钢板100℃预热后进行试验，均没有产生裂纹，Q345qDNH钢板斜Y形坡口焊接裂纹试件如图5所示，焊接裂纹试验情况与焊接参数见表6。

表6 Q345qDNH钢板斜Y形坡口焊接裂纹试验情况与焊接参数

图5 斜Y形坡口焊接裂纹试件

由斜Y形坡口焊接裂纹试验结果可以确定，Q345qDNH钢板防止产生冷裂纹的预热温度（当环境温度≥5℃，环境湿度≤80%时）：板厚≤34mm时，不需要预热；板厚>34～60mm时，预热100℃。

6 焊接工艺评定试验

针对安徽林陇桥钢梁制造中Q345qDNH耐候钢焊接接头进行焊接工艺评定试验，典型接头（包括对接焊缝、全熔透角焊缝、坡口部分熔透角焊缝、T形接头角焊缝和圆柱头焊钉焊接）的焊接工艺评定试验项目见表7。

表7 典型接头焊接工艺评定试验项目

对焊缝进行外观检查，外观质量均符合Q/CR 9211—2015《铁路钢桥制造规范》的规定。焊缝焊接完成24h后，依据Q/CR 9211—2015进行无损检测，对接焊缝、全熔透角焊缝超声波检测I级合格，坡口部分熔透角焊缝、T形接头角焊缝超声波检测II级合格。

（续）

随后，针对Q345qDNH钢板焊接接头进行了力学性能试验，焊缝屈服强度、抗拉强度和焊缝金属伸长率不低于母材标准。对接接头弯曲180°，试样受拉面上的裂纹总长≤试样宽度的15%，且单个裂纹长度≤3mm。Q345qDNH钢对接焊缝和熔透角焊缝－20℃冲击吸收能量≥34J。接头硬度≤380HV10，均满足Q/CR 9211—2015的规定。经焊缝金属化学成分检测，得到耐大气腐蚀性指数I≥6.0，满足设计要求。典型接头宏观断面形貌如图6所示。针对Q345qDNH钢板焊接接头进行了锤击30°弯曲和接头拉伸试验，焊缝无裂纹，接头抗拉强度大于圆柱头焊钉母材，且在焊钉上断裂，满足Q/CR 9211—2015的规定。

图6 典型接头宏观断面形貌

7 钢结构焊接生产

根据焊接工艺评定试验结果，编制了安徽林陇桥钢梁Q345qDNH耐候钢焊接工艺，指导结合梁的焊接生产。根据安徽林陇桥的结构特点，将钢梁的焊接按工序分别在工厂和桥上进行，即：首先在工厂内进行主梁、横梁工字形杆件的焊接；然后在桥位吊装焊接主梁、横梁工字形杆件[1，2]。

（1）工厂焊接 在工厂车间内，将热轧变厚度Q345qDNH耐候钢板进行切割下料后，分别进行主梁、横梁杆件的组装和焊接。焊接方法主要采用埋弧焊和气体保护焊，主梁、横梁上盖板上的圆柱头焊钉采用螺柱焊。钢梁在工厂内的组装和焊接如图7所示。

图7 钢梁在工厂内的组装和焊接

（2）桥位拼装焊接 将工厂制作的主梁、横梁杆件运到桥位，进行杆件的吊装，然后进行主梁、横梁工字形杆件间的焊接，桥位节段间焊接方法全部采用气体保护焊。杆件吊装和桥上施工如图8所示。

图8 杆件吊装和桥上施工

8 钢结构锈层稳定化处理

安徽林陇桥采用耐候钢制造，钢梁免涂装使用，为了使钢梁表面快速形成均匀的锈层，需要对制造后的杆件进行锈层稳定化处理。该桥锈层稳定化处理采用了水处理法，即对杆件进行整体喷砂处理，要求清洁度达到Sa2级。对喷砂后的杆件进行洒水处理，每天在杆件上均匀洒水一次，架设前至少洒水30天，使杆件表面产生均匀的锈层。

9 制造费用

在安徽林陇桥钢结构中采用热轧变厚钢板，不用在钢板变厚处对接接料，省去了厚板铣斜坡、加工对接坡口、组装、焊接、修整、焊缝磨平和焊缝无损检测等工序。以一孔跨度35m的钢梁（两个工形）为例，因采用热轧变厚钢板减少工时和费用统计见表8。从表8可看出，节约工时费用1312.5元，节约焊接材料费用457.2元，节约无损检测费用322.5元，合计节约2092.2元。一孔钢梁盖板和腹板的钢板重量约42t，每吨杆件节约制造费约49.8元。

表8 接料工时和费用统计

10 结束语

1）热轧变厚度Q345qDNH耐候钢板化学成分和力学性能符合GB/T 714—2015的规定。C、S、P含量低，裂纹敏感系数较小，有益于提高钢板的焊接性，耐大气腐蚀指数I≥6.0；钢板的抗拉强度、塑性均满足技术要求，－20℃冲击吸收能量均＞150J，低温冲击性能优良。厚度方向性能均满足GB/T 5313—2010《厚度方向性能钢板》中最高标准Z35级的要求，抗层状撕裂性能良好

2）Q 3 4 5 q D N H 钢板的热矫形温度不超过800℃的力学性能合格，焊接热影响区最高硬度＜350HV10，Q345qDNH钢板的热加工性能和焊接性能优良。

3）选取安徽林陇桥典型焊缝进行了Q345qDNH钢板焊接工艺评定试验，结果满足设计要求。根据该桥结构特点，钢梁先后在工厂和桥上进行焊接。免涂装耐候钢梁表面采用了洒水的锈层稳定处理方法，既保证了较短时期内锈层的均匀稳定，又实现了绿色、节能、环保的目的。

4）采用热轧变厚度Q345qDNH耐候钢板，免除了钢板变厚处对接接料，每吨杆件节约制造费约49.8元。