沪通长江大桥Q500qE钢的适用性研究
闫志刚;赵欣欣;徐向军
【摘 要】To meet the construction requirements of Hutong Yangtze River Bridge,the highway-railway cable-stayed bridge with the longest span in the world,the tension,low temperature toughness and antibreaking of QS00qE steel,the processing technology of cutting,welding and heat correcting of distortion,as well as structural safety reserve,fatigue resistance and the stability reduction factor of compression bar were studied from three aspects,including the basic properties of base metal,the manufacturing performance and design parameters.Results show that QS00qE steel has good plasticity and high yield strength.QS00qE steel plate with the thickness of 16 mm and 32 mm has good anti-breaking capacity from 11 to-50 ℃ ambient temperature.The low-temperature fracture resistance of 44 mm and 60 mm thick QS00qE steel plate decreases when the temperature is below-40 ℃.QS00qE steel has good performance of flame cuttingand welding process.Both the apparent and internal quality of butt weld,penetration fillet weld,angle fillet
weld and T-shape fillet weld can meet quality requirements.The welding orthopedic temperature of Q500qE steel should not exceed 750 ℃,and the security reserve is equivalent to common steel when the yield strength ratio is less than 0.86.The fatigue design of Q500qE steel structure can use the design index of fatigue resistance in existing codes.The stability reduction factor of QS00qE steel compression bar is recommended based on the research ideas of relevant specifications of various countries and finite element calculation results.%为满足世界上跨度最大的公铁两用斜拉桥——沪通长江大桥的建造要求,从母材基本性能、工厂制造性能和设计参数3个方面研究Q500qE钢的拉伸、低温韧性和防断性能,切割、焊接和热矫形加工性能,以及结构安全储备、疲劳抗力和压杆稳定折减系数.结果表明:Q500qE钢在具有高屈服强度的同时还具有良好的塑性;16和32 mm厚的Q500qE钢板在11～-50℃的环境温度下具有良好的防断能力,44和60 mm厚的Q500qE钢板在低于-40℃时低温防断性能有所降低;Q500qE钢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能达到质量要求;Q500qE钢的焊接矫形温度不应超过750℃,而且在屈强比不大于0.86时具有与普通钢材相当的安全储备;Q500qE钢结构的疲劳设计可采用现有规范中的疲劳抗力设计指标.基于各国相关规范的研究思路和有限元计算结果给出了Q500qE钢压杆稳定折减系数的推荐值.
【期刊名称】《中国铁道科学》
【年(卷),期】武汉天兴洲长江大桥2017(038)003
【总页数】7页(P40-46)
【关键词】公铁两用钢桥;Q500qE钢;防断性能;焊接性能;热矫性能;疲劳抗力;稳定折减系数
【作 者】闫志刚;赵欣欣;徐向军
【作者单位】中国铁路总公司工程管理中心,北京100038;中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京 100081;中铁山桥集团有限公司,河北秦皇岛 066200
【正文语种】中 文
【中图分类】U448.121;U448.36
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1 Q345qD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
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