Q500q高性能橋梁用鋼設(shè)計(jì)

1、1引言隨著時(shí)代的變遷，材料科學(xué)的發(fā)展，特別是鋼鐵材料的技術(shù)進(jìn)步成為了橋梁 工程發(fā)展的重要推動(dòng)力。隨著設(shè)計(jì)理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)和施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn) 代橋梁建設(shè)更加注重橋梁的功能性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也對(duì)建橋的鋼材提出 了高強(qiáng)、輕質(zhì)和多功能的要求。從世界各國(guó)的橋梁發(fā)展歷史可以看出，橋梁用鋼 基本上都經(jīng)歷了從低碳鋼-低合金鋼-高強(qiáng)度鋼-高性能鋼的發(fā)展歷程。近10多年 來，隨著鋼鐵冶煉工藝中控溫控軋過程控制技術(shù)(TMCP)和鋼的微合金化技術(shù)的 開發(fā)和應(yīng)用，使高性能鋼的生產(chǎn)成為可能。南京大勝關(guān)大橋使用了 Q345qD、 Q37OqE和Q42OqE(WNQ57O)三種鋼材，采用了混雜設(shè)計(jì)方法，其中 Q4

2、2OqE(WNQ57)的用于受力超過600噸的受壓桿件，這是該鋼種首次應(yīng)用于鐵路 橋梁建設(shè)。Q500q高性能橋梁用鋼目前尚在實(shí)際橋梁工程中大規(guī)模應(yīng)用。本文就 500MPa級(jí)高性能橋梁用鋼做出設(shè)計(jì)。2 Q500q高性能橋梁用鋼性能設(shè)計(jì)原則由于橋梁用鋼長(zhǎng)時(shí)間受到載荷，和大氣腐蝕、風(fēng)力和地震的考驗(yàn)，以及在架 設(shè)橋梁時(shí)的焊接。對(duì)Q500q橋梁用鋼性能應(yīng)有如下設(shè)計(jì)原則：材料強(qiáng)度高。在板材厚度在40mm-100mm的范圍內(nèi)，高性能鋼的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng) 度不降低。因?yàn)椴牧系母邚?qiáng)度而減少了鋼材的用量。例如采用高性能鋼可減少主 梁片數(shù)以減輕自重，可采用更矮的主梁以增加橋下凈空，可增加跨度以減少水中 橋墩的數(shù)量。良好的焊接

3、性能。材料的低碳當(dāng)量CEV和低焊接裂紋敏感系數(shù)Pcm可減 低熱影響區(qū)(HAZ)的硬度和防止冷脆，提高了焊縫的可靠性。同時(shí),這在很大程度 上消除了氫致開裂。在焊接工藝中焊接預(yù)熱是一個(gè)關(guān)鍵，例如在對(duì)常規(guī)的780MPa 級(jí)鋼焊接時(shí)，需要約120C以上的預(yù)熱溫度。降低或取消預(yù)熱，可以克服因預(yù)熱 帶來熱膨脹引起的構(gòu)件變形和高溫所帶來的工作荷載增加等各方面的問題。預(yù)熱 溫度的降低既減少了制造費(fèi)用，也改善了焊接質(zhì)量。減少焊道數(shù)量，節(jié)省焊接費(fèi) 用，降低焊接工作時(shí)間，同時(shí)也使整個(gè)橋梁的性能提高。在焊接中降低預(yù)熱溫度， 可以極大的改善了操作工人的工作環(huán)境。材料的高韌性，大大降低了在低溫條件下鋼橋發(fā)生脆斷和突然失效

4、的可 能性，而且，高韌性也意味著增大了對(duì)裂紋的容忍度，這就爭(zhēng)取到更多時(shí)間在橋 梁出現(xiàn)嚴(yán)重問題之前進(jìn)行檢測(cè)和修復(fù)。同時(shí)，我國(guó)是地震多發(fā)國(guó)，高韌性將有效 的減少地震所帶來的危害。（4）良好的耐大氣腐蝕性，開發(fā)高性能合金鋼在于節(jié)約地球現(xiàn)有的資源，所 以高性能橋梁鋼必須保證在未涂層的橋梁在大氣環(huán)境下能正常、長(zhǎng)期地發(fā)揮功 能，并節(jié)省整個(gè)服役期內(nèi)的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用。（5）經(jīng)濟(jì)性能較好。便于生產(chǎn)，價(jià)格較為便宜，能夠大規(guī)模用于我國(guó)橋梁建 設(shè)當(dāng)中。另外，借助混雜設(shè)計(jì)，可充分發(fā)揮高性能鋼的功能，避免其可能存在的不足， 同時(shí)也達(dá)到減輕自重、節(jié)省費(fèi)用的目的。高性能鋼是一種值得關(guān)注和了解的橋梁 新型用鋼，它在相當(dāng)程度上代表

5、著鋼橋用材的發(fā)展方向。3 Q500q高性能橋梁用鋼成分設(shè)計(jì)500MPa級(jí)的橋梁用鋼，其顯微組織為低碳貝氏體鋼，低碳貝氏體鋼在經(jīng)過 控制軋制和控制冷卻，直接得到低碳的貝氏體組織，與相同碳含量的鐵素體-珠 光體組織相比有更良好的塑性和韌性1。利用貝氏體相變強(qiáng)化，鋼的屈服強(qiáng)度可 達(dá)450-780MPa級(jí)。其化學(xué)成分一般為：WC=0.08% 0.15%，WMo=0.3% 0.6%， WmM.6% 1.8%，WB=0.001% 0.005%，Wv=0.04% 0.1。，WNb 妒0.01% 0.10%，并經(jīng)常含有WCr=0.4%0.7%。據(jù)此我對(duì)我所設(shè)計(jì)的Q500q高性能橋梁 用鋼化學(xué)成分如下表所示：Q

6、500q高性能橋梁用鋼化學(xué)成分表化學(xué)元素CMn Si S P Ni Nb V Ti Cu Cr B Al含量（）0.11.6 0.6 0.02 0.025 0.8 0.12 0.110.02 0.55 0.50.0040.015碳：在鋼中碳為主要元素，為了保證生成低碳貝氏體，提高鋼的焊接性能， 碳元素的含量不能太高，但是也不能低于0.08%。碳元素的存在可以使鋼產(chǎn)生固 溶強(qiáng)化和硬化增加淬透性2。錳：早在1968年修建南京長(zhǎng)江大橋，就采用16Mnq鋼。錳是低合金鋼重要的 合金化元素之一，并為無竦和少竦奧氏體鋼的主要奧氏體化元素。提高了鋼的淬 透性和耐磨性。同時(shí)Mn能夠與S生成MnS，可防止因Fe

7、S而導(dǎo)致的熱脆現(xiàn)象，降 低S元素的危害2-3。銘：增加了鋼的淬透性并有二次硬化的作用，同時(shí)銘元素的存在能提高鋼的 電極電位，增強(qiáng)鋼的耐氧化性介質(zhì)腐蝕的作用。過多促進(jìn)鐵素體形成，塑性和韌 性下降2-3。竦：提高鋼的淬透性（作用中等）。細(xì)化鐵素體品粒，在強(qiáng)度相同的條件下， 提高鋼的塑性和韌性，特別是低溫韌性。為主要的奧氏體形成元素并改善鋼的耐 蝕性。與銘、鉬聯(lián)合使用，提高鋼的熱強(qiáng)性合耐蝕性。鈮：部分元素進(jìn)入固溶體，固溶強(qiáng)化作用很強(qiáng)。固溶于奧氏體中，顯著提高 鋼的淬透性。但以碳化物微細(xì)粒形態(tài)存在時(shí)，細(xì)化品粒并降低了鋼的淬透性。提 高鋼的耐回火性，并有二次硬化的作用。微量的鈮可以在并不影響鋼的塑性和韌

8、 性的情況下，提高鋼的強(qiáng)度。由于細(xì)化品粒的作用，提高鋼的沖擊韌性冰降低其 韌-脆轉(zhuǎn)變溫度囹。釩：作為鋼中常用的添加元素，釩可固溶于奧氏體中提高鋼的淬透性。形成 釩的碳化物、氮化物以及碳氮化物釘扎于晶界，阻止奧氏體品粒長(zhǎng)大，產(chǎn)生細(xì)品 強(qiáng)化，提高鋼的強(qiáng)度的同時(shí)使鋼具有高的韌性。在鋼中添加銅元素和少量的磷元素的存在能夠提高橋梁鋼的耐大氣腐蝕，鈦 元素能夠起到細(xì)品強(qiáng)化作用，對(duì)鋼的焊接性能也有明顯的改善。鋁是重要的脫氧 劑，并有細(xì)化品粒的作用，但有促進(jìn)石墨化的傾向，所以一般在鋼中鋁的添加量 在0.015%0.025%。除了合金元素以外，可以向鋼中添加適量的稀土，稀土能降 低韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，在表面生成致密

9、的氧化膜，提高耐蝕性，同時(shí)生成復(fù)雜的硫 化物，降低了鋼中硫元素的危害。鋼中的合金元素能顯著推遲先共析鐵素體和珠 光體的轉(zhuǎn)變，在添加對(duì)貝氏體轉(zhuǎn)變推遲較少的鉬和硼的基礎(chǔ)上添加錳、銘、竦等 元素，進(jìn)一步推遲共析鐵素體和珠光體的轉(zhuǎn)變，并使乩點(diǎn)下降，更有利于獲得 下貝氏體組織。與上貝氏體相比下貝氏體有更高的強(qiáng)度和低得多的韌-脆轉(zhuǎn)變溫 度。3冶煉方法(1)工業(yè)煉鋼多采用轉(zhuǎn)爐冶煉，其過程主要包括用燃燒的方法去除掉生鐵中 過量的碳和硅以及錳和磷等雜質(zhì)。這些雜質(zhì)要么變成氣體冒出去，要么變成殘?jiān)?被清除掉。Q500q高性能橋梁用鋼中C、P、S的含量要求要盡量的低，因此， 轉(zhuǎn)爐冶煉十分重要?？刹捎庙?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐煉

10、鋼工藝，適當(dāng)增加吹氧量和吹氧 適度以及時(shí)間來脫碳；終渣堿度控制在3.0左右有利于脫磷、脫硫；加硅鋁鈣鋇 約1kg/t、復(fù)合脫氧劑約1.5kg/t脫氧；連鑄第1爐溫度較高約1600C，第2爐及 以后爐次約1570C。在合金化階段，加入合金化元素之后，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)控制溫度 和保溫時(shí)間。使合金元素充分融入鐵水中，提高鋼的綜合性能。(2)軋鋼，TMCP控溫控軋過程控制技術(shù)是一項(xiàng)生產(chǎn)高性能鋼材的重要關(guān) 鍵技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)是水冷裝置設(shè)在精軋機(jī)的后部，加熱溫度、軋制溫度、 軋制程序和軋制后的冷卻率均可按材料的特性要求加以控制。由于將常規(guī)的軋制 后自然冷卻改變?yōu)槭芸馗咚倮鋮s，在降溫速度較快時(shí)，鋼材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)得

11、到改善， 從而使鋼材在化學(xué)成分不變，保持了相同的碳當(dāng)量CEV和焊接裂紋敏感系數(shù)Pcm 的情況下，獲得了更高的強(qiáng)度。主要參數(shù)工藝有：選擇合適的加熱溫度；選擇適 當(dāng)?shù)能堉频来魏兔康赖膲很埩?；選擇合適的再結(jié)品區(qū)和無再結(jié)品區(qū)停留時(shí)間和溫 度；在鐵素體-鐵素體兩相區(qū)選擇適宜的總壓下量和軋制溫度；控制冷卻速度。4結(jié)語Q500q高性能橋梁用鋼是一種綜合優(yōu)化了材料力學(xué)性能，便于加工制造，可 用于低溫和腐蝕環(huán)境，同時(shí)是具備較高性價(jià)比的橋梁結(jié)構(gòu)用鋼。它不僅保持了較 高的強(qiáng)度，而且在材料的抗腐蝕和耐候性能、可焊性和抗脆斷性能等方面都比傳 統(tǒng)的鋼材有明顯的提高和改善。材料性能的改善不僅可以提高橋梁的結(jié)構(gòu)性能， 而且可以降低施工成本。Q500q高性能橋梁用鋼將充分發(fā)揮了高性能鋼的優(yōu)越性, 廣泛用于橋梁工程中，給社會(huì)帶來巨大的效益。參考文獻(xiàn)1崔忠圻，覃耀春.金屬學(xué)與熱處理M.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007. 文九巴.金屬材料學(xué)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.鳳儀.金屬材料學(xué)M.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.李靜,尚成嘉,賀信萊