哈大客运专线H型钢柱钢材的选用分析研究

王森林,王国梁

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

1 概述

根据国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》,严寒地区的定义为累年最冷月平均温度小于等于-10 ℃的地区,我国东北及华北的北纬40°30′以上地区均属于严寒地区。哈尔滨至大连客运专线地处我国东北地区,属于严寒地区的客运专线。对承重钢结构钢材的选用,按照新版《钢结构设计规范》(GB50017—2003)的规定,要求同时有7种考虑的因素,其中以应力状态、连接方法和工作温度3项最重要,所有因素都基于一个出发点,那就是要防止脆性破坏的发生,这对于钢结构来说是至关重要的。其工程所经地区的环境温度,在《钢结构设计规范》(GB50017—2003)中,是以结构工作温度为表征的。结构工作温度：按新版《钢结构设计规范》(GB50017—2003)的规定,是以该规范的最低日平均温度定义的,它比划分寒冷、严寒的温度标准还低,也就是说：一个地区的结构工作温度和该地区的所属温度区类型划分的标准依据,在数值上是不同的。对于大部分东北地区来讲,都属于严寒地区,因此可以按严寒地区来研究钢材的选用问题。

2 国内外应用情况

2.1 国内情况

由于我国大部分电气化铁路处于华北、华中以及南方地区,东北的电气化铁路较少,所以对于严寒地区高速电气化铁路H型钢柱的选材缺乏研究。

2.2 国外情况

就目前掌握情况,在日本的新干线上钢腕臂的选材等同于国内的Q345钢。

3 钢材选用原则及依据

3.1 常用的Q235和Q345钢材的化学成分及力学性能

现行国家标准《碳素结构钢》(GB/T700—2006)和《低合金高强度结构钢》(GB/T1591—94)中对Q235和Q345钢材的化学成分及力学性能要求见表1～表4。

表1 Q235钢材的化学成分 %

表2 Q345钢材的化学成分 %

从表1～表4中可以看出,同一牌号的钢,其等级的不同,主要体现在主要化学成分如碳、硫、磷的含量,以及冲击韧性试验合格保证的温度这两方面。等级越高,碳、硫、磷的含量越少,冲击韧性试验合格保证的温度也越低,表明钢材的韧性越好。

3.2 钢材选用的规定

能够导致钢材脆性破坏或与之有关的的因素总共有：结构的重要性、荷载特征、结构形式和连接方法、应力状态、工作温度、钢材厚度和工作环境等7项,其中应力状态、连接方法和工作温度是钢材选用主要考虑的因素。因此了解了各因素对防止脆性破坏发生所起的作用,也就可以掌握钢材选用的原则。

3.2.1 结构的重要性

脆性破坏是一种先兆不明显、带有突然性质的破坏,建筑结构按自身破坏可能产生后果的严重性,分为重要的、一般的、次要的3种,其对应的安全等级为一、二、三级,安全等级高的建筑应选用较好的钢材,一般的建筑,可选用普通钢材。对电气化铁路H型钢柱来讲,没有备用可算一级的重要建筑。

表3 Q235钢材的力学性能

表4 Q296、Q345、Q390钢材的力学性能

3.2.2 结构形式和连接方法

钢结构的形式主要是以连接方式来划分,只有焊接和非焊接,对焊接结构,在焊接时的不均匀加热和冷却常使构件内产生很大的焊接残余应力,焊接构造及难以避免的缺陷又常使结构存在潜在的裂纹损伤,而焊接结构的整体刚性及连续性好的固有特点,又恰好易使这些缺陷和裂纹相互扩展贯通；而碳、硫、磷等有害元素的含量都对结构的焊接性能有影响,硫磷的偏析均较严重,硫能在焊接高温下(800～1 000 ℃)出现热脆裂纹,磷偏析形成的富磷区促使钢材冷脆,因此所有承重结构对硫磷的含量均应有合格保证。而碳的含量,是决定焊接性能的最主要因素,因此焊接结构用钢材的质量要求要高于同样条件的非焊接结构,而且一定要保证碳含量,因此在主要焊接结构中不能使用Q235—A级钢。电气化铁路H型钢柱结构钢材都要选用焊接性能较好的钢材。

3.2.3 钢材厚度

厚钢材辊轧次数少,压缩比小,组织欠密,所以与薄钢材相比,不仅强度较低,而且塑性、冲击韧性和焊接性能也较差,因此厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。

3.2.4 荷载特征

直接承受动力荷载的结构应选用综合性能(主要指塑性和韧性)较好的钢材；直接承受动力荷载特别是荷载重复作用频繁需要疲劳验算的结构,容易引起疲劳脆性破坏,要求使用综合性能更高的钢材,不使用Q235沸腾钢；承受静力荷载或间接承受动力荷载的结构就可采用一般质量的钢材。电气化铁路H型钢柱结构受列车通过时的空气动力作用、大风天气的风荷载作用以及弓网之间振动带来动力荷载作用。是否要对钢结构进行疲劳验算,以及在钢材选用时提出更高的要求,主要是看荷载对结构产生的作用,以及所产生的破坏形态。电气化铁路H型钢柱结构属于直接承受动力荷载或振动荷载,但是现阶段没有理论或试验数据支持是否属于需要验算疲劳(判断标准是应力变化的循环次数≥5×104)的结构,就目前判断应适当考虑疲劳因素。

3.2.5 结构的工作温度

钢材的塑性和韧性都随温度的降低而下降,在低温尤其是脆性温度转换区时韧性急剧降低,容易发生脆性断裂,因此对处于较低负温下工作的结构、特别是焊接结构,应选用质量较好和脆性转变温度低于结构工作温度的钢材。由于Q235—A和Q235—B沸腾钢,在浇筑前,以较便宜的锰铁作为脱氧剂,来脱去能使钢的热加工性能变差的氧化物,但脱氧不充分,仍有较高的含氧量,浇铸时冷却速度快,气泡较多,内部组织不致密,氮是以固溶氮的形式存在,硫磷的偏析大,冲击韧性低,冷脆性和时效性也大,在低温及在动力荷载作用下易发生脆断,故对低温环境和直接承受动力荷载的结构限制使用Q235沸腾钢。

3.2.6 应力特征

这是指受力构件截面上的应力性质,由于脆断主要发生在受拉区,而且危险性较大,所以对受拉、受弯结构和构件应选用质量较好的钢材。

3.2.7 环境条件

露天环境下结构的钢材易产生时效,在有害介质作用下钢材易锈蚀,如有一定大小的拉应力存在,那将产生应力腐蚀现象,经过一定时间会产生延迟脆断,因此环境条件恶劣的结构要选用质量教好的钢材。

3.3 推荐严寒地区钢材使用原则

推荐的严寒地区钢材使用原则,基于对处于严寒地区并保证列车高速运行电气化铁路H型钢柱,为防止钢材发生脆性破坏的考虑,并充分认识哈尔滨至大连客运专线工程及H型钢柱的重要性,以重要的焊接和非焊接结构对待,合理地提出并在个别条件下适度提高了钢材选用标准,这是近年来的大量工程实践所遵循的,并且根据实验室的数据分析如图1所示,Q345B级钢冲击功吸收要优于Q235B级钢。

图1 Q235B冲击功平均值随温度变化趋势

在国家电网系统内的送电线路工程杆塔用钢材,自2006年初开始已经全部统一采用Q235B和Q345B级钢,这反映了电力行业内对钢材使用的重视。所以在电气化铁路中也应提高对钢材使用的重视程度。冲击功平均值随温度变化趋势如图1、图2所示。

图2 Q345B冲击功平均值随温度变化趋势

4 结论

哈大铁路客运专线是我国“中长期铁路网规划”北京—沈阳—哈尔滨(大连)客运专线的组成部分,是东北铁路网的脊梁,在全国路网的地位和作用十分重要。由于哈大客运专线地处我国东北严寒地区,平均最低气温为-40 ℃,但是实际冬季最低气温可能要低于-40 ℃,哈大客运专线是我国第一条高寒地区电气化高速铁路。为适应特殊环境要求,哈大客运专线接触网所选用的设备必须经得起低温考验,特别是H型钢柱,设计等级均按50年以上考虑,所以其在低温下断裂性能的研究尤为重要。目前我国常用钢材Q235的强度不高、韧性和塑性也比较差,容易产生裂纹并引起扩展,尤其是在低温下更容易发生,建议选用含锰钢及Q345低合金钢,其强度高,杂质少,磷的含量比Q235低,产生的低温脆性断裂的几率小。

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