滨北桥钢板及焊接接头质量标准研究

刘桂红

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

滨北桥钢板及焊接接头质量标准研究

刘桂红

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

滨北线松花江公铁两用钢桁梁桥处严寒地区哈尔滨，设计最低温度为-43.1 ℃时，桥梁用结构钢Q370qE、Q420qE的各项力学性能指标在规范中没有规定，因此有必要开展钢板及焊接接头质量标准研究。根据断裂力学原理，以防断裂设计即结构材料所具有的断裂抗力Kc必须高于结构物所要求的最高断裂驱动力KI(KC≥KI)为理论依据，通过试验数据确定采用Q370qE、Q420qE高强度结构钢作为滨北桥的结构用钢，得出钢板焊缝的强度、韧性以及钢板的断裂抗力、焊缝冲击功等指标的设计限值及板厚与温度的变化关系，为确保滨北桥钢板及焊接接头技术指标的要求，提出焊缝的韧性与钢材强度的韧性相匹配原则。

公铁两用桥；桥梁用结构钢；焊接接头；断裂抗力；质量标准

1 工程概述

滨北线松花江公铁两用桥是既有松花江公铁两用桥的改建工程，位于哈尔滨市松花江畔，既有桥是中国最早的公铁两用过江钢桁梁桥，1933年日本制造，下层铁路单线，上层公路两车道，因公路交通量和超载车辆不断增加，公路桥面于2006年全面实行封闭。经专家评估论证，既有桥因修建较早，其设计荷载、桥梁限界、通航净空等标准等级较低，难以满足现有交通运输的需求，且钢梁和混凝土结构已出现严重老化，使用寿命2016年到期。滨北桥是滨北线铁路运输的瓶颈，新建的滨北公铁两用桥在既有桥下游50 m桥位处，正桥钢梁布置：2-96 m简支钢桁梁+(96+2×144+96) m连续钢桁梁+6-96 m简支钢桁梁，钢梁总长1 267.7 m。主要技术标准如下。

(1)铁路

铁路等级：Ⅰ级；

设计活载：中-活载；

正线数目：双线，线间距5.0 m；

设计速度：旅客列车速度≤160 km/h；

货车列车速度≤120 km/h；

轨道类型：有砟轨道。

1.2 公路

道路等级：城市快速路；

车道数目：双向六车道；

设计速度： 60 km/h；

桥面横坡：双向2%；

公司电池片环节设备全球领先：PERC较传统电池主要添加的工艺设备为PECVD，公司的核心产品为PECVD设备和扩散炉，产线配套能力行业领先，2017年公司在光伏电池环节制造设备生产商中排名第一。

公路桥梁主桥总宽30 m。

2 主桥结构

主桥桁式：均采用带竖杆的三角形桁式(图1)，两片主桁间距14 m，桁高14 m，节间长度12 m，连续梁在144 m孔跨的中墩及次边墩处设高度为10 m加劲弦，其余均为平行弦桁架，上层公路桥面总宽30 m。主桁采用整体节点，铁路桥面、公路桥面均采用正交异性钢桥面，主桥横断面见图2。

图1 正桥钢梁布置(单位：m)

3 钢板及焊缝质量理论

滨北桥桥址处年平均气温3.5 ℃，极端最高36.4 ℃，极端最低-38.1 ℃，借鉴英国桥梁规范(BS 5400-3)，设计最低温度U(C)=Ue-5，(其中Ue=-38.1 ℃)，滨北桥的设计最低温度为-43.1 ℃。

地处严寒地区滨北桥为栓焊结合构造，最大跨度144 m，承受荷载大，连续梁加劲弦处杆力较大，为使结构的构造与全桥的协调统一，加劲弦处杆件采用了强度较高的Q420qE钢板，平弦主桁杆件和桥面系等均采用Q370qE，钢梁主结构采用Q370qE、Q420qE。

设计最低温度为-43.1 ℃时，桥梁用结构钢Q370qE、Q420qE的各项力学性能指标在规范中没有规定，制定钢板及焊接接头质量标准是本桥研究的重点和难点之一。

国外严寒地区同类型桥梁有关数据见表1。

借鉴英国 “BS5400-3”、美国桥梁规范防断裂理论原理，结合我国已积累的实践经验，应用断裂力学原理以防断裂设计为理论依据，即结构材料所具有的断裂抗力Kc必须高于结构物所要求的最高断裂驱动力KI(Kc≥KI)。

图2 主桥横断面(单位：m)

桥名主跨/m桥梁形式设计荷载建成年代日本明石海峡大桥1991钢桁悬索桥公路六车道1998日本下津井、南北备赞濑户大桥940、1100钢桁悬索桥公路四车道,铁路双线1998丹麦厄勒海峡大桥490钢桁斜拉桥公路四车道,铁路双线2000日本柜石岛、岩黑岛桥420钢桁斜拉桥公路四车道,铁路双线1988澳大利亚悉尼港桥503单孔钢桁拱铁路1932加拿大魁北克大桥548.6钢桁梁桥公路两车道,铁路双线1917日本港大桥510钢桁梁桥公路1974日本与岛桥(Yoshima)245钢桁梁桥公铁两用1988美国皇后大桥(Queensboro)360钢桁梁桥公铁两用1909

(1)材料所具有的断裂抗力Kc

(2)结构断裂驱动力

式中,y为结构因子构件细节分类；σ为构件的工作应力；半长ac为裂纹长度。

构件的细节及应力状态在结构设计时已充分考虑，裂纹也是影响结构断裂驱动力KI的一个重要指标，虽然采用了无损检测的措施，裂纹的存在是不可避免的，如母材上的裂纹、焊接中的工艺裂纹、使用期间的疲劳及腐蚀裂纹等，当存在着初始缺陷的钢梁及其焊缝处于应力状态，构件的韧性必须足以保证桥梁在有效使用年限内在有一定缺陷或裂纹存在的情况下不发生脆性断裂，冲击韧性是关系到桥梁安全的关键。

4 钢板及焊接质量标准

本桥采用板桁结构整体节点，因此焊接接头类型多，焊接工作量大，焊接变形大，焊接的质量与杆件的组装精度是控制工程质量的关键点。在超低温环境下，对滨北桥钢板及各种接头形式的焊接工艺进行试验，其结果如下。

在-43 ℃的温度下，滨北桥钢板的各项力学性能试验结果见表2；焊缝金属强度见表3；焊缝金属伸长率见表4；接头低温冲击值见表5。

综上所述：在超低温环境下钢板及焊接质量技术标准满足：

(1)纵、横对接焊缝金属屈服强度(Rel)和抗拉强度(Rm)不低于母材标准值；

(2)焊缝金属屈服强度(Rel)不低于母材标准或实际值，且不超过母材实际值的100MPa；

(3)焊缝金属屈服强度(Rel)超强时，则屈强比应

表2 钢板试验的力学性能

小于0.85(或基材实际值)；

(4)焊缝韧性。纵、横对接接头三区(焊缝、熔合线、热影响区)-43 ℃的却贝冲击功Q370qE不低于41 J，Q420qE不低于47 J。

结果表明：焊缝的韧性与钢材强度的韧性相匹配。

表3 焊缝金属强度 MPa

表4 焊缝金属伸长率

表5 接头低温冲击值

5 结语

在超低温环境下，对于栓焊结合的滨北公铁两用桥，制定合理的钢板及焊接接头力学质量标准是关系到桥梁安全及钢梁构件制造合格率的关键，本桥应用断裂力学原理以防断裂设计为理论依据结合国内外规范，根据钢板焊缝的强度、韧性以及钢板的断裂抗力、焊缝冲击功、板厚和温度的变化关系，确保滨北桥钢板及其焊接接头的质量，试验证明：焊缝的韧性与钢材强度的韧性相匹配，避免造成结构的薄弱环节，为今后严寒地区的钢桥建设积累经验。

[1] 中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社，2005．

[2] 中华人民共和国铁道部.TB 10002.2—2005铁路桥梁钢结构设计规范[M].北京：中国铁道出版社，2005．

[3] 中华人民共和国铁道部.TBJ 24—99铁路结合梁设计规范[S].北京：中国铁道出版社，1999．

[4] [日]小西一郞.钢桥[M].北京:人民铁道出版社，1980．

[5] 西南交通大学.铁路钢桥. [M].北京:人民铁道出版社，1978．

[6] 赵庭衡.桥梁钢结构细节设计[M].成都：西南交通大学出版社，2011.

[7] 吴冲.现代钢桥[M].北京：人民交通出版社，2006．

[8] 中铁第五勘察设计院集团有限公司.滨北线松花江公铁两用桥施工图[Z].北京：中铁第五勘察设计院集团有限公司，2013．

[9] 中铁第五勘察设计院集团有限公司，中铁山桥集团有限公司，滨北线松花江公铁两用桥—钢梁制造规则[Z].2014．

[10]中铁第五勘察设计院集团有限公司，中铁山桥集团有限公司.滨北线松花江公铁两用桥—焊接工艺评定报告[R].北京：中铁第五勘察设计院集团有限公司，2014．

[11]冯沛，李凤芹.铁路钢桁梁桥计算中几个问题探讨[J].铁道标准设计，2013(3):53-56．

Quality Standard for Steel Plate and Welded Joints of Bin-Bei Bridge

LIU Gui-hong

(China Railway The Fifth Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Beijing 102600， China)

Songhua River Bridge on Harbin-Beijing line is a combined bridge located in Harbin. The minimum tolerant temperature of the bridge is -43.1 ℃. As the mechanical performances of the high-tensile structural steel (Q370qE and Q420qE) applied to the major structure of the bridge have not been specified in relevant specifications， it is necessary to conduct researches on the standard for the steel plate and welded joint. Based on fracture mechanics theory， the break tolerance of steel (KC) must be greater than the maximum break driving forceKI(KC≥KI). The test results show that Q370qE and Q420qE are suitable for Songhua River Bridge. The welding strength of steel， the impact toughness of steel， the relationship between the thickness of steel and the temperature area obtained. Moreover， the principle that governs the toughness of weld joint to match the toughness of steel is introduced．

Road and rail bridge; Structural steel for bridge; Welded joints; Break resistance; Quality standard

2014-09-28；

2014-10-20

刘桂红(1963—)，女，高级工程师，E-mail：liuguihong63@163.com。

1004-2954(2015)07-0108-04

U448.36

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.07.024