Q500qE高强钢压杆稳定研究

Q500qE高强钢目前已经在一些大跨度钢桥中被采用,然而我国钢桥设计规范中并未给出关于Q500qE高强钢压杆稳定的设计要求。我国现行TB 10002.2—2005《铁路桥梁钢结构设计规范》中受压杆件设计是按容许应力法,考虑长细比、钢材级别、截面类型、残余应力等因素的影响以稳定系数进行承载力折减。基于这些影响因素,对Q500q E高强钢的稳定进行了系统的数值研究,并与各国规范进行了对比。

Q500qE高性能桥梁钢防断性能试验研究

为研究Q500qE高性能桥梁钢的断裂抗力随温度的变化规律,针对5种不同厚度规格(16,32,44,50,60mm)的Q500qE高性能桥梁钢母材和焊接接头,进行常温和低温环境条件下的深缺口宽板拉伸试验。试验结果表明:随着强度的提升以及细化晶粒,板厚32 mm以下的Q500qE高性能桥梁钢母材的断裂韧度Kc值总体上高于Q370qE和Q345qD桥梁钢,也比Q500qE高性能桥梁钢焊接接头高;在试验温度低于-40℃后,板厚44mm以上的Q500qE高性能桥梁钢母材的Kc指标有所下降;与Q370qE和Q345qD桥梁钢焊缝相比,Q500qE高性能桥梁钢焊接接头的Kc没有明显的提高;需要进一步研发提高Q500qE高性能桥梁钢厚板以及焊接接头防断性能的措施。

Q500qE高性能桥梁钢断裂韧性CTOD试验研究

针对不同厚度规格的Q500q E高性能桥梁钢母材和焊接接头,在不同温度条件下进行了断裂韧性CTOD试验,旨在系统研究Q500q E高性能桥梁钢母材及其焊接接头的断裂抗力随温度的变化规律。试验结果表明:随着温度的降低,32和44 mm板厚Q500q E母材的断裂韧性变化不大,但60 mm板厚Q500q E母材的断裂韧性在温度降至-40℃以下后,有较大幅度的降低;各种板厚的Q500q E焊缝的断裂韧性都比母材低;随着温度的下降,Q500q E焊缝的断裂韧性大幅降低,特别是44和60 mm板厚Q500q E焊缝。说明Q500q E焊缝的抗断性能,尤其是低温抗断性能比母材要差很多。评定结果表明:除60 mm板厚Q500q E母材-50℃时的CTOD值外,其它各种板厚Q500q E母材的CTOD值均在失效评定曲线FAD图的可接受区域内,其断裂韧性值是合格的;32,44,60 mm板厚的Q500q E焊缝,仅有常温及32 mm板厚在-20℃的断裂韧性是合格的,与母材相比,Q500q E焊缝的低温抗断性能较差。所以,对于Q500q E高性能桥梁钢需要进一步加强对焊缝性能的改善研究。

沪通长江大桥Q500qE钢的适用性研究

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32mm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。

Q500qE钢冲击功不合格原因分析与改进措施

对Q500q E钢-40℃低温冲击功不合格的产品进行了分析。结果表明,低温冲击功不合格的原因是钢板的心部存在偏析、钢坯在炉加热时间长、钢板终轧温度高、冷却速度大、终冷温度低等。通过改善钢坯质量、严格控制在炉时间、降低钢板终轧温度、控制冷却方式,改善了Q500q E钢的低温冲击功,显著提高了产品的合格率。

热轧后的冷却方式对Q500qE桥梁钢板屈强比的影响

屈强比是桥梁用钢的重要性能指标。研究了热轧后的冷却方式,包括普通的连续冷却、延迟冷却和分段冷却,对16 mm厚桥梁用Q500qE钢板屈强比的影响。结果表明:热轧后连续冷却的钢板组织为单一的贝氏体,强度较高,屈强比偏高;分段冷却,即热轧后水冷至670~740℃,以避免晶粒长大,再以1~3℃/s的冷速空冷至600~680℃,以获得部分铁素体,最后以大于15℃/s的冷速水冷至350℃以下,使剩余奥氏体完全转变为贝氏体,钢板的组织为铁素体+贝氏体双相,屈强比较低,符合要求。

沪通长江大桥天生港专用航道桥Q500qE钢焊接工艺试验研究

Q500qE高强度桥梁钢具有高强度、高韧性的优异性能,可减小桥梁结构截面、自重,增大跨径及承载力,但Q500qE钢的焊接工艺研究目前尚属空白。鉴于此,以沪通长江大桥天生港专用航道桥为背景,对Q500qE钢进行了焊接性试验、焊接材料选配试验和焊接工艺评定试验,研究适用于Q500qE钢的焊接方法、焊接材料和焊接工艺参数等焊接工艺。试验结果表明,超低碳贝氏体组织的Q500qE钢冷裂敏感度低,可焊性良好;根据Q500qE钢不同焊接接头形式,确定的焊接方法及强韧性匹配焊接材料可行;焊接试件的各项检测指标均能满足标准要求;通过试验确定的焊接工艺参数正确,工艺措施得当。Q500qE钢焊接工艺研究结果已用于指导该桥Q500qE高强度桥梁钢的焊接。

Q500qE桥梁钢焊接接头的低温断裂韧性

实验室试制了60 mm厚TMCP型Q500qE桥梁钢厚板;使用自动埋弧焊机对试验钢板进行双面多层多道次对接焊试验。采用裂纹尖端张开位移(CTOD)测试技术和显微组织分析,对母材、焊缝金属和热影响区(HAZ)进行了低温(20、-10、-40℃)断裂韧性测试研究,利用扫描电镜对各部位的CTOD试验断口特征进行了分析,进而比较了母材、焊缝金属和热影响区不同区域金属低温断裂韧性。结果表明:随着试验温度的降低,焊接接头不同部位的断裂韧性CTOD特征值明显降低,F-V曲线逐渐缩短,试样的裂纹稳定扩展区变窄,断裂时的塑性变形不断减小直至消失,两侧剪切区也越来越不明显,焊接接头的韧性降低。在同一试验温度下,母材试样的裂纹稳定扩展区较宽,纤维断裂区较明显,裂纹扩展缓慢;热影响区试样的裂纹稳定扩展区最窄,断口平整,纤维区不明显,主要为脆断区。焊接过程的大输入量热循环使得焊接热影响区中原奥氏体晶粒尺寸增大,从而恶化了热影响区的低温韧性。

低屈强比高韧性Q500qE钢的生产工艺研究

基于低碳+Nb、V、Ti微合金化,研究添加少量Cr、Ni的Q500qE钢在不同控轧控冷工艺下的显微组织,以及不同显微组织对屈强比的影响。结果表明:在725℃开冷,以15℃/s终冷到500℃,钢中生成先共析铁素体、针状铁素体、板条贝氏体多相组织,具有较低的屈强比。

Q500qE桥梁用钢板探伤不合格原因分析

通过低倍检查、金相显微镜、扫描电镜以及能谱仪等检测手段,对钢板拉伸断口形貌、夹杂物及显微组织进行观察和分析,研究济钢生产Q500q E钢板探伤不合格的原因。分析发现:钢板厚度中心区域珠光体带存在着硫化物、微量元素偏聚及贝氏体组织,在热应力、组织应力和有害元素偏聚的共同作用下,诱发内部微裂纹,从而导致Q500q E钢板探伤不合格。

新型高性能桥梁钢Q500qE用埋弧焊丝的研制

为了适应我国桥梁建设向高性能方向的发展,以及桥梁结构焊接中埋弧焊的使用情况,本文根据高强钢成分和焊接接头工作条件,研制出了适用于高性能桥梁钢Q500q E专用埋弧焊焊丝。研究结果表明,新研制的XY-H65Q焊丝选用铬镍钼的合金体系,焊丝与XY-AF105Q焊剂配套使用后,焊缝成形美观,脱渣性能优异,焊渣自动脱落,焊道光滑平整,具有优异的操作工艺性能;常规及极限线能量下的熔敷金属力学性能均符合技术要求,其R_m≥650 MPa,R_(p0.2)≥500 MPa,A_(KV)≥60 J(-40℃);其熔敷金属扩散氢含量均在3.4 mL/100 g以下;其脆性转变温度为-60℃以下;在热输入为28.8~35.0 kJ/cm条件下,焊缝强度、韧性等性能稳定。从熔敷金属焊缝组织看,其组织比较细小,主要为针状铁素体,约占85%以上,具有良好的力学性能。

60 mm厚低屈强比高强钢板Q500qE组织与性能研究

通过JMatpro软件、扫描电镜、力学性能测试,对Q500qE 60 mm厚度500 MPa级低屈强比高强钢板进行了连续冷却转变(CCT)曲线、钢板显微组织与力学性能、焊接接头力学性能分析。结果表明,通过控轧控冷工艺:终轧温度800~840℃,入水温度660~680℃和终冷温度400~450℃,该钢组织为铁素体+贝氏体+马氏体/奥氏体岛,两相交界处和贝氏体内部存在大量大角度晶界。钢板1/4和1/2厚度位置屈服强度≥500 MPa,抗拉强度≥640 MPa,屈强比≤0.80,-40℃低温冲击功≥200 J,焊接热影响区-40℃低温冲击功≥100 J。

Q500qE高强钢压杆稳定试验研究

越来越多的大跨度桥梁中采用Q500MPa强度级别钢,随着钢材强度的提高,杆件截面面积减小,压杆稳定问题愈发突出,然而TB 10002.2—2005《铁路桥梁钢结构设计规范》中并未给出Q500qE高强钢压杆稳定设计参数。本文设计了工字形和箱形截面压杆杆件,开展Q500qE高强钢压杆稳定试验,并将试验结果与各国通用钢结构压杆稳定设计规范计算值进行对比,提出了Q500qE高强钢压杆的稳定折减系数。

高性能桥梁钢典型焊接接头疲劳性能试验研究

针对Q500q E高性能钢两种典型焊接接头,包括对接焊缝和横向角接焊缝,设计疲劳试件。其中对接焊试件包括两种形式,分别为板厚56mm和8mm的对接焊试件;横向角接焊缝试件的主板厚56mm、附连件厚20mm。对三组试件进行了有限元分析,掌握了试件的应力分布状况及薄弱环节,验证了试件设计的合理性。随后针对三组试件展开了疲劳试验,掌握了不同类型焊接接头的破坏位置及破坏形式。根据试验结果拟合出了三组试件的S-N曲线,并与普通钢的疲劳性能进行比较,表明Q500q E高性能钢的这两种典型焊接接头的疲劳强度略高于普通钢。采用目前规范规定的疲劳强度容许值进行抗疲劳设计是合理可行的,并且具有足够的安全余量。

外伸翼缘加劲钢箱形压弯构件屈曲特性试验

为了研究Q500qE高性能钢外伸翼缘薄壁加劲箱形压弯构件的稳定特性,开展3个Q500qE和1个Q345B的构件模型试验,分析试验构件的荷载-位移曲线、整体和局部屈曲形态.整体屈曲试验结果表明,采用Q500qE高性能钢和设置外伸翼缘可以有效提高薄壁箱形压弯构件极限承载力且能够改善构件整体稳定特性.局部屈曲试验表明,外伸翼缘宽厚比对平面外局部屈曲半波数和局部变位影响较大,故需要根据现有规范中的宽厚比限值要求限制外伸翼缘板局部屈曲.对于构件的极限承载力和屈曲形态,试验结果与弹塑性数值分析结果吻合较好.分别采用允许应力法和极限状态法对Q500qE构件进行稳定验算,与试验结果进行比较,表明现有规范中的相关验算公式适用于验算此类压弯构件.

沪通公铁两用长江大桥两节段整体钢桁梁造价研究

沪通公铁两用长江大桥首次采用的两节段整体钢桁梁具有材质新、吊重大、吊高高、架设周期长的技术特点。这种创新的结构形式给设计施工都带来了一定的困难,尤其对于工程概算,现行定额中根本没有此类结构的相关定额,因此,设计阶段的工程造价计算方法研究成为概算工作的重点。设计阶段结合钢桁梁的设计、施工组织方案,本着"抓大放小"的原则,重点对Q500q E钢梁制造、整体运输和架设中需要采用的2000t架梁吊机、3200t浮吊、墩旁托架等造价影响关键因素进行调查、分析和计算,综合确定了两节段整体钢桁梁的制造安装工程造价。同时特别考虑到两节段整体钢桁梁的拼装需要,临时工程费中计算了两节段整体钢桁梁拼装场的费用。本文为设计阶段计算现行定额尚未涵盖工法的造价提供了思路和方法,可为类似技术复杂桥梁工程造价计算提供参考。

沪通长江大桥科技创新管理

沪通长江大桥是世界首座主跨超过1 km的公铁两用斜拉桥,其建造和运维面临众多技术挑战,需开展多项科研攻关。保证科研立项精准、科研成果可靠实用是大桥科技管理工作的核心目标。本文首先介绍了沪通长江大桥概况和技术难点,其次对专题科研内容、管理措施和取得成效进行了总结,并介绍了为解决现场施工难题开展的进一步研究工作。从科研管理角度,提出"调研-研究(试验)-专家评审"的管理思路和"阶段总结-专家评审-优化调整"的过程管理方法。为及时固化大桥建设成果,提出工程、技术总结与大桥建设同步的理念。最后对大桥科研及管理、施工工艺等给出了一些总结性建议。

冷却工艺对Q500qE桥梁钢组织与性能的影响

以高强度桥梁钢Q500qE为对象,研究不同冷却工艺对其组织和性能的影响规律。研究表明,低速冷却(5℃/s)工艺所得组织以粒状贝氏体为主,M/A岛尺寸粗大,虽然屈强比较低,但强度偏低,韧性较差;高速冷却(25℃/s)工艺所得组织以板条贝氏体为主,M/A岛呈球状或棒状,强度和韧性均得到较大提升,但屈强比偏高;分段冷却(20℃/s+空冷+20℃/s)工艺所得组织为多边形铁素体+板条贝氏体+粒状贝氏体的复合组织,M/A岛细小弥散,屈强比最低,韧性最高,综合性能最佳。

Q500qE桥梁钢高周疲劳性能研究

通过高周疲劳试验对Q500qE桥梁钢的疲劳极限进行了研究，并绘制了S-N曲线。结果表明：在应力比R=0．1时，常温下试验钢的条件疲劳极限为552．2MPa。与传统的高周疲劳断口不同，试验钢疲劳断口的快速扩展区由塑性断裂区和脆性断区两个区域组成。通过对疲劳断口的观察。发现快速扩展区的塑性断裂形貌的形成是较高的疲劳极限所引起。钢中2—4μm的细小夹杂物及针状铁素体的高位错密度片条结构减缓了裂纹的萌生过程，降低了裂纹扩展速率，是该钢具有较高疲劳极限的主要原因。

热输入对Q500qE钢模拟CGHAZ微观组织和冲击韧性的影响

采用Gleeble-3500热模拟试验机模拟了Q500qE钢在不同热输入(E_(j)=15~30 kJ/cm)下的焊接热循环过程,结合OM、SEM以及EBSD等手段探讨了热输入对粗晶热影响区(CGHAZ)微观组织和冲击韧性的影响规律及其作用机理。结果表明,随着焊接热输入的降低,板条贝氏体(LB)增多,粒状贝氏体(GB)减少,相变温度A_(r3)降低,贝氏体块(packet)和贝氏体束(block)明显细化;CGHAZ的冲击功KV_(2)(-40℃)随着热输入的降低而提高,冲击断口均表现出明显的解理断裂特征,其解理面尺寸D_(f)随着热输入的降低而减小;贝氏体packet是Q500qE钢中控制CGHAZ冲击韧性最有效的结构单元。