Q500q高性能桥梁用钢设计.doc

1 引言 随着时代的变迁，材料科学的发展，特别是钢铁材料的技术进步成为了桥梁工程发展的重要推动力。随着设计理论、计算机技术和施工技术的不断进步，现代桥梁建设更加注重桥梁的功能性、安全性和经济性，同时也对建桥的钢材提出了高强、轻质和多功能的要求。从世界各国的桥梁发展历史可以看出,桥梁用钢基本上都经历了从低碳钢低合金钢高强度钢高性能钢的发展历程。近10多年来，随着钢铁冶炼工艺中控温控轧过程控制技术(TMCP)和钢的微合金化技术的开发和应用,使高性能钢的生产成为可能。南京大胜关大桥使用了Q345qD、Q37OqE和Q42OqE(WNQ57O)三种钢材，采用了混杂设计方法，其中Q42OqE(WNQ57）的用于受力超过600吨的受压杆件,这是该钢种首次应用于铁路桥梁建设。Q500q高性能桥梁用钢目前尚在实际桥梁工程中大规模应用。本文就500Ma级高性能桥梁用钢做出设计。 2 Q500q高性能桥梁用钢性能设计原则 由于桥梁用钢长时间受到载荷，和大气腐蚀、风力和地震的考验，以及在架设桥梁时的焊接。对Q500q桥梁用钢性能应有如下设计原则： 材料强度高。在板材厚度在40mm-100mm的范围内，高性能钢的标准强度不降低。因为材料的高强度而减少了钢材的用量。例如采用高性能钢可减少主梁片数以减轻自重，可采用更矮的主梁以增加桥下净空，可增加跨度以减少水中桥墩的数量。 2）良好的焊接性能。材料的低碳当量CEV和低焊接裂纹敏感系数Pcm可减低热影响区(HAZ)的硬度和防止冷脆，提高了焊缝的可靠性。同时,这在很大程度上消除了氢致开裂。在焊接工艺中焊接预热是一个关键，例如在对常规的780MPa级钢焊接时，需要约120℃以上的预热温度。降低或取消预热，可以克服因预热带来热膨胀引起的构件变形和高温所带来的工作荷载增加等各方面的问题。预热温度的降低既减少了制造费用，也改善了焊接质量。减少焊道数量，节省焊接费用，降低焊接工作时间，同时也使整个桥梁的性能提高。在焊接中降低预热温度，可以极大的改善了操作工人的工作环境。 3）材料的高韧性，大大降低了在低温条件下钢桥发生脆断和突然失效的可能性，而且，高韧性也意味着增大了对裂纹的容忍度，这就争取到更多时间在桥梁出现严重问题之前进行检测和修复。同时，我国是地震多发国，高韧性将有效的减少地震所带来的危害。 4）良好的耐大气腐蚀性开发高性能合金钢在于节约地球现有的资源，所以高性能桥梁钢必须保证在未涂层的桥梁在大气环境下能正常、长期地发挥功能，并节省整个服役期内的养护维修费用。 经济性能较好。便于生产，价格较为便宜，能够大规模用于我国桥梁建设当中。 另外，借助混杂设计，可充分发挥高性能钢的功能，避免其可能存在的不足，同时也达到减轻自重、节省费用的目的。高性能钢是一种值得关注和了解的桥梁新型用钢，它在相当程度上代表着钢桥用材的发展方向3 Q500q高性能桥梁用钢成分设计 500MPa级的桥梁用钢，其显微组织为低碳贝氏体钢，低碳贝氏体钢在经过控制轧制和控制冷却，直接得到低碳的贝氏体组织，与相同碳含量的铁素体-珠光体组织相比有更良好的塑性和韧性。利用贝氏体相变强化，钢的屈服强度可达450-780MPa级。其化学成分一般为：WC=0.08% ~ 0.15%，WMo=0.3% ~ 0.6%，WMn=0.6% ~ 1.%，WB=0.001% ~ 0.005%，WV=0.04% ~ 0.10%，WNb或Ti=0.01% ~ 0.10%，并经常含有WCr=0.4% ~ 0.7%。据此我对我所设计的Q500q高性能桥梁用钢化学成分如下表所示： Q500q高性能桥梁用钢化学成分表 化学元素 Mn Si S P Ni Nb V Ti Cu Cr B Al 含量 0.1 1.6 0.6 0.02 0.025 0.8 0.12 0.11 0.02 0.55 0.5 0.004 0.015 碳：在钢中碳为主要元素，为了保证生成低碳贝氏体，提高钢的焊接性能，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钢产生固溶强化和硬化增加淬透性。 锰：早在1968年修建南京长江大桥，就采用16Mnq钢。是低合金钢重要的合金化元素之一，并无镍和少镍奥氏体钢的主要化元素。提高了钢的淬透性和耐磨性。同时Mn能够与S生成MnS，可防止因FeS而导致的热脆现象，降低S元素的危害。 铬：增加了钢的淬透性并有二次硬化的作用，同时铬元素的存在能提高钢的电极电位，增强钢的耐氧化性介质腐蚀的作用。过多促进铁素体形成，塑性和韧性下降。 镍：提高钢的淬透性（作用中等）。细化铁素体晶粒，在强度相同的条件下，提高钢的塑性和韧性，特别是