李井輝

(遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110166)

隨著我國鋼結構橋梁的大力推廣，越來越多的鋼結構橋梁建造在北方嚴寒地區(qū)；低溫環(huán)境、高強度鋼材、焊接連接、厚板的使用使得鋼橋脆性斷裂的問題日趨突出；本文以遼寧省開展的30 m跨徑連續(xù)雙工字鋼-混組合梁橋標準化設計為例，介紹下防止鋼橋發(fā)生低溫脆性斷裂的實用設計方法。

1 鋼結構的脆性斷裂

鋼結構斷裂破壞是指在構件內部形成新的表面并繼續(xù)擴展造成構件凈截面的減小直至斷開；斷裂破壞可以表現(xiàn)為兩種類型:脆性斷裂和韌性斷裂。脆性斷裂是指裂紋擴展速度快、塑性變形小、吸收能量少的斷裂，破壞前無明顯征兆。韌性斷裂是指裂紋擴展速度緩慢、塑性變形較大、吸收能量較多的斷裂；應力集中、動載荷、焊接連接、低溫等等會使得鋼結構比較容易發(fā)生脆性斷裂。應力集中一般在缺口或裂紋尖端形成三向拉應力狀態(tài);動荷載容易在構件內部形成疲勞裂紋，當裂紋擴展到臨界長度會引起構件斷裂;焊接連接容易在焊縫的內部形成裂紋或其他缺陷，同時焊接熱影響也會降低臨近鋼材的韌性；低溫使得鋼材的斷裂韌度降低，鋼結構脆性斷裂的破壞實例分析表明，鋼結構的脆性斷裂常常是在較低溫度(低于-20 ℃)下發(fā)生的，這種低溫氣候經(jīng)常出現(xiàn)在我國的東北、華北、西北及青藏高原等。表1列出了我國部分地區(qū)歷史上出現(xiàn)過的極端最低氣溫值。

表1 我國部分地區(qū)歷史上出現(xiàn)過的極端最低氣溫

2 鋼結構脆性斷裂設計方法

防脆性斷裂設計是嚴寒地區(qū)鋼結構橋梁設計至關重要的一項內容，下面對國內外設計規(guī)范中防止鋼材發(fā)生脆性斷裂破壞的方法做下介紹。

2.1 前蘇聯(lián)鋼結構設計規(guī)范

前蘇聯(lián)是唯一一個把鋼結構低溫脆斷放入鋼結構設計規(guī)范的國家，通過折減強度的方法對鋼結構的脆性破壞進行驗算，設計公式為

σmax|βRuγu

式中σmax為設計截面的最大名義應力(按鋼材截面計算，且不考慮動載因子)；Ru,γu為鋼材的計算強度和相應的安全系數(shù):β值為考慮低溫冷脆后構件破壞強度的折減系數(shù)(β的取值主要決定于計算低溫、材質、結構型式和板件厚度)。

2.2 歐洲鋼結構設計規(guī)范

歐洲鋼結構設計規(guī)范要求材料應具有規(guī)定的韌度，以防止結構在設計使用壽命期限內出現(xiàn)脆性斷裂；歐規(guī)對20 ℃、0 ℃、-20 ℃和-50 ℃下各種鋼材沖擊韌性的數(shù)值進行規(guī)定，并對不同溫度下各種鋼材的厚度進行了限制，以避免鋼結構發(fā)生脆性破壞。

2.3 我國鋼結構設計規(guī)范

我國的《鋼結構設計標準》對不同工作環(huán)境中的鋼結構材料的沖擊韌性值提出了要求，如要求對工作環(huán)境溫度不高于-20 ℃時，Q345鋼材應具有-20 ℃沖擊韌性的合格保證等等；同時也對工作溫度不高于-20 ℃的承重構件的受拉板材厚度、承重構件的連接方式等作出了要求；

我國的《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》僅對不同工作環(huán)境下鋼材的沖擊韌性值提出了要求，未對不同工作環(huán)境下的鋼板厚度及鋼構件采用何種連接方式作出規(guī)定。

3 鋼結構防脆性斷裂設計

鋼材的脆性斷裂與材料、應力集中、使用環(huán)境、鋼板厚度、連接形式密切相關，下面以遼寧省開展的30 m跨徑的連續(xù)雙工字鋼-混組合梁橋標準化設計為例，介紹下結合《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》、《鋼結構設計標準》、《歐洲鋼結構設計規(guī)范》三套規(guī)范研究出的鋼板梁防脆性斷裂設計方法；雙工字鋼板組合梁的橋面凈寬、雙主梁間距、小橫梁間距、組合梁高度等如圖1～圖2所示。

圖1 邊跨立面布置圖(單位mm)

圖2 橫斷面布置圖(單位mm)

3.1 材質缺陷方面

當鋼材中碳、硫、磷、氧、氮、氫等元素的含量過高時，將會嚴重降低其塑性和韌性，脆性則相應增大。

防脆性斷裂措施：設計采用的鋼材需滿足《低合金高強度結構鋼》GB/T 1591-2018中關于“碳硫磷等元素含量、碳當量、焊接裂紋敏感指數(shù)等”方面的指標要求。

3.2 應力集中方面

鋼梁橋受力時若存在應力集中，那么在運營期間出現(xiàn)疲勞裂紋的幾率就大，同時應力集中容易使得裂紋開展，進而引起鋼梁斷裂失效。

防脆性斷裂措施：

(1)鋼板梁設計時最大限度減小焊接殘余應力；在合理范圍內增大加勁肋間距減少焊縫數(shù)量、并降低焊縫尺寸、設置過焊孔避免三向焊縫交匯；

(2)不同板厚對接時采取1∶8的過渡措施；

(3)縱梁與橫梁交匯處采取倒圓角相接；

(4)水平加勁肋、豎向加勁肋斷開處做倒角處理等等。

圖3 過焊孔設置及加勁肋倒角構造示意圖

圖4 主梁翼緣與橫梁翼緣圓弧過渡焊接示意圖

3.3 構件連接方面

鋼結構現(xiàn)場采用焊接時，焊接質量不容易保證，焊接連接容易在焊縫的內部形成裂紋或其他缺陷，同時焊接熱影響也會降低臨近鋼材的韌性，可能引起鋼梁發(fā)生脆性斷裂。

防脆性斷裂措施：《鋼結構設計標準》指出，在工作溫度等于或低于-20 ℃的地區(qū)，承重構件和節(jié)點的連接宜采用螺栓連接；借鑒《鋼結構設計標準》，本次將各梁段在工廠焊接制造完成后，分段運輸至橋址現(xiàn)場，在現(xiàn)場采用螺栓拼接的方式將各梁段連成整體。

3.4 工作環(huán)境及受拉鋼板厚度方面

鋼結構的脆性斷裂常常是在低溫下發(fā)生的，溫度越低、鋼板越厚，脆性破壞傾向越大。

防脆性斷裂措施：借鑒《歐規(guī)》，將工作環(huán)境溫度和受拉鋼板厚度引起的脆性斷裂關聯(lián)在一起來研究；“已知：鋼材牌號、不同溫度下的沖擊韌性指標要求、橋址處最低溫度、工作應力”，借助《歐規(guī)》查表獲得此種狀況下受拉板件的最大允許厚度。

表2 鋼板梁受拉鋼板最大容許厚度計算表(遼寧省)

表3 單位用mm表示的元件厚度的最大允許值(歐規(guī))

4 結 論

(1)《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》在防脆斷設計方面僅對不同工作環(huán)境下鋼材的沖擊韌性值提出了要求，內容略顯不足；

(2)綜合《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》、《鋼結構設計標準》、《歐洲鋼結構設計規(guī)范》，總結出了防脆性斷裂設計的實用設計方法。