張劍峰，李軍平，裴雪峰

中鐵寶橋集團有限公司 陜西寶雞 721006

1 序言

橋梁是互聯(lián)互通的關(guān)鍵節(jié)點和樞紐工程，其破壞事故將造成嚴重的社會影響。為此，各國對橋梁安全性提出了很高要求。鋼橋安全在很大程度上取決于抗斷裂能力，歷史上發(fā)生了多次鋼橋斷裂事故，人類在付出慘重的代價后進行了艱苦的探索，在大量試驗成果的基礎(chǔ)上，形成了鋼橋防斷設(shè)計規(guī)范，例如：英國的BS 5400，美國的AWS D1.5。我國在九江長江大橋進行了探索性研究，之后在孫口黃河大橋、蕪湖長江大橋和南京大勝關(guān)大橋等項目建造時均進行了專題研究，其成果體現(xiàn)在鋼橋的設(shè)計文件和TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中。

因為焊接接頭的強度和韌性對焊接結(jié)構(gòu)的抗斷裂性能具有顯著影響，所以在國內(nèi)鋼橋設(shè)計時對其提出了嚴格要求。鐵路荷載具有加載速度快、活載在總荷載中的比例大等特點，因此要求鐵路鋼橋具有良好的防斷性能。為此，鐵路鋼橋?qū)δ覆牡男阅?、接頭匹配、特厚板的使用等都進行了相應(yīng)的指標量化，要求焊縫的強度高于母材標準值，并對焊縫的強度上限進行了限制，同時，要求焊縫沖擊韌度滿足TB 10091—2017規(guī)定值。但在實際施工中，存在焊縫強度有時無法達到這一要求的情況，因此本文主要從焊縫強韌性匹配方面進行探討。

2 焊接接頭的強度匹配原則

完整的焊接接頭包括母材、焊縫、熔合區(qū)及熱影響區(qū)，整個區(qū)域存在顯著的物理化學(xué)不均勻性，這種不均勻性主要包括焊接缺欠的不連續(xù)性，熱循環(huán)引起的組織和性能不均勻性，而且，這種不均勻性是客觀存在的，也無法消除。

焊接接頭的力學(xué)性能是結(jié)構(gòu)承受荷載的根本保證，要求焊縫的力學(xué)性能與母材匹配，傳統(tǒng)的匹配概念多指強度匹配，用焊縫和母材的屈服強度（或抗拉強度）的比值表示，也可用焊縫與母材強度的差值來表示，即

焊縫的強度受到焊接材料、焊接工藝、母材成分等多種因素的影響。等強匹配是一個理想化的概念，基于焊接接頭不均勻性的客觀事實，嚴格意義上的數(shù)值相等是無法做到的，實際是指在一定強度范圍內(nèi)即認為是等強匹配。

3 近年鐵路鋼橋強韌匹配情況

鐵路橋梁用鋼有Q345q、Q370q、Q420q、Q500q及Q690q等牌號，目前應(yīng)用最多的鋼材是Q345q、Q370q和Q420q，本文以Q370q和Q420q鋼為例進行探討。

在京九線孫口黃河大橋建造時，設(shè)計圖中在母材實際強度的基礎(chǔ)上對焊縫強度進行了限制，即

孫口黃河大橋主體結(jié)構(gòu)選用SM490C鋼板，板厚≤20mm的鋼板由韓國鋼廠生產(chǎn)，板厚24mm以上的鋼板由日本鋼廠生產(chǎn)。標稱屈服強度≥350MPa，實物供貨時屈服強度為389～504MPa[2]。試驗數(shù)據(jù)表明，對接焊縫的強度基本在標準要求范圍內(nèi)，個別數(shù)據(jù)略高于技術(shù)指標；角焊縫的強度超出技術(shù)指標上限，最大到70MPa。

蕪湖長江大橋首次采用新鋼種14MnNbq，當時鐵道部科技司立項對鋼材、焊接材料、焊接工藝等進行了大量試驗研究，取得了豐碩的成果，對推動我國橋梁鋼國產(chǎn)化發(fā)揮了重要作用。在建設(shè)初期，各方對鋼材焊接性非常關(guān)注，召開了多次專家論證會，在焊接標準論證會上對焊縫的強度提出了嚴格要求：對接焊縫屈服強度和抗拉強度不低于母材標準值，且不超過母材標準值100MPa；角焊縫屈服強度和抗拉強度不低于母材標準值，且不超過母材標準值120MPa。大量焊接試驗數(shù)據(jù)表明，要達到這一要求難度很大。因此，在制定《蕪湖長江大橋制造規(guī)則》時，對強度判斷基準由母材標準值調(diào)整為母材實際值，若仍超出規(guī)定范圍時，可采用韌強比（AKV/ReL）考核，對接焊縫為0.15，角接焊縫為0.11[3]。在實際生產(chǎn)過程中，345組產(chǎn)品試板的試驗數(shù)據(jù)表明，大部分焊縫的強度和韌性均控制在要求范圍內(nèi)，仍有部分焊縫的強度超上限，但其韌強比符合規(guī)定值。

南京大勝關(guān)長江大橋主體結(jié)構(gòu)使用的鋼材為Q370qE和Q420qE，在制定驗收標準時也對焊縫的強度進行限制：對接焊縫屈服強度不低于母材標準值，且不超過母材實際值100MPa；角焊縫屈服強度不低于母材標準值，且不超過母材實際值120MPa。如果焊縫屈服強度超出限定范圍，可以通過韌強比來判定，對接焊縫韌強比≥0.13，角焊縫韌強比≥0.10[4]。試驗數(shù)據(jù)表明，對接焊縫的強度基本在標準要求的范圍內(nèi)，個別數(shù)據(jù)略高于技術(shù)指標；角焊縫的強度超出技術(shù)指標上限，最大到80MPa，但其韌強比符合規(guī)定值。

4 焊縫強度匹配分析

如果由母材和焊接材料的標稱強度來匹配，經(jīng)常會出現(xiàn)焊縫和母材的實際強度失配的情況。針對這種情況，有必要對母材的強度從標準分級、實際供貨現(xiàn)狀進行說明。

4.1 鋼材牌號分級現(xiàn)狀

國內(nèi)橋梁用鋼主要選用Q345、Q370、Q420級別的鋼材，GB/T 714—2015《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》中對其力學(xué)性能的規(guī)定見表1。

表1 鋼材力學(xué)性能標準值（節(jié)選）

從表1中可看出，不同級別鋼材的強度差異并不大（25～50MPa），在實際匹配焊接材料時，存在同一焊接材料覆蓋1～3個級別的母材，容易造成低級別鋼材的超強匹配問題。

在GB/T 714—2015《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》中未限制強度上限，導(dǎo)致實際供貨時鋼材的強度波動范圍較大，使得結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的均勻性出現(xiàn)較大偏差，從而導(dǎo)致了焊接接頭的強度失配。最新發(fā)布的TB T 3556—2020《鐵路橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》對母材的抗拉強度上限進行了限制R，為（Rm為抗拉強度標準值），能有效減小母材強度的波動范圍。

4.2 鋼材實際供貨強度指標現(xiàn)狀

對使用的Q370qE鋼、Q420qE鋼的實物供貨情況進行了統(tǒng)計，共獲取526組試驗數(shù)據(jù)。本文僅對鋼材的屈服強度進行分析，統(tǒng)計結(jié)果表明，鋼材的強度分布范圍較大，結(jié)果如圖1～圖6所示。由圖1～圖6可看出，不同廠家、不同批次鋼板的強度指標在一個較大的范圍內(nèi)，屈服強度的波動范圍達到140MPa，數(shù)據(jù)離散性也很大，因此容易出現(xiàn)強度失配情況。

圖1 A公司Q370qE鋼（TMCP）屈服強度分布散點圖

圖2 A公司Q370qE鋼（TMCP）屈服強度分布柱式圖

圖3 B公司Q370qE鋼（控扎）屈服強度分布散點圖

圖4 B公司Q370qE鋼（控扎）屈服強度分布柱式圖

圖5 A公司Q420qE鋼（TMCP）屈服強度分布散點圖

圖6 A公司Q420qE鋼（TMCP）屈服強度分布柱式圖

4.3 焊接材料強度現(xiàn)狀

根據(jù)相關(guān)標準，適用于橋梁鋼的常用焊接材料拉伸試驗標準值見表2，焊接材料強度等級差異為70MPa。為了保證低溫沖擊韌度要求，在選擇焊接材料時，通常選用加入了微量合金化元素的焊接材料，這些成分的加入，使焊接材料的實際強度高于材料標準值（見表3）。

表2 常用焊接材料拉伸試驗標準值（節(jié)選）

表3 常用焊接材料實物供貨力學(xué)性能（節(jié)選）

4.4 產(chǎn)品焊縫匹配情況

以Q370qE鋼為例，兩個實際項目焊接接頭力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)摘錄見表4。

表4 實際項目焊接接頭力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)摘錄

由表4可知，雖然大部分焊縫的強度和韌性均控制在標準規(guī)定的范圍內(nèi)，但是仍有少部分強度超過標準上限值。

4.5 焊縫超強的原因

焊縫金屬是由焊接材料熔化并熔合部分母材形成的鑄態(tài)組織，其強度與母材的熔合比、焊縫的化學(xué)成分、焊縫金屬的冷卻速度等因素有關(guān)。通常焊縫的強度要高于焊接材料熔敷金屬的強度，原因包括三方面：一是在焊接時，電弧熔化的那一部分母材會熔入焊縫中，熔合比越大，焊縫強度越高，特別是在薄板對接時；二是焊縫受到母材的約束強化作用，使其強度提高；三是在焊接厚板角接接頭時，三向散熱速度快，焊縫的t8/5時間縮短，導(dǎo)致強度提高。

每種新鋼材在研發(fā)時都要進行大量的焊接性試驗，并研發(fā)與之配套的焊接材料，要求焊接接頭不但具有較好的強度匹配，還要求焊縫各區(qū)低溫韌性良好。為此，需要選擇純凈度高的焊接材料，并添加適量合金元素，以細化晶粒，從而在提高焊縫沖擊韌度的同時也提高了焊縫強度。

5 焊接接頭強韌匹配

5.1 理想的匹配模式

理想的接頭強度匹配模式為：母材的屈服強度＜焊縫金屬的屈服強度＜母材的抗拉強度＜焊縫金屬的抗拉強度。在這種強度匹配模式下，焊縫的屈服強度高于母材，母材金屬首先發(fā)生屈服，此時焊縫處于彈性狀態(tài)，母材對焊縫具有屏蔽作用。隨著荷載的增加母材金屬發(fā)生塑性變形，當應(yīng)力達到焊縫金屬屈服點時，焊縫發(fā)生屈服，若荷載繼續(xù)增加達到母材的抗拉強度時，在母材上發(fā)生斷裂[5]。大部分的試驗都遵循這種斷裂模式，因此，對于中高強度的鋼材采用高匹配是有利的。

從斷裂控制的角度分析，要求焊接接頭各區(qū)具有較高的低溫沖擊韌度。但是，既要控制焊縫強度，又要具有較高的低溫沖擊韌度，經(jīng)過多個項目的實踐證明，控制難度較大。

5.2 相關(guān)研究成果

針對焊縫強度匹配及結(jié)構(gòu)完整性方面，國內(nèi)外進行了大量研究[6，7]，有關(guān)焊縫強度匹配的設(shè)計原則,還缺乏充分的理論和實踐依據(jù)，未達成統(tǒng)一的認識。西南交通大學(xué)的試驗表明，在靜載條件下等強匹配和高匹配焊縫不會降低原母材的安全可靠性；天津大學(xué)分別對低匹配和高匹配進行了寬板拉伸、落錘試驗，結(jié)果表明，高匹配抗脆性斷裂能力優(yōu)于低匹配；西安交通大學(xué)也提出了類似的研究成果，結(jié)論為過高的匹配是不利的。陳伯蠡教授等承接的“高強鋼焊縫強韌性匹配理論研究”試驗結(jié)果表明，對于抗拉強度490MPa級的低屈強比高強鋼，選用具備一定韌性且適當超強的焊接材料是有利的；對于抗拉強度690～780MPa級的高屈強比高強鋼，其焊接接頭的斷裂性能不僅與焊縫的強度、韌性和塑性有關(guān)，而且受焊接接頭的不均質(zhì)性制約，焊縫強度應(yīng)有上限和下限的限定，但未給出具體的波動范圍。

影響脆性斷裂的關(guān)鍵因素是沖擊韌度，挪威船級社規(guī)范中給出了沖擊吸收能量要求值與屈服強度最低值之間的關(guān)系函數(shù)：vET≥0.1ReL；英國橋梁規(guī)范BS 5400中，不僅將焊縫韌性要求與屈服強度聯(lián)系起來，而且還考慮了板厚δ的影響，其表達式為：vET≥0.1ReL/（355×δ/2），且沖擊吸收能量最高標準是≥27J（－20℃、V型缺口）。目前，國內(nèi)鐵路鋼橋?qū)缚p低溫韌性的要求遠高于英國規(guī)范BS 5400，也高于船級社規(guī)范按屈服強度計算的結(jié)果，具有一定富裕度。

對船舶、壓力容器等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究表明，斷裂阻力與韌強比有密切關(guān)系，為防止焊接接頭發(fā)生脆性斷裂，要求其結(jié)構(gòu)材料的韌強比RA滿足如下要求[8]，即

式中δ——板厚（mm）。

目前，國內(nèi)某些橋梁項目要求對接焊縫屈服強度上限不超過母材實際值100MPa，角焊縫不超過母材實際值120MPa的規(guī)定缺乏理論依據(jù)，且實踐上也難以達到。在實際項目中仍然存在超出上述范圍的情況，但是焊縫的韌強比均滿足式（5）的規(guī)定，說明焊縫具有較高的防裂防斷能力，在超強匹配時用韌強比來控制是安全的。

6 結(jié)束語

1）目前，國內(nèi)鋼板及焊接材料實際試驗數(shù)據(jù)表明，原材料的強度波動范圍較大，給強度匹配帶來較大的難度，需要在原材料標準中對其強度范圍進行限制。

2）在母材和焊接材料強度波動較大的現(xiàn)實情況下，提出“焊縫屈服強度上限不超過母材實際值100MPa、角焊縫屈服強度上限不超過母材實際值120MPa”的要求缺乏理論依據(jù)，且實踐上也難以達到，需要進行專題研究制定合理的波動范圍。

3）當焊縫超強時，應(yīng)用韌強比進行考核，指標建議采用式（5）確定。