哈大客運專線H型鋼柱鋼材的選用分析研究

王森林,王國梁

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

1 概述

根據國家標準《采暖通風與空氣調節設計規范》,嚴寒地區的定義為累年最冷月平均溫度小于等于-10 ℃的地區,我國東北及華北的北緯40°30′以上地區均屬于嚴寒地區。哈爾濱至大連客運專線地處我國東北地區,屬于嚴寒地區的客運專線。對承重鋼結構鋼材的選用,按照新版《鋼結構設計規范》(GB50017—2003)的規定,要求同時有7種考慮的因素,其中以應力狀態、連接方法和工作溫度3項最重要,所有因素都基于一個出發點,那就是要防止脆性破壞的發生,這對于鋼結構來說是至關重要的。其工程所經地區的環境溫度,在《鋼結構設計規范》(GB50017—2003)中,是以結構工作溫度為表征的。結構工作溫度：按新版《鋼結構設計規范》(GB50017—2003)的規定,是以該規范的最低日平均溫度定義的,它比劃分寒冷、嚴寒的溫度標準還低,也就是說：一個地區的結構工作溫度和該地區的所屬溫度區類型劃分的標準依據,在數值上是不同的。對于大部分東北地區來講,都屬于嚴寒地區,因此可以按嚴寒地區來研究鋼材的選用問題。

2 國內外應用情況

2.1 國內情況

由于我國大部分電氣化鐵路處于華北、華中以及南方地區,東北的電氣化鐵路較少,所以對于嚴寒地區高速電氣化鐵路H型鋼柱的選材缺乏研究。

2.2 國外情況

就目前掌握情況,在日本的新干線上鋼腕臂的選材等同于國內的Q345鋼。

3 鋼材選用原則及依據

3.1 常用的Q235和Q345鋼材的化學成分及力學性能

現行國家標準《碳素結構鋼》(GB/T700—2006)和《低合金高強度結構鋼》(GB/T1591—94)中對Q235和Q345鋼材的化學成分及力學性能要求見表1～表4。

表1 Q235鋼材的化學成分 %

表2 Q345鋼材的化學成分 %

從表1～表4中可以看出,同一牌號的鋼,其等級的不同,主要體現在主要化學成分如碳、硫、磷的含量,以及沖擊韌性試驗合格保證的溫度這兩方面。等級越高,碳、硫、磷的含量越少,沖擊韌性試驗合格保證的溫度也越低,表明鋼材的韌性越好。

3.2 鋼材選用的規定

能夠導致鋼材脆性破壞或與之有關的的因素總共有：結構的重要性、荷載特征、結構形式和連接方法、應力狀態、工作溫度、鋼材厚度和工作環境等7項,其中應力狀態、連接方法和工作溫度是鋼材選用主要考慮的因素。因此了解了各因素對防止脆性破壞發生所起的作用,也就可以掌握鋼材選用的原則。

3.2.1 結構的重要性

脆性破壞是一種先兆不明顯、帶有突然性質的破壞,建筑結構按自身破壞可能產生后果的嚴重性,分為重要的、一般的、次要的3種,其對應的安全等級為一、二、三級,安全等級高的建筑應選用較好的鋼材,一般的建筑,可選用普通鋼材。對電氣化鐵路H型鋼柱來講,沒有備用可算一級的重要建筑。

表3 Q235鋼材的力學性能

表4 Q296、Q345、Q390鋼材的力學性能

3.2.2 結構形式和連接方法

鋼結構的形式主要是以連接方式來劃分,只有焊接和非焊接,對焊接結構,在焊接時的不均勻加熱和冷卻常使構件內產生很大的焊接殘余應力,焊接構造及難以避免的缺陷又常使結構存在潛在的裂紋損傷,而焊接結構的整體剛性及連續性好的固有特點,又恰好易使這些缺陷和裂紋相互擴展貫通；而碳、硫、磷等有害元素的含量都對結構的焊接性能有影響,硫磷的偏析均較嚴重,硫能在焊接高溫下(800～1 000 ℃)出現熱脆裂紋,磷偏析形成的富磷區促使鋼材冷脆,因此所有承重結構對硫磷的含量均應有合格保證。而碳的含量,是決定焊接性能的最主要因素,因此焊接結構用鋼材的質量要求要高于同樣條件的非焊接結構,而且一定要保證碳含量,因此在主要焊接結構中不能使用Q235—A級鋼。電氣化鐵路H型鋼柱結構鋼材都要選用焊接性能較好的鋼材。

3.2.3 鋼材厚度

厚鋼材輥軋次數少,壓縮比小,組織欠密,所以與薄鋼材相比,不僅強度較低,而且塑性、沖擊韌性和焊接性能也較差,因此厚度大的焊接結構應采用材質較好的鋼材。

3.2.4 荷載特征

直接承受動力荷載的結構應選用綜合性能(主要指塑性和韌性)較好的鋼材；直接承受動力荷載特別是荷載重復作用頻繁需要疲勞驗算的結構,容易引起疲勞脆性破壞,要求使用綜合性能更高的鋼材,不使用Q235沸騰鋼；承受靜力荷載或間接承受動力荷載的結構就可采用一般質量的鋼材。電氣化鐵路H型鋼柱結構受列車通過時的空氣動力作用、大風天氣的風荷載作用以及弓網之間振動帶來動力荷載作用。是否要對鋼結構進行疲勞驗算,以及在鋼材選用時提出更高的要求,主要是看荷載對結構產生的作用,以及所產生的破壞形態。電氣化鐵路H型鋼柱結構屬于直接承受動力荷載或振動荷載,但是現階段沒有理論或試驗數據支持是否屬于需要驗算疲勞(判斷標準是應力變化的循環次數≥5×104)的結構,就目前判斷應適當考慮疲勞因素。

3.2.5 結構的工作溫度

鋼材的塑性和韌性都隨溫度的降低而下降,在低溫尤其是脆性溫度轉換區時韌性急劇降低,容易發生脆性斷裂,因此對處于較低負溫下工作的結構、特別是焊接結構,應選用質量較好和脆性轉變溫度低于結構工作溫度的鋼材。由于Q235—A和Q235—B沸騰鋼,在澆筑前,以較便宜的錳鐵作為脫氧劑,來脫去能使鋼的熱加工性能變差的氧化物,但脫氧不充分,仍有較高的含氧量,澆鑄時冷卻速度快,氣泡較多,內部組織不致密,氮是以固溶氮的形式存在,硫磷的偏析大,沖擊韌性低,冷脆性和時效性也大,在低溫及在動力荷載作用下易發生脆斷,故對低溫環境和直接承受動力荷載的結構限制使用Q235沸騰鋼。

3.2.6 應力特征

這是指受力構件截面上的應力性質,由于脆斷主要發生在受拉區,而且危險性較大,所以對受拉、受彎結構和構件應選用質量較好的鋼材。

3.2.7 環境條件

露天環境下結構的鋼材易產生時效,在有害介質作用下鋼材易銹蝕,如有一定大小的拉應力存在,那將產生應力腐蝕現象,經過一定時間會產生延遲脆斷,因此環境條件惡劣的結構要選用質量教好的鋼材。

3.3 推薦嚴寒地區鋼材使用原則

推薦的嚴寒地區鋼材使用原則,基于對處于嚴寒地區并保證列車高速運行電氣化鐵路H型鋼柱,為防止鋼材發生脆性破壞的考慮,并充分認識哈爾濱至大連客運專線工程及H型鋼柱的重要性,以重要的焊接和非焊接結構對待,合理地提出并在個別條件下適度提高了鋼材選用標準,這是近年來的大量工程實踐所遵循的,并且根據實驗室的數據分析如圖1所示,Q345B級鋼沖擊功吸收要優于Q235B級鋼。

圖1 Q235B沖擊功平均值隨溫度變化趨勢

在國家電網系統內的送電線路工程桿塔用鋼材,自2006年初開始已經全部統一采用Q235B和Q345B級鋼,這反映了電力行業內對鋼材使用的重視。所以在電氣化鐵路中也應提高對鋼材使用的重視程度。沖擊功平均值隨溫度變化趨勢如圖1、圖2所示。

圖2 Q345B沖擊功平均值隨溫度變化趨勢

4 結論

哈大鐵路客運專線是我國“中長期鐵路網規劃”北京—沈陽—哈爾濱(大連)客運專線的組成部分,是東北鐵路網的脊梁,在全國路網的地位和作用十分重要。由于哈大客運專線地處我國東北嚴寒地區,平均最低氣溫為-40 ℃,但是實際冬季最低氣溫可能要低于-40 ℃,哈大客運專線是我國第一條高寒地區電氣化高速鐵路。為適應特殊環境要求,哈大客運專線接觸網所選用的設備必須經得起低溫考驗,特別是H型鋼柱,設計等級均按50年以上考慮,所以其在低溫下斷裂性能的研究尤為重要。目前我國常用鋼材Q235的強度不高、韌性和塑性也比較差,容易產生裂紋并引起擴展,尤其是在低溫下更容易發生,建議選用含錳鋼及Q345低合金鋼,其強度高,雜質少,磷的含量比Q235低,產生的低溫脆性斷裂的幾率小。

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