Q500q高性能桥梁用钢设计

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500MPa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：
（1）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。

（5）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[1]。

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：W C=0.08% ~ 0.15%，W Mo=0.3% ~ 0.6%，W Mn=0.6% ~ 1.8%，W B=0.001% ~ 0.005%，W V=0.04% ~ 0.10%，W Nb或Ti=0.01% ~ 0.10%，并经常含有W Cr=0.4% ~ 0.7%[2]。

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C 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[2]。

锰：早在1968年修建南京长江大桥，就采用16Mnq钢。

锰是低合金钢重要的合金化元素之一，并为无镍和少镍奥氏体钢的主要奥氏体化元素。

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[2-3]。

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[2-3]。

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，特别是低温韧性。

为主要的奥氏体形成元素并改善钢的耐
蚀性。

与铬、钼联合使用，提高钢的热强性合耐蚀性[3]。

铌：部分元素进入固溶体，固溶强化作用很强。

固溶于奥氏体中，显著提高钢的淬透性。

但以碳化物微细粒形态存在时，细化晶粒并降低了钢的淬透性。

提高钢的耐回火性，并有二次硬化的作用。

微量的铌可以在并不影响钢的塑性和韧性的情况下，提高钢的强度。

由于细化晶粒的作用，提高钢的冲击韧性冰降低其韧-脆转变温度[4]。

钒：作为钢中常用的添加元素，钒可固溶于奥氏体中提高钢的淬透性。

形成钒的碳化物、氮化物以及碳氮化物钉扎于晶界，阻止奥氏体晶粒长大，产生细晶强化，提高钢的强度的同时使钢具有高的韧性。

在钢中添加铜元素和少量的磷元素的存在能够提高桥梁钢的耐大气腐蚀，钛元素能够起到细晶强化作用，对钢的焊接性能也有明显的改善。

铝是重要的脱氧剂，并有细化晶粒的作用，但有促进石墨化的倾向，所以一般在钢中铝的添加量在0.015%~0.025%。

除了合金元素以外，可以向钢中添加适量的稀土，稀土能降低韧-脆转变温度，在表面生成致密的氧化膜，提高耐蚀性，同时生成复杂的硫化物，降低了钢中硫元素的危害。

钢中的合金元素能显著推迟先共析铁素体和珠光体的转变，在添加对贝氏体转变推迟较少的钼和硼的基础上添加锰、铬、镍等元素，进一步推迟共析铁素体和珠光体的转变，并使B s点下降[5]，更有利于获得下贝氏体组织。

与上贝氏体相比下贝氏体有更高的强度和低得多的韧-脆转变温度[6]。

3 冶炼方法
（1）工业炼钢多采用转炉冶炼，其过程主要包括用燃烧的方法去除掉生铁中过量的碳和硅以及锰和磷等杂质。

这些杂质要么变成气体冒出去，要么变成残渣被清除掉。

Q500q高性能桥梁用钢中C、P、S的含量要求要尽量的低，因此，转炉冶炼十分重要。

可采用顶底复合吹炼转炉炼钢工艺，适当增加吹氧量和吹氧适度以及时间来脱碳；终渣碱度控制在3.0左右有利于脱磷、脱硫；加硅铝钙钡约1kg/t、复合脱氧剂约1.5kg/t脱氧；连铸第1炉温度较高约1600℃，第2炉及以后炉次约1570℃。

在合金化阶段，加入合金化元素之后，应当适当控制温度和保温时间。

使合金元素充分融入铁水中，提高钢的综合性能。

（2）轧钢，TMCP控温控轧过程控制技术是一项生产高性能钢材的重要关键技术。

该项技术的特点是水冷装置设在精轧机的后部，加热温度、轧制温度、轧制程序和轧制后的冷却率均可按材料的特性要求加以控制。

由于将常规的轧制后自然冷却改变为受控高速冷却，在降温速度较快时，钢材的内部结构得到改善，从而使钢材在化学成分不变，保持了相同的碳当量CEV和焊接裂纹敏感系数Pcm 的情况下，获得了更高的强度。

主要参数工艺有：选择合适的加热温度；选择适
当的轧制道次和每道的压轧量；选择合适的再结晶区和无再结晶区停留时间和温度；在铁素体-铁素体两相区选择适宜的总压下量和轧制温度；控制冷却速度。

4 结语
Q500q高性能桥梁用钢是一种综合优化了材料力学性能，便于加工制造，可用于低温和腐蚀环境，同时是具备较高性价比的桥梁结构用钢。

它不仅保持了较高的强度，而且在材料的抗腐蚀和耐候性能、可焊性和抗脆断性能等方面都比传统的钢材有明显的提高和改善。

材料性能的改善不仅可以提高桥梁的结构性能，而且可以降低施工成本。

Q500q高性能桥梁用钢将充分发挥了高性能钢的优越性,广泛用于桥梁工程中，给社会带来巨大的效益。

参考文献
[1]崔忠圻，覃耀春．金属学与热处理[M].第2版.北京：机械工业出版社，2007.
[2]文九巴．金属材料学[M].北京：机械工业出版社，2011.
[3]凤仪．金属材料学[M].北京：国防工业出版社，2008.
[4]李静,尚成嘉,贺信莱，等．碳含量对高性能桥梁钢组织结构和性能的影响[J].钢铁，
2006,12（41）:64-69.
[5]孙智，倪宏昕，彭竹琴．现代钢铁材料及其工程应用[M]. 北京：机械工业出版社，2007.
[6]贺信莱，尚成嘉，杨善武，等．高性能低碳贝氏体钢的组织细化技术及其应用[J].北京：
金属热处理，2007，12（32）:1-10.
[7]杜长坤．冶金工程概论[M].北京：冶金工业出版社，2012.。