不锈钢复合钢板在铁路钢桥上的应用技术
2021-08-27
来源:易榕旅网
张宝刚,等:不锈钢复合钢板在铁路钢桥上的应用技术 不锈钢复合钢板在铁路钢桥上的应用技术 张宝刚 齐金朋 (中国中铁四局集团钢结构有限公司,合肥230022) 摘要:我国高速铁路钢桥均采用正交异性板钢桥面有碴线路。为提高钢桥面的防腐与使用寿命,合肥铁路枢纽 南环线钢桁梁的桥面板采用了具有较高的强度、塑性、韧性、疲劳性能及优良抗腐蚀性能的321一Q345q—D不锈钢复 合钢板。针对钢桥面系结构设计特点及制作与安装工艺需要,依据TB 1O212—2009{铁路钢桥制造规范》、GB/T 13148—2008{不锈钢复合钢板焊接技术要求》,对321一Q345q—D不锈钢复合钢板进行焊接工艺试验,其试验结果 (数据)均满足设计与施工要求。经对不锈钢复合钢板的钢桥面制作与安装实践,对铁路钢桥推广应用不锈钢复合 钢板提出改进建议。 关键词:铁路钢桥;钢桥面系;不锈钢复合钢板;焊接工艺;试验 D0I:10.3969/J.issn.1007-9963.2013.01.013 APPLICATIoN TECHNoLoGY oF STAINLESS STEEL SHEET IN RAILWAY STEEL BRIDGE Zhang Baogang Qi dinpeng (Steel Structure Engineering Co.Ltd of China Tiesiju Civil Engineering Group,Hefei 230022,China) ABSTRACT:China’S high—speed railway steel bridges are built with ballast lines and steel bridge decks of orthotropic plate structure.To improve the anti—corrosion and service life of the bridge deck,steei truss bridge deck of Hefei Railway Hub of Southern Link’S uses 321一Q345q-D stainless steel sheets,which have high strength,ductility, tenacity,fatigue properties and excellent corrosion resistance.According to Railway Steel Bridge Manufacturing Practice(TB 10212—2009)and Stainless Steel Sheet Welding Requirements(GB/T 13148—2008),based on the steel bridge deck structure’S design features and its manufacturing and installation process needs,321一Q345q-D stainless steel sheet welding process tests were carried out,all the results(data)can meet the design and construction requirements.Through the steel bridge deck’8 production and installation practice of the stainless steel sheet,it gave some recommendations to promote the use of stainless steel sheet in railway steel bridge. KEY WORDS:railway steel bridge;steel bridge deck;stainless steel sheet;welding process;test 1概述 114.75)m三跨连续钢桁柔性拱桥(以下简称“合肥 桥”)的钢桥面板(在道碴槽范围)采用抗腐蚀性能优 良的不锈钢复合钢板。 2钢桥面系结构设计 目前我国高速铁路(350 km/h)和客运专线铁 路(250 km/h)钢桥的桥面系设计均采用正交异性 板结构的钢桥面,在钢桥面上设置钢筋混凝土道碴 槽,铺设有碴线路。钢桥面作为主要的受力构件,直 接承受铁路荷载,其耐久性要求更为突出。尤其在 设计为正交异性板结构的钢桥面系由桥面板、 横梁与次横梁、纵梁、纵向肋(U型、板式)、道碴槽 等组成。钢桥面系结构如图1所示。现有钢桥设计 道碴槽和钢桥面的连接面会存在局部不密贴现象, 容易产生积水,加剧桥面的锈蚀。同时结合面处的 日常检修和维护较困难,因此桥面成为整个结构耐 久性设计的薄弱环节。铁路钢桥的设计使用年限为 100年,现有的防腐方法尚不能做到一次防腐与钢 通常采用图1a所示的有道碴槽的形式;“合肥桥”桥 面板采用图1b所示的不锈钢复合钢板、无道碴槽的 形式。 桥设计寿命同步。而桥面防腐的维护、修理和重涂 势必需要相当长的时间,而且需要中断运输,造成的 经济损失将非常巨大。 为解决钢桥面的长效防腐,确保钢桥面100年 1)钢桥面板:全桥桥面板纵横向连续,长度方 向分成若干节段(节段一般采用与下弦节间等长), 宽度方向分成若干块。桥面板的节段、块之间及两 第一作者:张宝刚,男,1960年出生,工程师。 Email:gggszbg@126.tom 的使用寿命,合肥铁路枢纽南环线新建的南淝河和 经开区两座特大桥的主桥(114.75+229.5+ Steel Construction.2013(1),Vo1.28,No.168 收稿日期:2012—05—30 51 工程设计 高强度螺栓栓接。 4)纵向肋(U型、板式):在道碴槽范围内设置 纵向U肋,其他部位设置纵向板式肋。纵向肋全桥 贯通(不断),在横梁、次横梁处的腹板开缺口使纵向 肋穿过并与腹板焊接;桥面板节段问的纵向肋之间 采用拼接板高强度螺栓栓接。 3桥梁用不锈钢复合钢板 以桥梁钢板为基层,采用爆炸复合技术,在其表 面整体连续地包覆一定厚度的不锈钢复合材料,即 a一有道碴槽桥面系;b一无遭碴槽桥面系 为桥梁用不锈钢复合钢板。复合钢板中主要承受结 图1钢桥面系结构示意 构强度的是桥梁钢板(基层),不锈钢(复层)的主要 作用是防腐、耐候。 “合肥桥”钢桥面采用厚(3+14)mm的321一 Q345q—D不锈钢复合钢板,基层为厚14 mm的 侧与主桁下弦杆顶板的伸出肢间,均采用全熔透对 接焊缝连接。桥面板的顶面焊有剪力钉,以与混凝 土道碴槽连接。 Q345q—D桥梁钢板,复层为厚3 mm的321奥氏体 不锈钢,复合钢板总厚度为17 mm。 3.1基层Q345q-D桥梁钢板 “合肥桥”的桥面板在道碴槽范围采用不锈钢复 合钢板(其余部分采用普通钢板)。不再设混凝土道 碴槽,道碴直接铺设在不锈钢复合钢板上。 2)横梁与次横梁:在下弦大节点处设横梁,横 梁间距为下弦节问长;两横梁问设3道次横梁;横 板厚选定14 mm是基于桥面板的强度和刚度 的需要。Q345q—D钢板的化学成分及力学、工艺性 能应符合GB/T 714—2008((桥梁用结构钢》标准规 定。 3.2复层321不锈钢 梁、次横梁均采用倒T型截面;横梁、次横梁的腹 板、下翼板与主桁下弦伸出肢间采用拼接板高强度 螺栓栓接。 321不锈钢应符合GB/T 8165—2O08《不锈钢 复合钢板和钢带》l_l 标准规定。321不锈钢具有较 高的强度、塑性、韧性和抗腐蚀性能,其化学成分、物 理性能、机械性能及抗腐蚀性能等见表1一表4。 3)纵梁:在与钢轨对应部位设纵梁,双线铁路 设4道纵梁。纵梁采用倒T型截面。纵梁长度采 用与桥面板节段等长,节段间的两纵梁采用拼接板 表1 321不锈钢的化学成分 密度(室温)/ (1O。kg・cm。) 比热容/ (J・kg ・℃ ) 弹性系数(室温)/ 10。MPa 热膨胀系数Ot(O~lOO℃)/ 10 ℃ 热传导率(1OO℃)/ (W・rn ・℃ ) 52 钢结构 2013年第1期第28卷总第168期 张宝刚,等:不锈钢复合钢板在铁路钢桥上的应用技术 3.3 32卜Q345q—D不锈钢复合钢板 1323—2010{铁路(公路)桥采用不锈钢复合钢板》 。] 的规定。其机械、工艺性能见表5。 321一Q345q—D不锈钢复合钢板应符合Q/725— 表5 321-Q345q—D不锈钢复合钢板机械、工艺性能 “合肥桥”钢桥面板共用厚(3+14)mm的321一 Q345q—D不锈钢复合钢板1 200 t,分几批进厂后, 经按文献E33的规定取样进行复验,其屈服强度、抗 纵横向节段(块)之间均为全熔透对接焊缝连接。针 对桥面板纵横向对接焊缝施焊工艺需要,依据文献 [2]、GB/T 13148—2008 ̄不锈钢复合钢板焊接技术 要求》_6 对321一Q345q—D不锈钢复合钢板进行焊接 工艺评定试验。 4.1焊接试板接头形式、焊接方法及焊接材料 拉强度、伸长率、低温冲击性能、弯曲性能、剪切强度 等指标及复层抗晶间腐蚀性能均满足文献[2,4]的 标准规定。 4 321一Q345q—D不锈钢复合钢板焊接工艺试验嘲 焊接试板接头形式、焊接方法及焊接材料见表 6。 桥面板采用321一Q345q—D不锈钢复合钢板,其 1)试件1、试件2为桥位321一Q345q-D不锈钢 表6焊接试板接头形式、焊接方法及焊接材料 复合钢板对接焊缝,试件3为工厂321一Q345q—D不 2)试件4为工厂321一Q345q—D不锈钢复合钢 锈钢复合钢板与Q345q—D钢板对接焊缝。均采用 背面贴陶质衬垫单面焊双面成型工艺。基层CO。 焊采用实芯焊丝ER50—6(壬1.2)焊接;过渡层CO。 焊采用不锈钢药芯焊丝GFS一309L(孛1.2)焊接;复 层Co 焊采用不锈钢药芯焊丝GFS_347L((I1.2)焊 接。 Stee1 Construction.20l3(1),Vo1.28,No.168 板接料对接焊缝。基层采用CO 焊打底,埋弧焊填 充,CO。焊采用实芯焊丝ER50-6(夺1.2)焊接,埋弧 焊采用H10Mn2(争5)焊丝+SJlOlq焊剂焊接;背面 气刨清根后,过渡层CO 焊采用不锈钢药芯焊丝 GFs_3OgL(中1.2)焊接,复层C0。焊采用不锈钢药 芯焊丝GFS一347L( 1.2)焊接。 53 工程设计 3)对接焊缝采用TG一2.0Z型陶质衬垫,大间 4.2焊接试板接头施焊状况及焊缝检验 隙时采用TG一2.0M型陶质衬垫。 1)焊接试板施焊状况见表7。 表7焊接试板施焊状况 试件 熔敷简图 焊道 电 电 :。 说明 ….—锶专: :≥j毒 =一 21, 3 12o— ,11o 222O~2404o~26o 3 3oO~32~32 2O~252o~25 135 1.2 平 J、昔 焊旧^接r^ Ⅲ面衬陶垫。…T ~ 1 0 .. . 一一 4~6 80~98 18O~200 30~32 20 ̄25 }上= t 二 : 7,8 98,7O 18O~2()( ]3O~32 2O~25 136 1・2 道焊丝为GF 347L 一… i 、 z r L鐾 i 二 Ⅲ二; 20 ̄ 2 4: : z平位鼢背面衬 s~ —。 蔫 。LLLLLL一 ~1O 9O~ 98O~03O~0。~ ̄25…‘…~ 一… ‘。一 ss+ .z平位 接,s 』 二 ; 。二 。 20。~ ̄2 。4器 : :二 :二 ~ 面衬陶垫。s; ~、。 —_《{置 臣: 8,9 9o,98 18o~2oo 3o~32 2o~25 。。 ・2 道焊丝为GFS-347L 1 ~ 220~240 30~32 2O~25 135}1.2 2 120 240~260 3O~32 20 ̄25 * 一3 135 660 ̄670 30 ̄31 ]_ ” ’ 。 4 I 3 、 4 120 660 ̄670 30 ̄31 — 121 ̄5 焊丝为GFSJ3O9L;7道焊丝 一 \I \{、/\ / 5 u0 66O~670 3O~31 一 为GFS 347L埋弧焊速度为 一——— ——一 ‘~£ —~ 6 94 180 ̄200 30 ̄32 20 ̄25 …… 1 36+1 2 . 7 97 180~200 30~32 2O一25 2)试板焊后,对焊缝进行外观检查,质量符合 4.3焊接试板试验结果 规范要求;试板焊后24 h,对焊缝进行x射线探伤, 1)对接焊缝试板分别进行了焊缝金属拉伸、接 焊缝内部质量符合GB 3323—2005{金属熔化焊焊 头拉伸、接头侧弯、接头低温冲击、断面腐蚀和接头 接接头射线照相》的I级;对复层不锈钢焊缝进行着 硬度试验,接头试验各项性能满足设计图及文献 色渗透检测,质量符合JB/T 6062—2007 ̄无损检测 [3—4]的要求。接头各项性能试验结果见表8。 焊缝渗透检测》的Ⅱ级。 表8对接接头性能、硬度试验结果 注:R R 、A分别为焊缝拉伸试验的焊缝屈服强度、抗拉强度、延伸率;括号中数值为平均值。 对表8中4个焊接试板的各项试验数据分析如 [3]的规定。 下: b.焊缝塑性。焊缝金属拉伸试验结果,焊缝金 a.焊缝强度。焊缝金属拉伸试验结果及接头 属的伸长率均高于基材Q345q—D钢的标准值;对接 拉板拉伸试验结果(拉板均断在母材)中,焊缝金属 接头的弯曲试验结果均合格。焊接接头的塑性良 的强度均高于基材Q345q—D钢的标准值,满足文献 好,满足文献[3]的规定。 54 钢结构 2013年第1期第28卷总第168期 张宝刚,等:不锈钢复合钢板在铁路钢桥上的应用技术 C.焊缝韧性。接头低温冲击试验结果,一20℃ “合肥桥”桥面板采用不锈钢复合钢板,是不锈 低温冲击功均大于标准值(34 J),满足文献[3—4] 钢复合钢板在铁路钢桥上的首次应用,设计与施工 的规定。 均没有经验可借鉴。经“合肥桥”不锈钢复合钢板桥 d.接头硬度。接头硬度试验结果,接头硬度 面板的制造与安装实践,从施工角度给出现有铁路 HV10均低于350,满足文献I-3]的规定。 钢桥上采用不锈钢复合钢板存在问题和有待改进的 2)对复层不锈钢对接焊缝按GB/T 4334.5— 建议。 2000 ̄不锈钢硫酸一硫酸铜腐蚀试验方法》进行晶间 1)“铁路桥梁用不锈钢复合钢板”现依据的Q/ 腐蚀试验,试样在微沸的硫酸一硫酸铜溶液中煮16 h 725—1323—2010仅为企业标准,还没有国家或部 后,进行弯曲180。试验,试样受拉面上无因晶间腐蚀 (行业)标准可依。 而产生的裂纹,判为晶间腐蚀试验合格,满足设计图 2)对Q/725—1323—2010标准修改建议: 及GB/T 13148—2008的要求。 a.不锈钢复合钢板按批检验交货的检验批划 依据焊接工艺评定试验结果,编制桥面板321- 分规定,应考虑基层桥梁钢板的批号,同时也应考虑 Q345q-D不锈钢复合钢板的焊接工艺。 复合后热处理的炉次(不应仅是同一热处理工艺), 还应有一定量的规定。 5钢桥面系结构制作与安装[7 b.不锈钢复合钢板交货的不平度,按Q/725— 5.1 钢桥面系结构的制作与安装 1323—2010标准规定:“板厚大于15~25 mm的, 钢桥面系结构的制作与安装通常采用:1)在工 不平度为8~9 mlTl”。“合肥桥”经需、供双方协商 厂按施工图的长度分段、宽度分块,将桥面板组焊U 在订货合同中定为:“不平度争取为3~4 mm”。TB 型、板式肋,制成板单元;将横梁、次横梁、纵梁等分 10212—2009对钢板不平度要求很严,应提高铁路 别组焊成T型构件。2)在现场总拼装胎架上,将桥 桥梁用不锈钢复合钢板交货的不平度要求。 面板单元及横梁、次横梁、纵梁等T型构件组焊成 C.不锈钢复合钢板复层与基层的结合率,按 桥面板节段,同时进行桥面板节段问的预拼装。3) Q/725—1323—2010标准规定,尽管B1级要求为 在桥位将桥面板节段吊装就位,进行桥面板节段间 100 的结合率,但也允许有一定量的未结合。铁路 的桥面板对接焊缝施焊及横梁、次横梁、纵梁、纵肋 桥梁用不锈钢复合钢板交货时,应确保复合钢板边 的栓接。 缘一定范围内100 的结合要求,以避免焊缝无损 5.2“合肥桥”不锈钢复合钢板桥面板的制作工艺 检验时的误判。 1)不锈钢复合钢板边缘及坡口加工采用等离 3)不锈钢复合钢板对接焊缝的焊接,在基层与 子切割或机械刨边加工。 复层之间有过渡层焊缝,基层焊缝厚度小于基层钢 2)采用胎型控制,将桥面板组装U型、板式 板厚度。为此,不锈钢复合钢板计算强度时,应考虑 肋,制成板单元。 基层钢板厚度折减。 3)采用反变形胎型控制,施焊桥面板U型、板 式肋角焊缝。 6 结 语 4)采用火焰加热矫正桥面板板单元的焊接变 合肥铁路枢纽南环线新建两座(114.75+229.5+ 形。 114.75)m钢桁柔性拱桥,为提高钢桥面系的防腐 5)在总拼装胎架上,将桥面板板单元及横梁、 与使用寿命,桥面板采用321一Q345q—D不锈钢复合 次横梁、纵梁等T型构件组焊成桥面板节段,同时 钢板。在不锈钢复合钢板上直接铺设有碴线路(不 进行桥面板节段间的预拼装。 再设混凝土道碴槽)是钢桥面系结构的一种新形式, 6)在桥位将桥面板节段吊装就位,进行横梁、 也是不锈钢复合钢板在铁路钢桥上的首次应用。现 次横梁、纵梁、纵肋的栓接。 两座钢桁柔性拱桥已完成钢梁杆件的工厂制作,钢 7)按焊接工艺施焊桥面板节段间的纵、横向对 梁的架设也已于2011年12月完成。 接焊缝。 8)桥面板节段间的纵、横向对接焊缝施焊后, 参考文献 按TB 10212—2009 ̄铁路钢桥制造规范》中的规定 不锈钢复合钢板和钢带[s]. 对焊缝进行外观及无损检验。 (下转第45页) Steel Construction.2013(1),Vo1.28,No.168 55