雙工字鋼板組合梁橋防脆性斷裂設計研究

李井輝

(遼寧省交通規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；低溫環境、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跨徑連續雙工字鋼-混組合梁橋標準化設計為例，介紹下防止鋼橋發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擴展造成構件凈截面的減小直至斷開；斷裂破壞可以表現為兩種類型: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;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 ℃)下發生的，這種低溫氣候經常出現在我國的東北、華北、西北及青藏高原等。表1列出了我國部分地區歷史上出現過的極端最低氣溫值。

表1 我國部分地區歷史上出現過的極端最低氣溫

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范中防止鋼材發生脆性斷裂破壞的方法做下介紹。

2.1 前蘇聯鋼結構設計規范

前蘇聯是唯一一個把鋼結構低溫脆斷放入鋼結構設計規范的國家，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:β值為考慮低溫冷脆后構件破壞強度的折減系數(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 歐洲鋼結構設計規范

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

2.3 我國鋼結構設計規范

我國的《鋼結構設計標準》對不同工作環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范》僅對不同工作環境下鋼材的沖擊韌性值提出了要求，未對不同工作環境下的鋼板厚度及鋼構件采用何種連接方式作出規定。

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范》、《鋼結構設計標準》、《歐洲鋼結構設計規范》三套規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，承重構件和節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，分段運輸至橋址現場，在現場采用螺栓拼接的方式將各梁段連成整體。

3.4 工作環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》，將工作環境溫度和受拉鋼板厚度引起的脆性斷裂關聯在一起來研究；“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》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)

4 結 論

(1)《公路鋼結構橋梁設計規范》在防脆斷設計方面僅對不同工作環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范》、《鋼結構設計標準》、《歐洲鋼結構設計規范》，總結出了防脆性斷裂設計的實用設計方法。