桥梁钢结构基础知识
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桥梁钢结构基础知识讲座
一、常用钢材
1、结构钢牌号说明，对应标准GB221－2000《钢铁产品牌号表示方法》。
如：Q345qC
Q－屈服强度；
345－屈服强度345MPa(当δ≤16mm时，其屈服强度大小与牌号数值相同。板厚增加，强度降低，例如Q345C钢，当δ＞63mm时，其屈服强度只有315MPa)；
q－桥梁用结构钢；
C－质量等级为C级。
钢材质量等级共有A、B、C、D、E 5个级别，A级最低，E级最高，主要表现在钢中有害杂质S、P含量的多少，耐冲击温度的高低。如：
AKV(纵向)Q345A、B级钢，＋20℃，34J；
AKV(纵向)Q345C级钢，0℃，34J；
AKV(纵向)Q345D级钢，—20℃，34J；
AKV(纵向)Q345E级钢，－40℃，34J。
2、结构钢的屈强比
即钢材的屈服强度与抗拉强度之比，σs/σb 屈强比越小，强度储备越大，结构越安全可靠；屈强比越大，强度储备越小，结构越不安全可靠。一般屈强比不超过0.8。一般，钢材的强度等级越高，屈强比越大，反之，越小。
3、碳素结构钢
对应标准GB/T700-2006，有4个强度等级：
Q195（不分级）；
Q215（A、B级）；
Q235（A、B、C、D级）；
Q275（A、B、C、D级）。
用的比较多的是Q235C钢，相当于过去的A3钢。
4、低合金高强度结构钢
对应标准GB/T1591-2008, 有8个强度等级：
Q345（A、B、C、D、E级）；
Q390（A、B、C、D、E级）；
Q420（A、B、C、D、E级）；
Q460（C、D、E级）；
Q500（C、D、E级）； Q550（C、D、E级）；
Q620（C、D、E级）；
Q690（C、D、E级）。
过去的16Mn相当于Q345的A、B级。
与GB/T1591-1994对照，新标准增加了Q500、Q550、Q620、Q690强度等级，取消了Q295强度等级。
5、桥梁用结构钢
对应标准GB/T714-2000, 有4个强度等级：
Q235q（C、D级）；
Q345q（C、D、E级）；
Q370q（C、D、E级）；
Q420q（C、D、E级）。
如：南京大胜关大桥，Q370qE用于受拉部位，Q420qE用于受压部位。
6、厚度方向性能钢板
对应标准GB5313-85, 有3个等级系列：
Z15、Z25、Z35。钢板的抗层状撕裂性能采用厚度方向拉力试验的断面收缩率来评定。如：Z35钢，断面收缩率三个试样平均值不小于35％，其中单个试样不小于25%。主要是硫的含量低，如Z35钢，硫的含量不大于0.005%。
7、焊接用耐候钢
对应标准GB/T4172, 有4个强度等级：
Q235NH、Q295NH、Q355NH、Q460NH。
特点是钢中含有铜和铬，具有耐大气腐蚀的性能。
8、可焊性与碳当量
材料能否获得满意的焊接质量的性能称为材料的可焊性。碳是钢中最主要的元素，也是对可焊性最具影响力的元素。含碳量越高，可焊性越差。
把各种合金元素对材料可焊性影响的程度折合成碳对材料可焊性的影响，称为碳当量。我国的碳当量计算公式为：
Ceq（％）小于0.45%时，可焊性是良好的。
９、钢材的损耗率
１、山海关桥梁厂：
双定尺料为６％，非定尺料为８％。
２、坝陵河大桥，设计规定：一般为６％，整体节点为１０％。
二、焊接工艺评定及常用的焊接方法
1、焊接工艺评定 焊接工艺评定是编制焊接工艺的依据。
焊接工艺评定的目的，一是审定生产工艺能否实现；二是质量保证可靠程度；三是经济合理性。
机械性能试验项目、试样数量及试验方法应符合下表的规定。
机械性能试验项目、试样数量（个）
试样型式 试验项目 试样数量 试验方法
对接接头试样 接头拉伸（拉板）试验 1 按《焊接接头机械性能试验方法》
（GB2649-2654）的规定 焊缝金属拉伸试验 1
接头侧弯试验 ① 1
低温冲击试验 6 ②
接头硬度试验 1
T型接头试件 焊缝金属拉伸试验 1
接头硬度试验 1
注：①弯曲角α=180°；
②缺口开在焊缝中心及熔合线外1.0mm处各3个。
接头拉伸（拉板）试验是为了检测接头的抗拉强度，一般断在母材。屈服强度在原材料复验时已测过，此处一般不测。
焊缝金属拉伸（拉棒）试验是检测焊缝金属的屈服强度、抗拉强度及延伸率。
接头侧弯试验，弯芯直径和弯曲角度应符合母材标准对冷弯的要求。若板厚小于１０mm，做侧弯试验不便操作，可做一个面弯和一个背弯代替侧弯。
2、常用焊接方法
当前，桥梁钢结构常用的焊接方法主要是三种： 手工电弧焊、埋弧自动焊、CO2气体保护焊。
三种焊接方法的比较
方法
项目 质量 效率 灵活 抗风 抗潮 用
途
手弧焊 好 低 高 一般 差 短小焊缝
CO2 好 较高 较高 差 高 短小焊缝，及打底、填充焊
埋弧焊 很好 高 低 较好 一般 长焊缝，盖面
三、常用焊接材料
1、低合金结构钢焊条
对应标准GB/T5118－95。常用：J507，即E5015，结构钢焊条，焊缝金属抗拉强度５０kg/mm2,碱性低氢型药皮，焊接电源，直流反接。其熔敷金属冲击韧性比较高。J50２，即E5003，酸性焊条，钛钙型药皮，焊接电源，交直流两用。
2、埋弧焊低合金钢用焊丝和焊剂
熔化焊钢丝对应标准GB/T14957－94。
焊剂对应标准GB/T5293－99。焊接Q345C钢可以选用：
HJ431+H08A，或SJ101+ H10Mn2。
HJ431：HJ－焊剂；431－高锰、高硅、低氟。 H08A：H－焊接用钢丝；08－含碳量0.08%；A－高级，S、P含量低。
H10Mn2：H－焊接用钢丝；10－含碳量0.10%，Mn2－含锰量将近2％。
SJ101：SJ－烧结焊剂；101－编号，合金元素含量较低。
合金元素含量低的焊丝搭配合金元素含量高的焊剂，合金元素含量高的焊丝搭配合金元素含量低的焊剂。
3、CO2气体保护焊低合金钢用焊丝
实芯焊丝对应标准GB/T8110－95，常用：ER49-1、ER50-1、 ER69-1、ER76-1、ER83-1。ER表示焊丝，50表示熔敷金属抗拉强度最低值为550MPa。
ER49-1相当于H08Mn2Si。
药芯焊丝对应标准GB/T10045－2001。常用：E501T、E551T等，E表示焊丝，50为熔敷金属的抗拉强度等级（kg/mm2，即480MPa），１表示全位置焊接，T表示药芯焊丝。
四、电焊条
1、焊条芯，一般用H08，对应标准GB/T14957－94。
2、焊条药皮成份
造气剂：淀粉、木粉、大理石（CaCO3）等；
造渣剂：大理石（CaCO3）等矿物；
脱氧剂：硅铁、锰铁； 合金剂：硅铁、锰铁；
除氢剂：萤石（CaF2）;
粘结剂：水玻璃（硅酸钠、硅酸钾）。
硅铁、锰铁脱氧剩余部分做为合金剂。
结构钢焊条，焊条芯相同，调整药皮配方，可获得不同性能的电焊条。
3、焊条的保管与烘培
对应标准JB3223－83。
酸性焊条75～150℃，烘干1～2h；碱性焊条350～400℃，烘干1～2h。烘干后放入100～150℃保温筒内。存放焊条的架子距地面和墙壁不小于300mm，严防潮湿。
焊接材料除应符合现行国家标准外，其抽样检验尚应符合以下规定：
制造厂首次使用的焊接材料应进行化学成分和熔敷金属力学性能检验；
连续使用的同一厂家、同一型号的焊接材料，实芯焊丝逐批进行化学成分检验，焊剂逐批进行熔敷金属力学性能检验，药芯焊丝和焊条每一年进行一次熔敷金属力学性能检验；
五、焊接材料选用原则
1、等强度原则
焊接同种材料时，按焊接接头与母材等强度的原则来选择焊接材料。
2、就低不就高原则 不同强度等级钢材焊接时，按强度等级低的一种来选择焊接材料 。
3、等同性原则
碳钢或低合金钢与不锈钢焊接时，则一律采用高镍铬不锈钢焊条。
4、等条件原则
焊接承受冲击载荷构件时，采用碱性低氢型焊条。
5、低缺陷原则
对厚板多层焊时，可采用低强度等级焊接材料，有利于减少冷裂纹；焊接淬硬倾向大的中碳调质钢时可采用奥氏体焊条焊接，有利于减少冷裂纹的产生。
六、焊缝性能的控制
1、焊缝强度的控制
对接焊缝的屈服强度和抗拉强度不低于母材，并不超过母材100MPa，超过时用韧强比来控制。
一般要求φK≥0.13，关键在于焊接材料的选用，等强度即可。
2、焊缝韧性的控制
焊接接头的冲击韧性AKV（纵向）不低于母材。主要靠控制焊接热能输入，即控制焊接线能量的大小，减少热能输入；通过预热和缓冷降低冷却速度。
3、焊接线能量 vVIvqhh(J/㎝)
Ih—焊接电流；
Vh—电弧电压；
v—焊接速度，m/s；
η—系数，一般取0.8。
七、开工前的技术准备工作
编制《管理人员通讯录》、《施工组织设计》、《施工工艺方案》、《施工转换图纸》、《施工拆零图》、《焊接工艺评定任务书》、《焊缝编号说明书面》、《焊接工艺规程》、《无损检验清册》、《产品试板清册》、《高强度螺栓清册》、《涂装施工组织设计》、《生产计划》、《检验规则》、《钢材进场计划》等。要做好技术交底、场地布置、安全教育、焊工考试、工装卡具设计与制作等工作。收集特种人员从业资格证书、试验室资质等相关资料。
八、桥梁钢结构制造的主要工序
对应规范TB10212－2009《铁路钢桥制造规范》
1、原材料复验
钢材应成批验收,每批由同一厂家、同一材质、同一出厂状态（指按热处理状态供应），每10个炉（批）号抽检一组试件（每批钢材重量不得大于60t）。
每批钢材的检验项目,取样数量,取样部位和试验方法应符合下表规定
