桥梁钢结构基础知识

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：

A

KV

(纵向)Q345A、B级钢，＋20℃，34J；

A

KV

(纵向)Q345C级钢，0℃，34J；

A

KV

(纵向)Q345D级钢，—20℃，34J；

A

KV

(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，σ

s/σ

b

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。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%。

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%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）

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、CO

气体保护焊。

2

三种焊接方法的比较

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%；A－高级，S、P含量低。

H10Mn2：H－焊接用钢丝；10－含碳量%，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。

气体保护焊低合金钢用焊丝

3、CO

2

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

）等；

造气剂：淀粉、木粉、大理石（CaCO

3

）等矿物；

造渣剂：大理石（CaCO

3

脱氧剂：硅铁、锰铁；

合金剂：硅铁、锰铁；

）;

除氢剂：萤石（CaF

2

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φ

≥，关键在于焊接材料的选用，等强度即可。

K

2、焊缝韧性的控制

焊接接头的冲击韧性A KV （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

v

V I v q

h h ??=η(J/㎝) I h —焊接电流； V h —电弧电压；

v —焊接速度，m/s ；

η—系数，一般取。 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

2、放样、作样、号料、下料

直接在钢板上划出零件的切割线称为放样。放样一般适用于较大的矩形零件；当相同零件数量较多时，为了提高生产效率，用薄铁皮或纸板制作适用于各种形状和尺寸的样板，用来在钢材上标出切割线位置，此项工作叫做作样。一般尺寸较小的零件制作下料样板，尺寸较大的矩形零件需要切角时制作切角样板。利用下料样板在钢板上划出零件的切割线叫做号料。放样、号料以后进行切割下料。

注意杆件受力方向应与钢板轧制方向一致；要套料，节约用料；预留焊接收缩余量及加工余量。

工型杆件和箱型杆件腹板的宽度是控制杆件高度重要尺寸。所以，腹板必须经过机加工铣边或刨边，俗称“配刨”。

3、开坡口

气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式和尺寸，见GB985－88；埋弧焊焊缝坡口的基本形式和尺寸，见GB986－88。

4、组装

组装要在胎架上进行，配备相应的工装和夹具，凡是先孔的杆件都必须以孔来定位。要控制装配间隙及杆件的形状和尺寸。

翼缘板的拼接缝与腹板的拼接缝的间距不应小于200mm，相邻焊缝的间距不小于100mm，接料的长度不小于1000mm，接料错边不大于2mm。如下图

焊缝错开的最小距离

1—盖板；2—腹板；3—板梁水平肋或箱形梁纵肋；

4—板梁竖肋或箱形梁横肋；5—盖板对接焊缝

5、焊接

要选择合适的焊接工艺参数，严格控制线能量。环境温度不低于5℃，环境湿度要小于80％。

焊前，待焊区要彻底去除污物和铁锈。红锈Fe

2O

3

*nH2O,容易产生氢气孔和

氢脆。

定位焊应距设计焊缝端部30mm以上，其长度50～100mm，间距500～600mm，焊脚尺寸不大于设计焊缝的1/2。

对接焊缝要加引（熄）弧板，引（熄）弧板的尺寸为：150×80×t。起（熄）弧要在距设计焊缝以外80mm的引（熄）弧板上。

焊缝金属的熔合比：焊缝金属是由母材金属和填充金属熔合在一起组成的。母材金属占焊缝金属的百分比，称为熔合比，它影响焊缝金属的化学成份和机械性能。

焊缝金属的结晶：结晶从液态金属和固态金属的分界面开始，晶粒向散热方向相反的方向长大，晶粒长大和新晶粒生成是同步进行的。熔点高的先结晶，熔点低的后结晶。低熔点共晶体被挤向晶粒的边缘，形成“显微偏析”，对焊缝性能

影响不大。低熔点共晶体最终被挤向最后结晶区域，形成“区域偏析”。当低熔点共晶体分布方向与受力方向垂直时，极易产生裂纹。窄而深的焊缝容易产生裂纹，宽而浅的焊缝则不易产生裂纹。焊缝宽度与深度之比称为焊缝的成型系数，埋弧焊的焊缝成型系数为～为好。

焊缝的宽度：焊缝宽度等于坡口宽度两则各加2mm。

焊缝的深度：焊缝顶面到焊缝底部的最大距离。

焊缝的熔深：待焊接面熔化的深度。

6、焊缝外观质量

对应标准GB10854－88、TB10212－2009。

焊接宜在室内进行。露天焊接，手弧焊风速超过８m/s,气体保护焊风速超过２m/s时，应采取防风措施。

焊缝外观质量标准（mm）

!

注：①手工角焊缝全长的10%允许h

1错误

7、无损检验

UT－超声波探伤，对应标准GB11345－89；RT－射线探伤，对应标准GB3223

－2005；MT－磁粉探伤，对应标准GB15822－95；PT－渗透探伤。

无损检验在焊后24h以后进行。

焊缝超声波探伤内部质量分级

焊缝超声波探伤范围和检验等级（mm）

焊缝超声波检验等级应符合下列规定：

检验等级分为A、B、C三级，检验完善程度和检验工作的难度系数按A、B、C 顺序逐级增高。

A级检验采用一种角度的探头在焊缝的单面单侧进行检验，只对允许扫查到的

焊缝截面进行探测；B级检验原则上采用一种角度探头在焊缝的单面双侧进行检验，对整个焊缝截面进行探测。受几何条件的限制可在焊缝的双面单侧采用两种角度的探头进行检验，条件允许时应做横向缺陷的检验；C级检验至少要求采用两种角度探头在焊缝的单面双侧进行检验，同时要做两个扫查方向和两种角度探头的横向缺陷检验。

采用任何检验等级都应使检测系统灵敏度余量能够满足验收标准。否则应增加探测面（如双面双侧等）。

缺陷指示长度：焊缝超声波检验中，按规定的测量方法以探头移动距离测得的缺陷长度。

板厚小于等于30mm（不等厚对接时，按薄板计）的主要杆件受拉横向、纵向对接焊缝除按规定进行超声波探伤外，还应按接头数量的10%（不少于一个焊接接头）进行射线探伤，探伤范围为焊缝两端各250~300mm，焊缝长度大于1200mm时，中部加探250～300mm；厚度大于30mm（不等厚对接时，按薄板计）的主要杆件受拉横向、纵向对接焊缝除按规定进行超声波探伤外，还应按接头数量的10%（不少于一个焊接接头）增加检验等级为C级、质量等级为Ⅰ级的超声波检验。此时焊缝余高应磨平，使用的探头折射角应有一个为45°，探伤范围为焊缝两端各500mm。焊缝长度大于1500mm时，中部加探500mm。对表面余高不需磨平的十字交叉（包括T字交叉）对接焊缝应在以十字交叉点为中心的120~150mm范围内100%射线探伤。焊缝的射线探伤应符合现行国家标准《金属熔化焊焊接接头射线照相》（GB3323）的规定，射线透照技术等级采用B级（优化级），焊缝内部质量应达到Ⅱ级；

用射线和超声波两种方法检验的焊缝，必须达到各自的质量要求，该焊缝方

可认为合格；

桥面板纵肋角焊缝采用磁粉探伤，U形肋探伤比例100%，板肋探伤比例10%，探伤范围为焊缝两端各1000mm，磁粉探伤应符合现行标准《无损检测焊缝磁粉检测》（JB/T6061）的规定，焊缝质量应达到Ⅱ级；缺陷评定应符合本规范附录G 的规定；

采用超声波和磁粉进行局部探伤的焊缝，当发现裂纹时，应将该条焊缝的探伤范围延至全长。采用射线探伤的焊缝，当发现超标缺陷时应加倍检验。

超声波探伤比例为各条焊缝长度的百分比数，绝对不是部件、构件焊缝总长的百分数，这是保证每条焊缝质量的硬性规定。

签发无损检验报告书必须是具有二级证书资格人员，否则报告无效。

8、产品试板

焊缝应按下表规定的焊缝类型确定产品试板数量，接头数量少于表中数量时应做一组产品试板。产品试板焊缝经外观和探伤检验合格后进行接头拉伸、侧弯和焊缝金属低温冲击试验，试样数量和试验结果应符合焊接工艺评定的有关规定；

产品试板数量

9、制孔

优先采用数控钻孔，一端先孔（下料平整后立即钻孔），另一端后孔（杆件经调校合格后钻孔），采用整体覆盖式钻孔模板，以保证杆件孔群之间的精度。

螺栓孔径允许偏差为＋0.7mm。

螺栓孔距允许偏差（mm）

注：①连接支座的孔群中心距允许偏差；

②括号内数值为人检结构的允许偏差。

螺栓孔距允许偏差（mm）

注：①连接支座的孔群中心距允许偏差；

②括号内数值为附属结构的允许偏差。

九、焊接应力与变形

1、焊接变形产生的原因

焊接过程中由于对工件不均匀的加热，导致工件形状、尺寸改变（长宽缩短、角度改变、弯曲变形等），产生了焊接应力与变形。

(1)钢棒自由状态和刚性固定状态下的变形与应力图：

钢棒在自由状态下加热，轴向和径向尺寸加大。

自由状态

将钢棒两端固定，均匀加热，钢棒轴向无法伸长，径向尺寸加大。

固定状态(虚线表示加热变形)

(2)焊接接头3个区域的变形与应力

焊接时，焊接区拉着非焊接区一起伸长。焊接区受压应力，非焊接区受拉应力。冷却时，非焊接区阻碍焊接区收缩，焊接区受拉应力，非焊接区受压应力。

2、常见的焊接变形种类

(1)长、宽尺寸变小

由于焊缝的纵向收缩，引起杆件的纵向缩短；由于焊缝的横向收缩，引起杆件的宽度变窄。

焊缝的纵向收缩与焊缝的长度成正比；焊缝的横向收缩与焊缝的宽度成正比。

(2)角变形

由于焊缝的横向收缩，造成杆件角变形。

(3)弯曲变形

由于焊缝的纵向收缩，造成杆件的弯曲变形。

(4)波浪变形

薄板由于焊缝纵向收缩挤压，丧失稳定，造成波浪变形。

3、减小焊接变形的方法

(1)反变形法

预先将零件加工反方向变形，抵消焊接变形。

a)标准断面 b)焊接后(无变形措施)

c)采用反变形焊接前

(2)刚性固定法

焊接之前，将杆件刚性固定，减小焊接变形。如：焊接前将两条T型梁背靠背，用多个卡子刚性固定，减小角变形和弯曲变形。

a)T形梁焊后盖板角变形 b)

刚性固定T型梁断面图

4、焊接变形矫正

(1)机械矫正

用工型矫正机矫正工型梁和T型梁的角变形。

(2)火焰矫正

用火焰对杆件进行不均匀加热，造成新的变形，抵消焊接变形。

(3)机械与火焰矫正

利用机械和火焰共同作用，矫正焊接变形。

零件矫正宜采用冷矫，矫正后的钢材表面不应有明显的凹痕或损伤。

采用热矫时，加热温度应控制在600~800℃；温度降至室温前，不得锤击钢材。

十、试拼装和预拼装

1、试拼装

钢桥应按试装图进行厂内试装。试拼装的目的是检查设计是否存在不足，以及加工精度是否满足设计要求。

厂内试拼装，一般采用3＋1的形式。

TB10212－2009规定：

试装应在测平的台凳上进行，杆件应处于自由状态。

试装时，必须使板层密贴，冲钉不得少于螺栓孔总数的10%，螺栓不得少于螺栓孔总数的20%。

试装过程中应检查拼接处有无相互抵触情况，有无不易施拧螺栓处。

试装时，必须用试孔器检查所有螺栓孔。主桁的螺栓孔应100%自由通过较设

计孔径小0.75mm的试孔器；桥面系和连接系的螺栓孔应100%自由通过较设计孔径小1.0mm的试孔器；板梁的螺栓孔应100%自由通过较设计孔径小1.5mm的试孔器方可认为合格。

磨光顶紧处应有75%以上的面积密贴，用0.2mm塞尺检查，其塞入面积不得超过25%。

试拼装经验收合格后解体，转入涂装工序。

2、预拼装

将杆件预先拼装成桁片或节段，再进行吊装的工作称为预拼装。工地预拼装是厂内试拼装的再现。

TB10415－2003《铁路桥涵工程施工质量验收标准》规定：在支架上拼装钢桁梁时，冲钉和高强度螺栓总数量不得少于孔眼的1/3，其中冲钉应占2/3，孔眼较少部位冲钉和高强度螺栓数量不得少于6个。

十一、涂装

对应标准TB1527－2004，《铁路钢桥保护涂装》。

1、涂料

涂装材料的检验应符合下列规定：

涂装材料按《铁路钢桥用防锈底漆供货技术条件》（GB/T 2772）、《铁路钢桥用面漆、中间漆供货技术条件》（GB/T 2773）、《富锌底漆》（HG/T 3668）、《铁路钢桥保护涂装》（GB/T 1527）进行检验；

每个涂装材料品种按不同生产批号各抽取一个样品，样品的数量应满足检验的需要；

检验结果中如有某项指标存在争议时，允许在该批涂装材料中再随机抽取一