CN105648897B - 一种桥梁用h型钢结构 - Google Patents

Abstract

一种桥梁用H型钢结构，包括腹板、上翼板、下翼板，在上翼板和腹板间设置两条加强筋，在下翼板和腹板间也设置两条加强筋，在上、下翼板上设置有贯通孔，在上翼板上表面设置耐磨板。在钢结构上设置加强筋可提高上下翼板的承载力，在上下翼板上设置的贯通孔可减少钢结构在挤压、碰撞过程中所产生的形变，避免产生例如倾斜或扭曲的现象，保证结构件在垂直方向上的受力。在上表面设置的耐磨板可以保证结构的耐磨性和抗疲劳性，在耐磨板上设置的通孔可保证在受到剧烈外力冲击时保证结构件整体的完整性。该H型钢可应用于斜拉桥、悬索桥和铁路桥的建设，也可用于城铁、地铁和轻轨的建设。

Description

一种桥梁用H型钢结构

技术领域

本申请涉及一种钢结构，尤其涉及一种桥梁用H型钢结构。

背景技术

近几十年是我国钢桥事业发展的高速期，许多创世纪的桥梁工程已建成通车，标志着我国从桥梁大国向桥梁强国迈进。

2008年我国苏通长江大桥建成通车，这座主跨1088m的双塔双索面钢箱梁斜拉桥用钢5万吨，梁段分19种类型，143段制造，最大吊重达到1600t。2009年，跨度1018m的香港昂船洲桥成为世界第二跨度斜拉桥并合龙。2007年，主跨1650m的西堠门大桥合龙，成为我国最大跨度的悬索桥。同年，主跨1280m的阳逻长江大桥建成通车，成为我国第三跨度的悬索桥。

而铁路桥方面，主跨504m的武汉天兴洲大桥2008年合龙，目前动车组已经通行。天兴洲大桥为武汉到广州客运专线在武汉跨越长江的双塔三索面钢桁梁公铁两用斜拉桥，4线铁路6车道公路，正桥全长4657米。

在各种桥梁中，例如大跨度斜拉桥、悬索桥和铁路桥方面，对于所使用的钢结构有较高要求，不但需要有一定的强度、韧性和抗疲劳性能，同时还需要具备模数大、重量轻的特点。H型钢作为一种建筑用钢，由于截面形状经济合理，力学性能好，因此在桥梁中得到广泛的应用。

发明内容

本申请提供一种桥梁用H型钢结构，包括腹板、上翼板、下翼板、加强筋；其特征在于：在上翼板和腹板间设置两条加强筋，在下翼板和腹板间也设置两条加强筋，四条加强筋以腹板中心为轴呈对称结构。加强筋可以提高上下翼板的承载力。

而对于加强筋设置的角度，一般情况下将加强筋与腹板的夹角设置在30-45°之间，优选30°，将加强筋与上翼板，以及加强筋与下翼板的夹角设置在45-60°之间，优选60°。

进一步地，上翼板设置有两个贯通孔，两个贯通孔分别位于靠近H型钢结构上翼板的两端部。同样，在下翼板也设置有两个贯通孔，两个贯通孔分别位于靠近H型钢结构下翼板的两端部。

在翼板上设置的贯通孔可以降低H型钢结构在挤压、碰撞过程中所产生的形变，减少由于形变所导致的H型钢整体结构变形，产生例如倾斜或扭曲的现象，保证H型钢整体结构的结构稳定，保证结构件的受力保持在垂直方向上，进一步保证加强筋可以起到支撑受力的作用，防止加强筋受到局部应力而损坏。对于上翼板和下翼板上的贯通孔的形状，一般加工为截面为近似圆型或圆型，以保证其受力均匀。

由于桥梁桥面所承受的压力比其它部分更大，除了在H型钢结构上设置多个加强筋外，为了避免桥梁表面受到较大能量的冲击导致破损，从而影响结构整体的受力。本申请进一步在H型钢结构的上表面设置一层耐磨板，耐磨板在竖直方向的截面设置多个通孔，通孔截面的形状可以是弧形，也可以是半圆形。耐磨板一方面可以保证桥梁表面承受更多的磨损，更重要的是当上表面受到外力剧烈冲击时，加强板上所设置的通孔结构可以吸收大部分的能量，从而保证结构整体结构不会发生损坏。通孔的数量一般为3-7个，在耐磨板上均匀分布。

对于H型结构钢的成份，在系统申请《一种H型钢及其生产方法》中有详细描述，在此全文引用该系列申请，并且拥有上述申请的全部权益。本领域技术人员应该明了，本申请是在上述系列申请的基础上，对H型钢的结构的进一步改进。

H型结构钢的化学成份组成为：C：不超过0.015％，Si：0.20-0.35％，Mn：不超过1.00％，Cu：不超过0.20％，Ti、Nb、V中的至少一种，Cr、Mo、Ni中的至少一种，P≤0.015％，S≤0.015％，其余为铁及不可避免的杂质元素。本领域技术人员应当明了，上述部分对含量的限定均为质量百分比，同理，在下文中所有出现的含量均为质量百份比。

由于一般建筑用钢采用不同冷却速度所得到的组织变化较大，可形成多种组织形貌，而当采用超低碳钢，尤其是超低碳贝氏体钢，其显微组织随冷却速度变化不大，以细颗粒状贝氏体为主，从而可以保证型钢的高强度。本申请得到的H型钢其显微组织基本上为贝氏体组织。

日本川崎制铁早期采用调整钢材成份得到贝氏体H型钢以解决强度不高的问题，然而，其所采用的0.020％的碳含量并不能完全解决强度稳定的问题，因此本申请采用碳含量不超过0.015％的技术，以进一步提高其强度的均匀性。究其原因在于所得到碳含量对于贝氏体的均匀分布具有较明显的作用，且优选碳含量不超过0.013％。本领域技术人员明了由于技术条件，钢材中碳含量不可能为零。

由于碳含量的减少可导致屈服点和抗拉强度的降低，为稳定其屈服比及抗拉强度，适当对Mn含量进行调整，即将Mn含量降低，控制范围不超过1.00％，优选0.50-1.00％。另外，对于锰碳比，应控制在50-70范围之内为佳，在此范围更有利于保持型材的高强度。

对于元素Si来说，可提高钢材的硬度，其用量限定在0.20-0.35％为宜。

根据川崎制铁的研究，H型钢中添加适当量的Cu元素，可通过析出强化来进一步提高型钢的强度，但铜作为残余元素，对于钢材的热脆性以及循环利用产生不利影响，因此本申请在其研究基础上降低了钢中铜的用量，将其含量控制不超过0.20％，优选0.15-0.20％，以提高废钢的循环利用率。

但随着Cu含量的减少，H型钢不可避免地会产生强度降低的问题。为避免强度的降低，可采用提高合金元素的方法来保证H型钢的高强度。目前国内常见的H型钢的合金化元素包括在钢中仅添加Ti或Nb或V，以形成碳化物或氮化物或碳氮化物来提高强度，也有部分厂家例如长治和日照钢铁采用添加两种或三种合金化元素来提高强度的。而本研究表明，采用单一或两种的合金化元素虽然可以提高强度，但也会产生部分其它不利影响，首先不可避免的是使用一种元素导致合金的用量增加，提高生产成本，其次任何一种元素的过量使用均会对钢材产生负面影响。举例来说，过多的元素Ti会形成粗大的碳氮化钛夹杂物，影响钢结构的韧性，过多的元素Nb会使钢材的塑性和韧性下降，过多的元素V影响钢结构的加工性能。

因此，本申请采用多种合金化元素混合加入的方式，其各合金化元素的用量相对于现有技术相比，具有用量少的明显区别。

具体来说，本申请所采用的技术方案中采用同时添加Ti、Nb、V。具体而言，Ti：0.01-0.02％，Nb：0.05-0.10％，V：0.03-0.05％，优选的方案为Ti：0.01-0.015％，Nb：0.06-0.08％，V：0.035-0.045％。采用上述用量，不但可以保证所得到的H型钢具有与现有技术例如马钢的H型钢相同的性能，另外由于合金化元素用量的减少，其产品的成本可得到进一步降低。

还可以在H型钢中进一步添加可形成复杂点阵结构的合金化元素，例如元素Cr，可以进一步地提高H型钢的性能，本申请中元素Cr含量限定为0-0.20％，优选为0.10-0.20％。

还可以在H型钢中进一步添加元素Mo，由于元素Mo具有晶粒强化的作用，且可提高其脆性，因此可抑制多种合金元素对韧性的影响，其用量为0-0.10％，优选为0.02-0.03％。

还可以在H型钢中进一步添加元素Ni，其除了对强度产生积极影响外，还可以提高H型钢的耐蚀性，其用量为0-0.10％，优选为0.05-0.08％。

对于H型钢来说，钢中元素P和元素S属于有害元素。元素S一般以MnS或FeS的形式存在，元素P可明显降低韧性。因此，对于本申请，元素S的含量限定不高于0.015％，元素P的含量限定不高于0.015％，超过此用量，H型钢的性能会产生下降。

另外，对于合金化元素来说，过量的合金化也会产生副面影响，其影响在前文已经阐述在此不重复，因此，对于Ti和Nb和V来说，其用量之和所占质量百分比应控制在0.1-0.12％的范围之内。对于Cr和Mo和Ni来说，其用量之和所占质量百分比应控制在0.20-0.25％的范围之内。

实验表明，对于合理控制合金化元素的用量，例如对于Ti和Nb和V来说，其用量之比优选为1∶6-7∶3-4，可保证H型钢性能的优化。另外对于Cr和Mo和Ni来说，其用量之比优选为5-6∶1∶2-4，在上述比例范围内，也可保证H型钢性能达到更佳。

另外，本申请相对于川崎制铁的技术，各合金化元素用量大幅减少，而不必添加稀土或钙或硼等元素，而得到的产品性能优于川崎制铁的产品，因此具有显著的进步。

对于该H型钢的生产方法，其步骤包括：预处理，冶炼，精炼，连铸，轧制，后处理。

所述预处理为铁水脱硫预处理，所述冶炼为顶吹转炉冶炼，并在冶炼过程中调节各合金化元素的含量，所述精炼为LF精炼，所述连铸为连铸保护浇注；所述轧制的均热温度为1150-1290℃，铸坯在炉内时间为180-360min，所述后处理为矫直处理。

采用上述方法及配比所得到的H型钢屈服强度大于480-500MPa，抗拉强度为620-670MP，且具有良好的韧性和焊接性能。

另外，根据制钢所所披露的技术资料，元素铼(Re)对于对超低碳钢的性能具有明显强化的作用，其仅以极其微量的添加量即可对固溶强化发挥重要作用，尤其针对马氏体钢来说，由于马氏体钢中元素铼的浓度变化通常极小，因此对于基体组织的稳定性，以及材料的韧性方面可发挥重要作用，但由于其成本高，出于降低成本的目的，一般不宜使用。本研究仅在下文所述的实施例11和12的基础上添加了少量的元素铼，结果表明所得材料的性能仍可进一步提升，出于成本考虑，元素铼的用量约等于元素碳的含量即可达到较佳的效果，且过量的使用会导致型材加工性能的降低。

另外，对于上翼板表面设置的耐磨板，其成份可选用常规的耐磨钢，例如高锰耐磨钢。

与现有技术相比，在钢结构上设置加强筋，可以提高上下翼板的承载力，在上下翼板上设置的贯通孔，可以减少钢结构在挤压、碰撞过程中所产生的形变，避免产生例如倾斜或扭曲的现象，同时保证结构件在垂直方向上的受力。H型钢结构上表面设置的耐磨板一方面可以保证结构的耐磨性和抗疲劳性，另一方面在耐磨板上设置的通孔可以保证在受到剧烈外力冲击时，保证结构件整体的完整性。

H型钢的组成成份与现有技术相比，具有良好的屈服强度和抗拉强度，钢材所使用的合金化元素用量少，减少生产成本；并且工艺简单，合金回收利用率高，生产效率良好，适于大规模生产。

附图说明

附图1是实施例1的H型钢结构的结构示意图。

附图2是实施例2的H型钢结构的结构示意图。

在附图中：1腹板，2上翼板，3下翼板，4加强筋，5贯通孔，6耐磨板，7通孔。

具体实施方式

实施例1：一种桥梁用H型钢结构，包括腹板1、上翼板2、下翼板3、加强筋4，在上翼板2和腹板1间设置两条加强筋4，在下翼板3和腹板1间也设置两条加强筋4，四条加强筋以腹板中心为轴呈对称结构。加强筋与腹板的夹角为30°，加强筋与上翼板，加强筋与下翼板的夹角设置为60°之间。另外，在上翼板2设置有两个贯通孔5，两个贯通孔5分别位于靠近H型钢结构上翼板2的两端部。下翼板3设置有两个贯通孔5，两个贯通孔5分别位于靠近H型钢结构下翼板3的两端部。上翼板2和下翼板3上的贯通孔5截面均为近似圆型。

实施例2：一种桥梁用H型钢结构，包括腹板1、上翼板2、下翼板3、加强筋4，在上翼板2和腹板1间设置两条加强筋4，在下翼板3和腹板1间也设置两条加强筋4，四条加强筋以腹板中心为轴呈对称结构。加强筋与腹板的夹角为30°，加强筋与上翼板，加强筋与下翼板的夹角设置为60°之间。另外，在上翼板2设置有两个贯通孔5，两个贯通孔5分别位于靠近H型钢结构上翼板2的两端部。下翼板3设置有两个贯通孔5，两个贯通孔5分别位于靠近H型钢结构下翼板3的两端部。上翼板2和下翼板3上的贯通孔5截面均为近似圆型。在上翼板2上表面设置耐磨板6，耐磨板6在竖直方向的截面设置多个通孔7。通孔的形状为弧形。

实施例3-14：实施例3-14为实施例1-2中H型钢结构中材料的化学成分重量百分比，余量为铁及不可避免的杂质未在表中示出，具体成份如表1所示。

其中实施例3-14的型钢的制备方法为：首先对铁水进行脱硫预处理，然后进入转炉进行冶炼，冶炼过程添加合金控制成品的元素含量，然后进行铸造工序，铸造过程采用全程保护浇注，接下来进行轧制处理，控制加热温度在1150-1290℃范围内，在加热炉中加热时间控制在180-360min，最后进行矫直处理得到成品。本申请并未对制备工艺进行详述，上述技术工艺对本领域技术人员来说显而易见是容易实现的。

对实施例3-14得到的H型钢测量其力学性能：其中实施例3-5的材料屈服强度为483MPa、481MPa、480MPa，抗拉强度为627MPa、623MPa、625MPa；实施例6-8的材料屈服强度为486MPa、485MPa、490MPa，抗拉强度为643MPa、639MPa、639MPa；实施例9-10的材料屈服强度为494MPa、492MPa，抗拉强度为650MPa、655MPa；实施例11-12的材料屈服强度为497MPa、499MPa，抗拉强度为664MPa、668MPa，实施例13-14的材料屈服强度为503MPa、505MPa，抗拉强度为680MPa、686MPa。

从表1中各实施例的成份及力学性能来看，对材料力学性能具有影响的首先在于钢材料元素的组成，其次在于各元素的含量，再次对于各元素用量的比例或用量和，例如实施例9-10对于Ti、Nb和V的用量之和及比例进行调节，实施例11-12对Cr、Mo和Ni的用量之和及比例进行调节，可以进一步提高型材的力学性能。

以上实施例仅用于说明而非限制本申请的技术方案，本领域技术人员应当理解，依然可以对本申请进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本申请的权利要求范围之中。

Claims (7)

1.一种桥梁用H型钢结构，包括腹板、上翼板、下翼板、加强筋；其特征在于：在上翼板和腹板间设置两条加强筋，在下翼板和腹板间也设置两条加强筋，四条加强筋以腹板中心为轴呈对称结构；

对于加强筋设置的角度，将加强筋与腹板的夹角设置在30-45°之间，将加强筋与上翼板，以及加强筋与下翼板的夹角设置在45-60°之间；

所述H型结构钢的化学成份组成为：C：不超过0.015％，且C含量不为零，

Si：0.20-0.35％，Mn：0.50-1.00％，Cu：0.15-0.20％，

Ti：0.01-0.02％，Nb：0.05-0.10％，V：0.03-0.05％，

Cr：0.10-0.20％，Mo：0.02-0.10％，Ni：0.05-0.10％，

P≤0.015％，S≤0.015％，其余为铁及不可避免的杂质元素；

对于Ti和Nb和V来说，其用量之和所占质量百分比控制在0.1-0.12％的范围之内；

对于Cr和Mo和Ni来说，其用量之和所占质量百分比控制在0.20-0.25％的范围之内；

对于锰碳比，控制在50-70范围之内；

得到的H型结构钢的显微组织基本上为贝氏体组织。

2.根据权利要求1所述的H型钢结构，其特征在于：上翼板设置有两个贯通孔，两个贯通孔分别位于靠近H型钢结构上翼板的两端部。

3.根据权利要求2所述的H型钢结构，其特征在于：下翼板设置有两个贯通孔，两个贯通孔分别位于靠近H型钢结构下翼板的两端部。

4.根据权利要求3所述的H型钢结构，其特征在于：上翼板和下翼板上的贯通孔截面均为近似圆型。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的H型钢结构，其特征在于：在上翼板上表面设置耐磨板，耐磨板在竖直方向的截面设置多个通孔。

6.根据权利要求5所述的H型钢结构，其特征在于：通孔截面的形状是弧形。

7.根据权利要求5所述的H型钢结构，其特征在于：通孔截面的形状是半圆形。