桥梁钢结构用钢板取样.doc

桥梁钢结构用钢板取样对检测影响

海河特大桥钢桁梁用钢板力学、化学、负温冲击功试验、原材探伤、厚度方向性能试验的抽样、取样、试样制备对试验结果的影响。

工程简介及钢板原材的技术要求。
海河特大桥为天津市滨海新区西外环高速公路工程（津汉高速-海景大道）第十一标段里程为K24+339.000---K+25+979.000全长1640.0m。主桥跨径布置为95m+140m+95m，上部结构采用钢桁架连续梁设计。主桥分为上下两幅，每幅横向由6榀桁架组成，一榀桁架由上弦杆下弦杆和腹杆组成。上桁架下桁架为箱型截面，上桁架为等高箱型截面，下桁架为变高度箱型截面。普通段采用20mm的钢板，下弦杆在中墩局部区域采用30mm的钢板。桥梁横向联系分为上横撑下横撑和上下平纵联。横向平纵联普通段采用16mm的钢板，局部加强区域采用20mm的钢板。全桥桁架节点采用全焊接的加工方法，对钢板材质及焊接工艺要求较高。本桥钢材采用Q345qD，其化学成分及机械性能应符合GB/T714-2008 桥梁用结构钢的有关规定，厚度还应符合GB5313-85厚度方向性能钢板，大于等于30mm厚的钢板还需无损检测。大于等于30mm厚的钢板为Q345qD-Z25的还需进行厚度方向性能试验。
相应的规范及要求
JTG/T F50-2011 公路桥涵施工技术规范
材料除应有生产厂家的质量证明书外，制造厂还应按相应标准进行抽样复验，复验合格后方可使用。
钢材应按同一厂家、同一材质、同一板厚、同一出厂状态，每10个炉（批）号抽检1组试件。若订货为探伤钢板，尚应抽检每种板厚的10%（至少1块）进行超声波探伤。
外观检测，当钢材表面有锈蚀、麻点或划痕等缺陷时，其深度不得大于该钢板厚度允许偏差的1/2.。
钢材端边或断口处不应有分层、夹渣等缺陷。
GB/T714-2008 桥梁用结构钢
试验方法
钢板的各项检验项目取样数量取样方法和试验方法应符合下列规定。
序号
检验项目
取样数量
取样方法
试验方法
1
化学分析
1个
GB/T20066
GB/T223、 GB/T4336、GB/T20125
2
拉伸试验
1个
GB/T2975
GB/T228
3
弯曲试验
1个
GB/T2975
GB/T232
4
冲击试验
3个
GB/T2975
GB/T229
5
Z向钢厚度方向断面收缩率
3个
GB/T5313
GB/T5313
6
无损检测
逐件
按无损检验标准规定
协商

牌号表示方法
钢的牌号由屈服强度的汉语拼音字母、屈服强度数值、桥字的汉语拼音字母、质量等级符号等几部分组成。
如Q345qD。Q-屈服强度的“屈”汉语拼音字母；
345-屈服强度数值，单位MPa；
q-桥梁用结构钢的“桥”汉语拼音字母；
D-质量等级为D级。
力学性能
钢材的力学性能应符合下表：
牌号
质量等级
拉伸试验
V型冲击试验
下屈服强度MPa
抗拉强度MPa
断后伸长率%
试验温度℃
冲击吸收能量kv2/J
厚度mm
≤50
＞50--100
不小于
不小于
Q345qD
D
345
335
490
20
-20
47
工艺性能
钢板的弯曲试验，弯曲试验后试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹。当供方保证可不做弯曲试验。
180°弯曲试验
厚度≤16mm
厚度＞16mm
d=2a
d=3a
注：d为弯芯直径，a为试样厚度。
取样方向：钢板和钢带取横向试样。
化学
牌号
质量等级
化学成分（质量百分数）%
C
Si
Mn
P
S
Q345qD
D
≤0.18
≤0.55
1.00—1.70
≤0.025
≤0.020
桥梁用结构钢由转炉或电炉冶炼，并应进行炉外精炼。
冲击韧性
厚度不小于6mm或直径不小于12mm的钢材应做冲击试验，冲击试样尺寸10×10×55mm的标准试件，对于小于10mm板材取钢板厚度的长方体。
断面收缩率的测量和计算
厚度方向拉力试验按GB228-2002《金属拉力试验法》进行。
断面收缩率（%）按下式计算фz=[(F0-F)/ F0]×100
式中： F0--试样原始截面积， mm2； F0=1/4×π×d02 mm2；
F--试样断裂后的最小横截面积， mm2；
F=1/4×π×+（d1 + d2）2 mm2；
d1 、d2为两个互相垂直的直径的测量值。如果断面呈椭圆形，则d1 、d2表示椭圆的两根轴。
重验；如果试验加工不当或焊接不良，则试样应作废，若试样断裂在焊缝或热影响区，则试验应无效。此时可在同一样坯上补取试样重做试验。
钢板的冲击试验结果按一组3个试件的算术平均值进行计算，允许其中有一个试验值低于规定值，但不低于规定值的70%。如果没有满足上述条件，应从同一抽样产品上再取3个试件进行试验，先后6个试样试验结果的算术平均值不得低于规定值，允许其中有2个试验值低于规定值，但不低于规定值的70%的试样只允许有一个。如果不符合，对于按批检验的钢板，允许逐张检验交货。
超声波检测
GB/T2970-2004《厚钢板超声波检测方法》
钢板广泛的应用在钢梁制造中，它是各种焊接结构的重要材料，厚度一般从几毫米到100毫米不等。钢板中最容易产生的缺陷是夹灰、夹层和重皮。这些缺陷如超过一定的范围则不能使用。过去一般工厂是在每块钢板的任意一端切取试样进行均匀性的试验，发现有夹层等现象时，即予报废。这样的检验方法事实证明不够可靠，认为合格的钢板，在生产过程中仍会发现缺陷现象，而在认为报度的钢板中有的则仅在端部有缺陷，其余部分均是好的。为了确保产品质量和节约原材料，采用全面而无损的检验方法较为妥当。超声波是检验钢板的最有效的方法，它能迅速准确地探测出缺陷的分布情况。
钢板常见缺陷及产生部位，钢板常见的内部缺陷有折叠、分层、夹杂、裂纹等。折叠是轧制中在钢板表面或近表面的局部形成折合金属层。分层是板坯缩孔残余或非金属夹杂物或金属氧化物硫化物等缺陷在轧制中轧扁未能焊合形成，缺陷多出现在钢板中部或偏中部与版面基本平行。夹杂是轧制时因压缩比小未能焊合造成，缺陷的部位是无序分布。裂纹主要是白点（轧制冷却中氢气来不及扩散形成的小裂纹）或热处理不当，一般在板面。
原材料多为热轧中厚板，钢板在出厂时都经过质量检验。但生产厂为保证产品质量，在钢板进厂后还要对其理化性能再次进行验证。为剔除分层超标等缺陷，需对钢板进行超声波探伤。钢板超声波探伤通常是在线进行，并设置在生产线的最前面，以免不合格的钢板进入后面工序。板面的扫查方式钢板先放置在输送辊道上，匀速前进。一组对板面进行探伤的探头均匀布置在横向扫查探头架上，该探头钢板压延方向的板边探伤，根据标准要求，每边采用三只探头组合完成。
板头板尾的探伤，可由横向扫查探头完成。即当板头到达探头下时停住，探头架摆动完成扫查。随后进行板面的扫查，最后板尾到达探头下时，再次停下，探头架摆动完成板尾扫查。
制定探伤等级，为探伤缺陷的等级判定提供依据； 
通过钢材来料探伤的等级评定，加强对钢材品质的控制，对合 
理选材用材提供参考。
检验部位，从钢板的任一轧制平面进行检验。
探头扫查形式，探头沿垂直于钢板轧制方向，间距不大于100mm的平行线进行扫查。在钢板周边50mm及剖口预定线两侧各25mm内沿其周边进行扫查。 利用双晶探头时，探头隔声层应与轧制方向平行。根据合同或技术协议书或图纸要求，也可以作其他形式的扫查或100%扫查。自动检验也可沿平行与钢板压延方向扫查。
检验速度，用直接接触法时，扫查速度应不影响探伤。但在使用不带自动报警功能的探伤装置进行超声方法扫查时，速度不大于200mm/s。

厚度 Z向钢厚度方向断面收缩率下表，3个试样的算术平均值不低于规定平均值，仅允许其中有一个试验值低于规定平均值，但不得低于相应级别的单个试样值
项目
Z向钢断面收缩率 %
Z向性能级别
Z15
Z25
Z35
3个试样平均值
≥15
≥25
≥35
单个试样值
≥10
≥15
≥25

GB5313-85厚度方向性能钢板，钢板厚度方向性能级别及其断面收缩率的平均值和单个值应符合下列规定

级别
断面收缩率
备注
三个试样平均值%
单个度样值
不小于%
Z15
15
10

Z25
25
15

Z35
35
25

样坯应在钢板轧制方向的任意一端中部截取，其大小应能制做6个拉力试样，加工其中3个，其余3个留作备用。
试验采用圆形试样，其直径应符合下表规定，试样平行长度应不小于直径的1.5倍。
板厚a（mm）
试样直径d。（mm）
a≤25
d。=6
a＞25
d。=10
试样可由板厚加工而成，当不能直接在钢板厚度方向上加工时，可采用焊上夹持段的全厚度拉力试样。
试样夹持段的焊接可采用任何适宜方法（如摩擦焊、手工电弧焊）进行，但任何焊接方法都应使热影响区最小，且不得使热影响区进入试验的平行长度之内。
试样取样位置如如第一张图。
图一

加工成型的拉力试件如第二张图。
图二

GB/T2975-1998 钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备
定义及符号
试料 为了制备一个或多个试样，从抽取样品中切取足够量的材料。
样坯 为了制备试样，经过机械处理或所需热处理后的试样。
试样 经机加工或未经加工后，具有合格尺寸且满足试验要求的状态的样坯，成为试样。

在钢板上切取拉伸样坯的位置，如上图所示。
一般要求
1. 在产品不同位置取样时，力学性能会有差异。本标准规定的位置取样，则认为具有代表性。在宽度的1/4处，或长度和宽度的1/4处取。
2. 应在外观及尺寸合格的钢产品上取样。试样应有足够的尺寸以保证机加工出足够的试样进行规定的试验及复验。
3. 取样时，应对抽样产品、试料、样坯、试样作出标记，以保证能够始终识别取样的位置和方向。
钢的化学分析用试样取样法
钢的化学成分分为熔炼分析和成品分析用试样的取样。
1熔炼分析熔炼分析是指在钢液浇注过程中采取样锭然后进一步制成试样并对其进行的化学分析分析结果表示同一炉或同一罐钢液的平均化学成分
2成品分析是指在经过加工的成品钢材包括钢坯上采取试样，然后对其进行的化学分析。成品分析主要用于验证化学成分，又称验证分析。由于钢液在结晶过程中产生元素的不均匀分布偏析，成品分析的值有时与熔炼分析的值不同。成品化学成分允许偏差是指熔炼分析的值虽在标准规定的范围内，但由于钢中元素偏析成品分析的值可能超出标准规定的成分范围，对超出的范围规定一个允许的数值，就是成品化学成分允许偏差。
3用于钢的化学成分熔炼分析和成品分析的试样，必须在钢液或钢材具有代表性的部位采取。试样应均匀一致能充分代表每一熔炼号或每一罐或每批钢材的化学成分，并应具有足够的数量以满足全部分析要求。化学分析用试样样屑可以钻取刨取或用某些工具机制取，样屑应粉碎并混合均匀。制取样屑时不能用水、油或其他润滑剂，并应去除表面氧化铁皮和脏物，成品钢材还应除去脱碳层、渗碳层、涂层、镀层金属或其他外来物资。当用钻头采取试样样屑时对熔炼分析或小断面钢材成品分析钻头直径应尽可能的大，至少不应小于6mm，对大断面钢材成品分析钻头直径不应小于12mm。供仪器分析用的试样样块，使用前应根据分析仪器的要求适当地给以磨平或抛光。
4往样模内浇注钢液时钢流应均匀不应使钢液流出或溢溅样模不得注满应使样模内钢液镇静地冷疑沸腾钢可加入适量高纯度金属铝使其平静样锭不应有气孔和裂缝。
5成品化学分析时，对纵轧钢板，钢板宽度小于1米时，取样沿钢板宽度方向剪切一条宽50mm长500mm的样带。将样带两端对齐，折叠1-2次或多次并压紧弯折处，然后在其长度中间沿剪切的内侧刨取或自表面用钻通的方法钻取。厚钢板不能弯折时，则按上述相应折叠的位置钻取或刨取，然后将等量的样屑混合均匀。对样屑或粉末状样品，其质量一般为100克。

焊接性
各种厚度的钢板与焊接材料组成焊件，来综合检查钢板可焊性及焊丝、焊剂与焊机、环境、人员是否达到焊接的质量要求。焊件的试验项目包括化学分析、力学性能、负温冲击功能够达到钢板原材的性能。

具体实施过程如下:
自2013年基础桩基施工完成之后，就进行钢板厂家考察，分别考察了秦皇岛首秦金属材料有限公司、秦皇岛首钢板材有限公司、天津钢铁集团有限公司三家桥梁板生产厂家。最终确定使用秦皇岛首秦金属材料有限公司作为钢板供应厂家。在就供货的技术要求和设计单位沟通后对厂家提出明确要求主要有对大于等于30mm厚的钢板需为超声波探伤并提供厂家超声波探伤报告。大于等于30mm厚的钢板为Q345qD-Z25的需满足厚度方向性能试验。
考虑就进加工和原材运输方便、半成品组装件通过海河船运，选择在河海二道闸的宝成集团作为加工基地。选好加工厂址后按先加工的上下弦杆所用的钢板厚度进场钢板，并钢板厚度及炉批号验收并取样进行复检。先进场的钢板厚度有20mm、24mm、30mm，按厚度及批炉号分别取样。对钢板厚度30mm的，除厂家提供每件钢板超声波检测报告外，验收还随机抽取10%的钢板进行超声波检测确保主要钢板的质量和性能。钢板超声波探伤时要清除钢板表面锈蚀和氧化皮，避开强光、辐射、腐蚀和强震动等场所。探头扫查时保持均衡的压力。在探头与钢板之间抹上耦合剂，有利于声波进入钢板也可减少摩擦。选择耦合剂，应根据钢板表面粗糙度和钢板用途。温度高的钢板用水耦合能降温，干燥快，钢板不易生锈，不会像抹机油作耦合剂的钢板在吊装时容易脱钩，下料划线时易打滑、不易上漆等；探伤竖立的钢板，选择黏度稠附着性好的浆糊或机油。总之，从经济方便附着性好适用无污染等多方面考虑，一般选用水、机油、浆糊、水玻璃等。
在产品不同位置取样时，力学性能会有差异，规范规定了取样位置则具有代表性。应在钢板宽度的1/4切取拉伸、弯曲和冲击样坯。厚度方向断面收缩率试样在长度方向的宽度方向的1/4处取样，当厚度小于50mm时，还需帮焊加工制成样坯。拉伸、弯曲和冲击样坯取400×400mm并标注轧制方向，加工样坯时用烧割法和冷剪法取样所留加工余量。一般应不小于钢产品的厚度或直径，但最小不得少于20mm。对于厚度或直径大于60mm的钢产品，其加工余量可根据供需协议适当减小。
冷剪样坯所留的加工余量可参考下表。
直径或厚度mm
加工余量mm
≤4
4
＞4-10
直径或厚度
＞10-20
10
＞20-35
15
＞35
20

取样坯时，应取两份一份试验另一份备用。上下弦杆多用是钢板厚度20mm、24mm、30mm，选用400×400mm的样坯，试件直径10mm，板厚30mm则一个试件宽度为30+10+30=70mm。取一个拉伸宽70mm一个冷弯宽70mm三个负温冲击宽3×70mm，长度取通长。其宽度和长度均满足加工余量要求.。
注意力学性能试样拉力方向是与轧制方向垂直的，故样坯上应标注好轧制方向以便取样加工时能够根据轧制方向确定取样长度方向。
拉伸试件长300mm分加持段和拉伸段，其拉伸段部分为直径Φ10mm，夹持段加粗为Φ14mm，变径处采用R6.0mm(R>D/2,D为试样直径)圆弧过渡，防止在夹持端头或变径处断裂，影响断后伸长率的测定。
弯曲试件经机加工为宽30mm×板厚×长度250mm。
对于厚度不小于6mm或直径不小于12mm的钢材应做冲击试验，冲击试样尺寸10×10×55mm的标准试件，因本桥使用的钢板厚度均大于6mm，都需要做冲击试验，钢板的冲击试验试样一组3个试件，沿轧制方向作为长度方向取样，需在试样长度方向中间用铣刀铣一V型缺口，V型缺口的深度为2mm，角度为45°，尖头为直径为0.25mm圆角。根据使用的地域，冲击试验应为负温，本桥设计为-20℃的负温。加工试件时，缺口深度及尖头圆角的加工精度对试验结果影响较大，所以检查加工的铣刀的尖头圆角直径在0.25±0.025mm。缺口深度2±0.025mm。试样横截面积尺寸10±0.75mm。

V型缺口试样尺寸如上图
对非室温冲击试验，必须在5秒之内完成，否则应将试样放回介质中重新降温。本地区采用质量等级D级，负温冲击功是在-20℃时吸收冲击功。
对于厚度30mm的钢板，需做Z向即厚度方向断面收缩率试验。取样，因厚度30mm直接做厚度方向试验时其厚度尺寸不满足试验长度要求，需在厚度方向两侧焊接加长作为拉伸试验时的夹持端的全厚度拉力试验试样b型。

b型，焊缝处在夹持端与与钢板厚度焊接处圆倒角的外侧，外侧直径比试样拉伸处直径大1/2的试样直径，从而保证拉伸时不易在焊接处断裂，保证试验的结果有效性。按照热切割需预留加工量，计算试验板及焊接板的尺寸，厚度方向试板用120×90mm，夹持端焊接板120×50mm两块。焊接时，应为板厚较厚不易焊透故夹持端焊板开坡口，焊板单面开口焊接完成一面后，另一面清根后再补焊，焊缝高度与角焊缝要求一致。保证两块夹持端焊板在同一平面上，这样加工试样不会偏离中心。因焊缝长度较短，不方便焊接操作，故采用电弧焊。焊条选用J507焊条，其强度大于钢板原材的抗拉强度，保证不会从焊接处断裂。

焊接完成沿焊缝垂直方向用钢丝锯锯掉焊缝端头各30mm，剩余60mm分3等分锯开，用以加工3个厚度方向拉伸断裂后检测断面收缩率，经试验未从焊接处断裂满足了试件试验条件。
经学习研究取样及加工过程中易出现的问题，采取相应的措施和方法，满足了试样的试验要求，保证了钢板检测的可靠性。给工程质量保证提供了先决条件。