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高性能钢是一种综合优化了材料力学性能,便于加工制造,可用于低温和腐蚀环境,具备较高性价比的桥梁结构用钢。它不仅保持了较高的强度,而且在材料的耐候性能、可焊性和抗脆断性能等方面都比传统的钢材有明显的提高和改善。高性能钢在相当程度上代表着钢桥用材的发展方向。本文针对国产新型500MPa级高性能钢(Q500qE)的力学性能进行了系统和全面的试验研究,力图解决高性能钢在大跨度铁路桥梁工程中推广使用所面临的技术问题。通过对500MPa级高性能桥梁钢(Q500qE)的材料和板状试样的拉伸和低应力循环、低温冲击、疲劳裂纹扩展、断裂韧性(CTOD)、铁路钢桥典型构造细节疲劳、宽板拉伸和全尺寸模型梁的静载试验和有限元分析计算等力学性能试验和研究,得到如下研究结论:①材料的屈强比与其塑性、疲劳裂纹扩展速率、低应力循环性能和断裂韧性(CTOD)关系不大,Q500qE母材虽然屈强比不同,但其延伸率都在20%以上,具有良好的塑性和较好的止裂能力以及对应力集中的再分配能力。另外,Q500qE高性能桥梁钢母材韧脆转变温度比Q370qE和Q345qD桥梁钢大大降低,具有良好的低温冲击韧性,焊缝金属韧脆转变温度与Q370qE桥梁钢焊缝相当。②随着温度的降低,44mm以下板厚Q500qE母材的断裂韧性(CTOD)变化不大,但60mm板厚Q500qE母材的断裂韧性(CTOD)在温度降至-40℃以下后,有较大幅度的降低。各种板厚的Q500qE焊缝的断裂韧性(CTOD)都比母材低。③本文提出了结合BS7910:2005对桥梁钢断裂韧性(CTOD)值进行评判,这个评定方法为运用断裂韧性(CTOD)试验评定桥梁钢及其焊接接头的断裂韧性提供了依据。④铁路钢桥5种典型构造细节的疲劳试验表明,Q500qE高性能钢与目前普遍使用的Q370qE桥梁钢对比,其典型构造细节的疲劳强度都略有提高,Q500qE高性能钢的疲劳性能能够满足铁路钢桥的要求。⑤由于强度的提高和晶粒细化,Q500qE高性能钢母材的断裂韧性Kc普遍要好于Q370qE和Q345qD桥梁钢,也高于Q500qE高性能钢焊缝。低温下Q500qE焊缝的断裂韧性Kc下降明显,但总体上,Q500qE钢板焊缝的防断性能与Q370qE钢焊缝基本相当。⑥虽然Q500qE具有较高的屈强比,但在实际构件中与Q345qD一样,可以形成塑性铰,在同样的构件截面特性下,Q500qE比Q345qD有更好的挠度变形的恢复能力。Q500qE高性能钢按照500MPa屈服强度进行设计,其强度安全储备和变形储备能够达到铁路钢桥正常的使用要求。总之,屈强比0.86以下的Q500qE高性能钢在防断、疲劳和安全性方面基本满足铁路钢桥的要求,可以应用于铁路钢桥的建设。论文有以下创新点:①首次利用材料、全厚度板材和全尺寸模型梁对高性能钢材屈强比和塑性指标进行全面的试验研究,解决了Q500qE高性能钢在铁路钢桥上应用的安全性问题。②针对断裂韧性(CTOD)值的评定问题,本文提出将CTOD试样的单边疲劳预制裂纹作为缺陷,结合BS 7910:2005《金属结构缺陷可接受性评定方法指南》的失效评定曲线FAD和标准中的2B级评定方法,对桥梁钢的CTOD值进行评定。这个评定方法为运用断裂韧性(CTOD)试验评定桥梁钢及其焊接接头的断裂韧性提供了依据。③在宽板拉伸试验中,首次研制和开发了由EVA板、自动环境温度控制系统、自动液氮灌注系统和试样表面温度传感器相结合的低温环境箱。相比现有的同类宽板拉伸试验低温环境装置,试验温度控制更加精确,自动化程度更高。