合肥鐵路樞紐南環線(114.75+229.50+114.75)m鋼桁柔性拱焊接工藝試驗研究

楊 峰,齊金朋

(中鐵四局鋼結構公司,合肥 230022)

1 鋼梁結構設計簡介[1]

滬漢蓉快速鐵路引入合肥樞紐南環線新建工程,南淝河和經開區兩座跨越合寧高速公路特大橋的主橋均采用(114.75+229.5+114.75)m三跨連續鋼桁柔性拱結構。其結構設計特點如下。

(1)設計為三跨連續鋼桁柔性拱結構,兩邊跨為平弦有豎桿三角桁式,中跨為平弦與拱桁組合結構。兩片主桁,主桁弦桿及拱肋均采用焊接整體節點。

(2)主桁上、下弦桿均采用：內寬為850 mm或1 100 mm、內高為1 060 mm或1 260 mm的箱形截面；弦桿的最大板厚為48 mm；整體節點的節點板最大板厚為56 mm。

(3)主桁腹桿的截面基本形式采用H形截面,與主桁節點采用插入式連接；少量壓力較大腹桿采用箱形截面,與主桁節點采用四面對(拼)接方式連接。

(4)拱肋采用：內寬為1 100 mm、內高為1 460～1 860 mm的箱形截面,最大板厚為48 mm。拱桁吊桿采用：內寬為860 mm,內高為1 100 mm的箱形截面,板厚為16 mm。吊桿上、下與拱肋、主桁上弦的整體節點采用四面對(拼)接方式連接。

(5)橋面系采用正交異性板整體結構,橋面板與下弦桿頂板的伸出肢焊接,橫梁的腹板及下翼板與下弦桿伸出的連接板栓接。

(6)鋼梁材質：主桁桿件采用Q370qD、Q370qE(板厚≥40 mm時)鋼；上平縱聯、橫聯及橋面系等均采用Q345qD鋼；道砟槽范圍內的橋面板采用321-Q345qD不銹鋼復合板。

2 焊接工藝評定試驗

2.1 焊接工藝評定試驗的目的

為確保鋼梁制造的焊接接頭質量滿足設計與規范的要求,同時兼顧提高焊接效率及降低鋼梁制造成本的原則,針對本橋鋼梁結構設計特點、所使用的鋼材及對焊接接頭的質量要求,選取鋼梁典型的焊接接頭進行焊接工藝評定試驗,用于編制鋼梁的焊接工藝[2]。

(1)選定適合本橋鋼梁Q370qE、Q370qD、Q345qD、321-Q345qD的焊接材料。

(2)針對鋼梁設計的各種焊接接頭,選擇合理的焊接工藝。其中包括：焊接坡口形式及尺寸、焊接方法、焊接位置、焊接工藝參數等。

2.2 焊接工藝評定試驗的依據與標準

焊接工藝評定試驗以“鋼桁柔性拱設計圖”和文獻[3，4]為依據。

2.3 焊接工藝評定項目

2.3.1 全橋焊接接頭的類型

依據“鋼桁柔性拱設計圖”將鋼梁焊接接頭歸納為：對接焊縫、熔透角焊縫、坡口角焊縫和T形角焊縫等4種類型。

(1)對接焊縫主要有：鋼板接料的對接焊縫；橋面板的對接焊縫。

(2)熔透角焊縫主要有：下弦整體節點上的與橫梁下蓋板連接的接頭板與節點板間的熔透角焊縫；下弦整體節點內側的大節點板與橋面上水平板間的四周圍焊熔透角焊縫。

(3)坡口角焊縫主要有：主桁弦桿、腹桿、拱肋的棱角焊縫；主桁弦桿、腹桿、拱肋內的縱向加勁肋坡口角焊縫；下弦整體節點上的與橫梁腹板連接的接頭板與節點板間的坡口角焊縫；上下弦整體節點內的與腹桿拼接的接頭板與節點板間的坡口角焊縫；橋面板上的U形肋坡口角焊縫。

(4)T形角焊縫主要有：桿件的主角接焊縫；桿件內的隔板角接焊縫；橫梁腹板與下翼板、橋面板間的角接焊縫等。

2.3.2 焊接工藝評定項目

根據鋼梁結構特點、焊接接頭的類型、鋼梁制造與安裝的工藝方案及本公司鋼梁制造的經驗,選取典型焊縫進行焊接工藝評定試驗。全橋共做評定試板30組,其中：對接焊縫16組(其中不銹鋼復合板4組)、熔透角焊縫4組、坡口角焊縫5組和角焊縫5組。

2.4 焊接工藝評定試驗用的材料與設備

2.4.1 評定試驗用鋼板

評定采用的Q370qD、Q370qE、Q345qD鋼板為本鋼橋制造實際使用的鋼板,均符合《橋梁用低合金高強度結構鋼》(GB/T714-2008)及文獻[2]的要求。采用的(3+14) mm的321-Q345qD不銹鋼復合鋼板,符合《不銹鋼復合鋼板和鋼帶》(GB/T8165-2008)和文獻[3]中BI級規定的要求。評定用試板的軋制方向應與鋼梁實際接頭方向相同。

2.4.2 評定試驗用焊接材料

依據試驗用鋼板,選擇與其相匹配的焊接材料。焊接材料應符合表1要求。

2.4.3 評定試驗用焊接設備

(1)埋弧自動焊：采用ZD5(D)-1250直流電源,配KZ-1型焊機。

表1 評定試驗用焊接材料

(2)氣體保護焊：采用KR500、KRⅡ500型焊機。

(3)焊條電弧焊：采用ZX7-500型焊機。

2.5 評定試驗的焊縫質量要求

2.5.1 焊縫外觀檢查

焊縫進行外觀檢查,不得有裂紋、未熔合、夾渣、焊瘤等缺陷,外觀質量符合文獻1中的“表4.9.12”的規定。

2.5.2 焊縫無損檢驗

(1)對接焊縫和熔透角焊縫全長進行超聲波探傷,質量等級為文獻[3]中的Ⅰ級。不銹鋼復合鋼板基層對接焊縫全長進行超聲波探傷,質量等級為文獻[3]中的Ⅰ級；復層對接焊縫表面按JB/T4730.5進行滲透檢測。

(2)坡口角焊縫全長進行超聲波探傷,質量等級為文獻[3]中的Ⅰ級。

(3)角焊縫全長進行超聲波探傷,質量等級為文獻[3]中的Ⅱ級。

(4)U肋坡口角焊縫進行磁粉探傷,質量等級為JB/T6061的Ⅱ級,斷面檢驗的焊縫有效厚度滿足設計要求。

2.5.3 接頭力學性能要求

(1)焊縫強度：焊縫屈服強度和抗拉強度不低于母材標準值。

(2)焊縫金屬伸長率：不低于母材標準值。

(3)接頭韌性：符合《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB10002.2—2005)要求。

(4)冷彎:對接接頭彎曲180°,試樣受拉面上的裂紋總長不大于試樣寬度的15%,且單個裂紋長度不大于3 mm,判為合格。

(5)接頭硬度不大于HV10350。

(6)復層不銹鋼對接焊縫晶間腐蝕試驗按《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》(GB/T4334—2008)進行,試樣在微沸的硫酸-硫酸銅溶液中煮16 h后進行彎曲180°試驗,若試樣受拉面上無因晶間腐蝕而產生的裂紋,則判為合格。

2.6 評定試驗焊接工藝

2.6.1 評定試板

評定試板的鋼板材質、接頭形式、坡口形式及尺寸、焊接位置、焊接方法及焊接材料、代表的鋼梁接頭等列于表2～表5。表中尺寸單位為mm。

表2 對接接頭試板

表3 熔透角接接頭試板

表4 坡口角接接頭試板

表5 角接接頭試板

2.6.2 試板焊前預熱溫度(表6)

表6 試板焊前預熱溫度

2.6.3 試板的施焊

部分對接接頭、熔透角接、坡口角接等接頭試板的施焊狀況列于表7～表9。

表7 對接接頭試板的施焊狀況

注：焊接方法“121”為埋弧自動焊；“135”為實芯CO2氣體保護焊；“136”為藥芯CO2氣體保護焊。

表8 熔透角接接頭試板施焊狀況

表9 坡口角接接頭試板施焊狀況

2.7 焊評試驗結果分析

所有接頭試板焊后,依據文獻[1]取樣進行接頭力學性能試驗、硬度試驗、接頭斷面腐蝕。接頭焊縫力學性能、硬度試驗的試驗結果(匯總)列于表10、表11；試板的焊接接頭斷面照片(部分)列于表12,所有焊接接頭熔合良好。

表10 接頭(焊縫)強度、伸長率、硬度試驗結果

表11 接頭低溫沖擊功 J

2.8 結論

(1)Q345qD、Q370qD、Q370qE鋼板對接焊縫、熔透角焊縫、坡口角焊縫和角焊縫的焊接工藝評定試驗結果表明,接頭焊縫外觀及內部質量滿足設計與規范要求；接頭力學性能滿足文獻[3]及“合肥鐵路樞紐南環線新建工程(114.75+229.50+114.75)m鋼桁柔性拱鋼梁制造規則”的要求。

表12 部分焊接接頭斷面照片

(2)橋面復合鋼板321-Q345qD鋼板焊接工藝評定試驗結果表明,接頭力學性能滿足“合肥鐵路樞紐南環線新建工程(114.75+229.50+114.75)m鋼桁柔性拱鋼梁制造規則”的要求。

(3)評定試板選定的焊接材料、焊接工藝(包括：坡口形式及尺寸、焊接方法及參數等)可行,適用于本橋鋼梁制作與安裝的焊接。其評定試板的焊接工藝經進一步修訂、完善,可作為編制本橋鋼梁制作與安裝焊接工藝的依據。

[1] 田桂旺，楊 峰，齊金朋.合肥鐵路樞紐南環線(114.75+229.50+114.75)m鋼桁柔性拱鋼梁制造工藝[J].鐵道標準設計，2010(5):83-86.

[2] 夏 陽.新搓浦鐵路中橋鐵路40 m鋼桁梁制造技術[J].鐵道標準設計，2008(11):38-41.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB10212—2009 鐵路鋼橋制造規范[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[4] GB/T13148—2008.不銹鋼復合鋼板焊接技術條件[S].北京：中國標準出版社，2008.

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結構設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[6] Q/725—1323—2010.鐵路(公路)橋梁用不銹鋼復合鋼板[S].

[7] 李世斌，吳玉柱.香港昂船洲大橋現場焊接工藝綜述[J].橋梁建設，2009(2):61-64.