南京大勝關長江大橋鋼梁焊接難點解析

郭紅艷，江恒心，魏振鑫

（國核工程有限公司，上海 200233）

0 前言

南京大勝關長江大橋（見圖1）是京滬高速鐵路及滬漢蓉鐵路于南京跨越長江的越江通道，同時搭載雙線地鐵，為六線鐵路橋。

南京大勝關長江大橋主跨336 m，雙跨連拱為世界同類橋梁最大跨度，且為世界同類級別跨度最大的高速鐵路大橋；設計荷載為六線軌道交通，支座最大反力達18 000 t，是目前世界上設計荷載最大的高速鐵路大橋；設計時速300 km，為高速鐵路大跨度橋梁世界領先水平。大橋采用世界首創的三片主桁的桁架拱橋新結構，以滿足在三種軌道交通的需求下橋梁整體受力的要求。大橋首次采用具有高強度、高韌性及良好焊接性能的新型材料Q420qE，以滿足拱肋較大軸力部位構件受力的需要，有效地降低了部分桿件的規模。

圖1 南京大勝關長江大橋全景

焊接質量是鋼橋質量的根本。工程開工前，國核工程有限公司擬定了焊接和制造等幾項創優計劃，對已有工藝必須加以優化和試驗，方可大量用于本橋工程。

1 工程概況

南京大勝關長江大橋是京滬高速鐵路的控制性工程，也是滬漢蓉鐵路及南京城市交通樞紐的重要組成部分。大橋主橋鋼梁由兩聯連續鋼桁梁和一聯連續鋼桁拱組成，連續鋼桁梁跨度為2×84 m，連續鋼桁拱跨度布置為（108+192+2×336+192+108）m，主橋全長1 608 m。主橋立面如圖2所示。

圖2 主橋立面

橋梁采用三片主桁架結構，承載四線鐵路和兩線城市輕軌。邊桁與中桁中心距為15m，雙線滬漢蓉鐵路、雙線京滬高速鐵路分別在桁內的上、下游側通行；在兩邊桁的外側外挑5.8 m懸臂托架，支撐南京城市輕軌鐵路，橋面總寬41.6m。鋼梁橫斷面如圖3所示。

圖3 橫斷面

2 鋼梁技術創新成果

2.1 新材料

主橋拱肋重要部位采用Q420qE，其具有高強度、高韌性及良好的焊接性能。

2.2 新結構

主橋為采用三片主桁承重的桁架拱橋，采用鋼正交異性板整體橋面、板桁組合結構、變截面桿件以及整體節點等新型結構。

南京大勝關長江大橋全橋鋼梁采用Q420qE、Q370qE和Q345qD三種材質鋼材制造。結構中存在多種不同材質、不同規格的對接、熔透角接、坡口角接及角接接頭。為了合理制定針對不同材質、不同類型接頭的焊接工藝，對該項目進行了焊接工藝評定試驗。在焊接工藝評定試驗評審會上，得到了由業主、設計、監理及國內知名橋梁焊接專家組成的評審專家組的一致認可，順利通過專家評審。

3 工程焊接難點[1]

3.1 槽口圍焊縫焊接

南京大勝關長江大橋在結構上的一大創新就是下弦整體節點為穿過橋面板的結構形式（見圖4、圖5）。槽口圍焊縫全部采用熔透焊接，焊接應力集中大，焊接工作量大、焊接質量要求高、焊接變形控制難度大，且熔透焊縫造成的收縮會導致整體節點內側間距尺寸直接影響插入腹桿的連接，以及高栓軸力的損失。

為此制定了針對槽口圍焊縫的專項工藝及相應的焊接順序，具體如下(圍焊示意見圖6)：

圖6 圍焊示意

圖4 邊桁下弦桿

圖5 圍焊縫端部坡口

（1）在胎架中拼裝上面板、兩塊豎板和隔板，在焊接隔板合格后，先采用焊條電弧焊焊接端部繞焊過渡區焊縫J3+J5′，再采用氣體保護焊焊接箱體外側焊縫J1，最后焊接內側焊縫J2。

（2）焊縫打磨勻順后對端部J5′熔透段進行超聲波探傷，檢測合格后對端部150 mm范圍內進行超聲波錘擊處理，處理后不得再施焊和修磨。

（3）拼焊下面板，翻身氣刨清根后先采用焊條電弧焊焊接圍焊端部J3，再采用氣體保護焊焊接外側焊縫J1，最后焊接J2，完成整條焊縫。

焊后對圍焊縫端部150 mm范圍進行超聲波錘擊處理（Ultrasonic Impact Treatment）。超聲波錘擊是國際上最新發展的高科技焊縫處理技術，對改善焊接殘余應力狀態、提高金屬表面強度和硬度、改善焊趾幾何形狀、降低應力集中有顯著的效果。根據鐵道科學研究所疲勞性能試驗的研究經驗，對焊趾部位進行超聲波錘擊處理，可有效消除焊縫的殘余應力，提高接頭的疲勞壽命。

錘擊方法：采用QC25-I型超聲波錘擊設備進行錘擊，錘頭沿著焊趾或焊道移動最佳線速度0.5～1 m/min勻速進行，每段往復處理4～5遍。錘擊后錘坑深度0.1～0.2 mm，兩側焊趾和焊道間錘坑寬度大于等于4 mm，焊趾處錘坑示意如圖7所示。

圖7 超聲波錘擊

3.2 八邊形桿件焊接

南京大勝關長江大橋拱肋部分節點位置吊桿為八邊形桿件，該結構桿件最理想的制造方案是將關于兩豎板中心線對稱的上下各三塊翼緣板/斜板分別由一塊寬板折彎而成，結構從整體上變成由四塊整板件構成的構件（見圖8），可減少一半的焊縫數量，也可更有效地控制桿件的對稱性。但由于原設計為普通箱型桿件，八邊形桿件為后來的變更設計（見圖9)，已定制的鋼板寬度無法折彎成理想結構，因此工廠制造時只有采用八塊鋼板拼裝成要求的八邊形桿件，對桿件的拼裝、焊接造成很大的難度。

圖8 八邊形理想的構件組成

圖9 變更設計

八邊形桿件主焊縫的焊接是一大攻關點。工廠制造時采用兩兩焊縫同時施焊，同時保證每四條焊縫對稱焊接（具體焊接順序如圖10所示），有效地保證了桿件的整體結構尺寸并控制了焊接變形。

3.3 支座節點焊接變形控制

中桁下拱肋桿件MS24及邊桁下拱肋桿件SS24

圖10 八邊形桿件焊接順序

位于鋼橋的6#墩位置，結構特點如圖11所示。

圖11 支座節點S24構造

下拱肋桿件S24長7 800 mm，高4 100 mm，箱體內高2 980 mm，最大質量78.7 t。節點板為δ64 mm厚板，底板為δ60 mm厚板，箱體各內隔板厚度40～60 mm。與拱肋平聯、橫梁及橫向聯結系連接結構均為焊接式接頭板，接頭板和平聯、橫梁及橫向聯結系桿件采用高栓連接；并且其底座板與支座密貼連接。同時，根據架設需要，在底座板上設置四個起頂點。底座板是直接和鋼梁支座相連接的，其受力也是全橋最大的，底座板平面度的要求是本節點鋼梁的重點之一，而焊接變形是影響底座板平面度的重要因素之一。為減小焊接變形主要采取以下措施：

（1）焊接前，對各個端口的腹板外側節點板單元進行火焰反變形措施，以防止兩相鄰端口的中間部分節點板變形嚴重。

（2）對于腹板單元上底板端開有人孔的情況，在焊接前必須在該處進行剛性固定，防止底板的局部上凸變形。

（3）由于鋼板很厚，各連接板均為熔透焊，焊接量大，其變形也很大，因此采用線能量較小的氣體保護焊來進行焊接。

（4）對于有頂緊后焊連要求的構件，必須在頂緊后先進行頂緊部位的焊接，再進行其他部位的焊接。

通過上述工藝措施并在過程中嚴格控制，成功保證了S24節點鋼梁的整體制造質量，各類連接板焊縫經檢測其質量均滿足驗收要求，其底板平面度也控制在0.5 mm范圍以內，鋼梁的外形尺寸也在制造規則要求的范圍內。

4 焊接變形控制要點[2]

（1）預留焊接收縮余量。由于本橋存在整體橋面板熔透焊縫，焊接量大，焊縫收縮量大，因而整體節點開口尺寸的控制完全由預留的焊接收縮量決定，合理的參數選擇是本橋制造的核心，參數選擇采用E-weld3.1ML軟件計算選取（見圖12）。經桿件試制，E-weld3.1ML軟件計算的尺寸公差設置合理，焊接收縮預測準確。但考慮到熔透焊縫不可避免存在返修且圍焊部位容易產生缺陷，也可適當增加1.0~1.5 mm收縮量。

圖12 熔透蓋板24 mm時收縮量計算

（2）采用多層多道快速焊，降低線能量。

（3）采用合理的焊接順序和施焊方向控制焊接變形：箱型桿件四條棱角焊縫施焊方向一致，水平板兩棱角焊縫盡可能同時對稱施焊，防止箱梁扭曲等變形；對接焊縫反面清根后的施焊方向與正面相反，控制焊縫成形后板件的旁彎。

（4）熔透焊縫反面清根時也盡量采用小電流氣刨，減小熱輸入，減小收縮量。

（5）反變形法。焊前采用機械或火焰預設一定的變形量，焊后變形正好與之抵消：對上下橋面板單元件U肋和板肋焊接，采用千斤頂和專用胎架預制一定弧度，控制板單元焊接后的變形；整體節點處棱角焊縫，采用火焰熱彎一定角度，保證焊后箱梁尺寸。

（6）加強施焊過程的檢查和監督，尤其是對熔透焊縫反面清根處理及清根后的第一道焊，以確保焊接質量，減少焊后返修。

（7）對稱施焊，減小變形。

（8）減少單面焊，盡量采用雙面坡口焊接，減小焊接填充量，減小變形量，并使兩邊熱輸入量大致相等，有效控制焊后的角變形。

（9）焊后變形矯正。對變形超標的構件，可采用熱矯正和機械矯正兩種方法。機械矯正時的環境溫度不能低于5℃，矯正后的鋼料表面不得有明顯的凹痕和其他損傷；采用熱矯正法時，矯正溫度應控制在600℃～800℃，嚴禁過燒，自然冷卻到環境溫度，冷卻過程中不得錘擊使構件變形，嚴禁水冷。

5 焊接質量控制要點

為保證南京大勝關長江大橋的焊接質量，公司制定了一系列保障措施，并在生產過程中嚴格落實。

（1）根據設計圖紙和相關規范要求，編制Q420qE、Q370qE和Q345qD鋼對接和角接接頭焊接工藝評定試驗方案，根據試驗結果編制評定試驗報告并通過專家評審，以此為依據編制項目的焊接工藝規程。

（2）對用于鋼梁制造的焊接材料的質量進行嚴格控制、復驗，滿足設計圖紙和鋼梁制造規則要求。

（3）對電焊工進行專門的技能培訓，針對不同的焊接方法和焊接工位對其進行考核并頒發上崗證，嚴格執行持證上崗制度，不得焊接證件允許以外的焊縫。

（4）認真做好焊接生產現場技術交底工作，指導操作者準確理解產品的技術要求和操作方法。

（5）對待拼焊區域焊縫周圍進行嚴格的除銹，焊接過程中仔細清理焊道熔渣，焊接完畢仔細修磨焊接缺陷。

（6）按要求全橋共計焊接226組產品試板，經檢驗合格后進行力學性能試驗。試驗結果顯示，其內外部質量良好，所有試板力學性能試驗結果均滿足設計文件和相關規范要求。

（7）對工件及產品試板焊縫的外觀、內部質量進行嚴格的檢查，并規定重要桿件焊縫打上相應的焊工鋼印號。所有焊縫均按自檢、互檢、專檢程序進行檢驗，產品出廠合格率100%。

6 結論

在公司領導的高度重視下，通過公司質檢部門和駐廠監理的嚴格把關，南京大勝關長江大橋鋼梁生產過程中未出現重大質量和安全事故，焊接質量得到了監理及業主的一致認可。通過南京大勝關長江大橋的焊接生產，公司鋼桁梁制造技術再上一個新臺階。

：

[1]陳伯蠡.焊接工程缺欠分析與對策[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]付榮柏.焊接變形的控制與矯正[M].北京：機械工業出版社，2006.