合江長(zhǎng)江一橋拱桁鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝

王建軍，馮 智，韓 玉，秦大燕

（廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530011）

0 引言

鋼管混凝土拱肋是鋼管混凝土拱橋的主承重結(jié)構(gòu)，拱肋桁架鋼結(jié)構(gòu)焊接是橋梁總體質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，如控制不好極易留下質(zhì)量隱患，導(dǎo)致施工缺陷，并進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)使用的耐久性和安全性［1］。拱肋桁架鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)焊接的環(huán)境復(fù)雜多變，控制難度較大，必須進(jìn)行針對(duì)性的分析，采取合理的工藝，才能保證焊接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全。

1 背景工程介紹

合江長(zhǎng)江一橋主拱主跨徑530m，為世界最大跨徑的鋼管混凝土拱橋，凈矢跨比為1／4.5，拱軸系數(shù)為1.45。拱腳截面徑向高16.0m，拱頂截面徑向高8.0m，拱桁寬4.0m。每個(gè)拱桁由4根φ1 320鋼管組成，壁厚按位置不同而變化，分別為22mm、26mm、30mm、34mm。管內(nèi)灌 C60混凝土的鋼管混凝土弦管。橫聯(lián)鋼管為φ762×16mm，豎向腹管為φ660×12mm。大橋總體布置圖見圖1。

大橋拱桁鋼結(jié)構(gòu)總重量達(dá)到7 270t，分成40個(gè)節(jié)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)吊裝和焊接，雖然已經(jīng)盡量進(jìn)行大節(jié)段制作（最大節(jié)段重量達(dá)192t），但是現(xiàn)場(chǎng)焊接的工作量仍然不小。

圖1 合江長(zhǎng)江一橋設(shè)計(jì)總體布置圖

2 焊接工藝評(píng)定

在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的正式焊接前，首先進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，依此確定焊接使用焊材、焊縫坡口形式以及基本焊接工藝。

工藝評(píng)定選用與產(chǎn)品材質(zhì)一致的板材，以碳、磷、硫偏上限含量為依據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)。為使焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)具有代表性，試驗(yàn)中盡可能模擬焊接坡口、根部間隙等參數(shù)的極限值。進(jìn)行工藝評(píng)定試驗(yàn)前，對(duì)焊材進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，選用合格材料用于試驗(yàn)。焊接工藝評(píng)定詳細(xì)內(nèi)容見表1。

表1 焊接工藝評(píng)定內(nèi)容表

3 焊接方法及相關(guān)要求

合江長(zhǎng)江一橋鋼結(jié)構(gòu)的腹桿、橫聯(lián)管與主拱肋弦桿間相貫線焊縫采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊接，鋼管縱環(huán)焊縫及格子梁采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊加自動(dòng)埋弧焊的焊接方法。

根據(jù)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果確定焊接材料，并遵循“低組配”原則，使用CHT－711φ1.2型藥芯焊絲和H10Mn2φ5.0型埋弧焊絲，根據(jù)工藝評(píng)定結(jié)果確定的焊接方法見表2。

表2 主要項(xiàng)目的焊接方法表

不同焊縫劃分、間距、接頭板件接長(zhǎng)等須滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定。

針對(duì)拱桁鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)焊接特點(diǎn)，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范要求，確定了工程焊接的一般方法，關(guān)鍵措施包括：

（1）焊接前必須清理焊縫區(qū)域范圍內(nèi)的污染和雜物。

（2）按規(guī)范要求需進(jìn)行焊接前預(yù)熱的，通過焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)確定預(yù)熱溫度、細(xì)化相關(guān)預(yù)熱要求。

（3）定位焊焊接長(zhǎng)度、間距等參數(shù)參照規(guī)范及以往工程經(jīng)驗(yàn)確定，避免出現(xiàn)夾渣、裂紋、焊瘤、氣孔等缺陷；如果存在開裂現(xiàn)象，在查明原因后采用碳弧氣刨清除原焊縫，再進(jìn)行重新定位；定位工裝通過氣割割除，首先保留一定的余量，然后鏟除余量后進(jìn)行磨平；定位焊采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)半自動(dòng)焊或者手工電弧焊。

（4）在埋弧自動(dòng)焊過程中出現(xiàn)斷弧現(xiàn)象的，進(jìn)行斷弧處刨坡后搭接焊處理。

（5）對(duì)接焊縫焊接時(shí)，在焊縫兩端裝設(shè)引、熄弧板，引、熄弧板的材質(zhì)、坡口形式與母材保持一致。

（6）通過點(diǎn)溫度計(jì)進(jìn)行焊接過程中的溫度監(jiān)控。

（7）嚴(yán)格控制角焊縫的轉(zhuǎn)角處包角。

（8）風(fēng)速＞2m／s情況下的氣體保護(hù)焊，或風(fēng)速＞8m／s時(shí)的手工電弧焊，必須采取擋風(fēng)措施，以免焊縫出現(xiàn)氣孔。

當(dāng)需要進(jìn)行焊縫返修時(shí)，參照以下方法進(jìn)行：

（1）焊腳尺寸和焊縫咬邊不達(dá)標(biāo)時(shí)，通過手工電弧焊進(jìn)行補(bǔ)焊，然后用砂輪機(jī)進(jìn)行修磨達(dá)到勻順。

（2）焊縫內(nèi)部出現(xiàn)缺陷的，通過砂輪機(jī)或碳弧氣刨清除，再采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊或手工電弧焊來返修焊接。

（3）焊波、余高及焊縫咬邊超標(biāo)時(shí)，使用砂輪機(jī)進(jìn)行修磨以保證勻順。

（4）返修焊縫質(zhì)量要求與原焊縫相同。

（5）焊縫同一部位返修不允許超過兩次。

4 提高焊縫抗疲勞、耐久性措施

在大橋方案比選階段，交通運(yùn)輸部主持的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中包括2個(gè)IV級(jí)風(fēng)險(xiǎn)：（1）鋼管混凝土施工及質(zhì)量方面；（2）焊縫缺陷嚴(yán)重。對(duì)于焊縫缺陷，一大顧慮是擔(dān)心在鋼管拱施工階段焊縫產(chǎn)生缺陷未被發(fā)現(xiàn)處理，在運(yùn)營(yíng)階段由于荷載疲勞等影響出現(xiàn)破壞等損傷，最突出表現(xiàn)就是節(jié)點(diǎn)疲勞破壞。

為避免由于焊接施工導(dǎo)致的疲勞破壞，在施工管理上采取如下措施：

（1）嚴(yán)格按焊接工藝評(píng)定施工。

（2）嚴(yán)格焊工考試、持證上崗。

（3）嚴(yán)格控制焊接施工條件。

（4）采取焊后修磨措施：焊縫焊接完成后用砂輪機(jī)對(duì)其進(jìn)行打磨，將焊縫的咬邊、毛刺、余高超標(biāo)部分修磨勻順；對(duì)拱肋斜腹管與弦管的相貫焊縫等應(yīng)力較大部位，用高轉(zhuǎn)速的砂輪機(jī)將焊縫趾部打磨，打磨深度0.5～0.8mm（見圖2）。

在設(shè)計(jì)文件中，對(duì)特殊部位的焊縫，特別注明要求對(duì)焊縫進(jìn)行焊后修磨，且要求該焊縫的施工工人必須達(dá)到三級(jí)焊接水平，對(duì)焊縫修磨工藝必須在施工組織設(shè)計(jì)及鋼結(jié)構(gòu)加工制造設(shè)計(jì)文件中，立專項(xiàng)內(nèi)容論證說明其實(shí)施工藝，驗(yàn)收表格中，應(yīng)增添專項(xiàng)欄目進(jìn)行記錄，焊縫修磨不合格者，不能進(jìn)入下道工藝，必須返工整理。特別要求修磨部位主要是橋面格子縱橫梁下翼緣與腹板焊縫的倒角處、縱梁下翼緣與橫梁腹板焊接處、拱肋部分腹管與弦管相貫焊縫處等部位。

根據(jù)巫山長(zhǎng)江大橋及以前的研究結(jié)果可知：對(duì)比鋼管節(jié)點(diǎn)，鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)明顯減小，抗疲勞性能更好；節(jié)點(diǎn)的主管徑厚比、管徑比、主支管壁厚比等參數(shù)對(duì)其極限承載能力和破壞模式影響顯著；節(jié)點(diǎn)焊接接頭良好的話，可以達(dá)到更高的疲勞強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)使用壽命要求。合江長(zhǎng)江一橋設(shè)計(jì)上充分考慮了上述研究結(jié)論，在施工上嚴(yán)格按鋼結(jié)構(gòu)制作規(guī)程和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行控制，并嚴(yán)格落實(shí)焊后修磨措施，做到即使是空鋼管節(jié)點(diǎn)也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因而鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的安全耐久性更有保障。

圖2 焊后修磨示意圖

5 關(guān)鍵部位焊接變形控制

關(guān)鍵部位的焊接變形，若不加以控制，對(duì)局部受力影響顯著，對(duì)整體線形也會(huì)產(chǎn)生累積變形效應(yīng)［6］，因此采用如下控制措施：

（1）管對(duì)接焊縫，使用對(duì)稱焊接的方式，安排2名焊工，在鋼管兩側(cè)勻速對(duì)稱進(jìn)行接頭焊縫焊接。焊接前，用定位碼板將鋼管臨時(shí)固定，并控制焊縫間隙。

（2）采用預(yù)置反變形措施，將鋼管沿焊縫收縮變形的反方向設(shè)置一定的預(yù)拱度，使焊縫收縮后正好形成所需的線形。

6 實(shí)際應(yīng)用效果

在合江長(zhǎng)江一橋的實(shí)際拱桁鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)焊接施工中，嚴(yán)格按照本文措施進(jìn)行焊接質(zhì)量控制，取得了良好效果。

以控制難度最大的拱肋高空對(duì)接焊為例，超聲波無損檢測(cè)表明，焊縫一次性檢測(cè)合格率為98.6%［7］，返修后達(dá)到100%，有效保障了成橋質(zhì)量，也為大橋運(yùn)營(yíng)階段的安全性和耐久性奠定了良好基礎(chǔ)。

7 結(jié)語

拱肋鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量，對(duì)大橋的質(zhì)量、安全和耐久性影響顯著，通過合江長(zhǎng)江一橋拱桁鋼結(jié)構(gòu)的焊接工藝進(jìn)行分析和實(shí)踐，得到以下結(jié)論：

（1）正式焊接前進(jìn)行合理的焊接工藝評(píng)定，確定了焊接使用焊材、焊縫坡口形式以及基本焊接工藝。

（2）針對(duì)拱桁鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)焊接特點(diǎn)，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范要求，確定不同焊接項(xiàng)目的不同焊接方法、工程焊接的一般方法以及焊縫返修方法，保證焊接質(zhì)量、提高工作效率。

（3）通過嚴(yán)控工藝流程、人員資格、焊接環(huán)境等方面的管理，采取具體焊后修磨措施，保障焊縫的抗疲勞和耐久性。

（4）對(duì)關(guān)鍵部位采取特定的焊接變形控制措施，避免局部應(yīng)力集中，保證大橋成橋線形質(zhì)量。

（5）在合江長(zhǎng)江一橋拱桁鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)焊接施工應(yīng)用，有效保證了焊接質(zhì)量，為大橋的順利完工以及運(yùn)營(yíng)階段的安全耐久奠定了基礎(chǔ)。

［1］賴俊榮，李小陸.丫髻沙大橋鋼管拱肋的焊接［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2001（6）：47－49.

［2］GB／T 2650－2008，焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法［S］.

［3］GB／T 2651－2008，焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法［S］.

［4］GB／T 2652－2008，焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法［S］.

［5］GB／T 2653－2008，焊接接頭彎曲及壓扁試驗(yàn)方法［S］.

［6］趙智強(qiáng)，無風(fēng)撐背靠式鋼管拱肋焊接變形控制技術(shù)［J］.建材世界，2010（2）：79－81.

［7］楊占峰，王東霞，覃 碧，合江長(zhǎng)江一橋鋼管拱肋高空焊接質(zhì)量控制分析［J］.西部交通科技，2014（7）：88－91.