鋼板梁翼緣與腹板角焊縫分析與探討

張劍峰，李軍平

中鐵寶橋集團有限公司 陜西寶雞 721006

1 序言

鋼板梁在早期鐵路鋼橋中應用非常普遍，形成了跨度24m、32m、40m標準梁圖集。從經濟性考慮，單孔鋼板梁橋的跨徑一般在40m以下，連續鋼板梁橋的跨徑可達到60m。鋼-混組合梁充分發揮了鋼的抗拉性能和混凝土的抗壓性能，同時具有裝配化施工便捷的優勢，在國家大力推廣公路鋼結構橋梁的大背景下得到了迅速發展。中小跨度橋梁廣泛選用鋼板組合梁的結構形式。

作為主要承載的鋼板梁是由翼緣板和腹板通過焊接形成的工形結構，為典型的受彎構件。目前，板梁翼緣板和腹板的焊縫連接設計種類較多，有貼角焊縫連接、部分熔透角焊縫連接、全熔透角焊縫連接，國內要求全熔透焊接的工程實例較多，而國外工程中采用貼角焊縫連接，本文針對該焊縫的現狀進行分析和探討。

2 翼緣板與腹板連接焊縫的作用及計算

正確的焊縫設計是確保結構安全的關鍵，應根據接頭的受力情況來確定焊縫尺寸。根據荷載情況及梁的跨度、梁高、鋼材強度等條件確定主梁截面后，應根據不同工況對翼緣板與腹板的角焊縫進行計算和驗算。

對于鋼板梁而言，通常翼緣抗彎、腹板抗剪；在梁彎曲時，相鄰截面作用在截面的彎曲正應力存在差值，因此翼緣和腹板之間將產生水平剪力，如圖1所示。為防止翼緣和腹板之間由于水平剪力的作用而出現滑移，需要采用焊縫將翼緣和腹板進行連接，保證翼緣和腹板共同工作。

圖1 翼緣焊縫的水平剪應力

工形截面梁彎曲剪應力在腹板上按拋物線規律分布，腹板邊緣的豎向剪應力為[1]

式中V——計算截面的剪力設計值（N）；

S——翼緣截面對梁中和軸的面積矩（m4）；

Ix——梁截面慣性矩（m4）；

tw——腹板厚度（mm）。

根據材料力學剪力互等定理，在翼緣與腹板連接處的水平剪應力大小為τf=τ。

由此，所需焊縫的焊腳尺寸為

式中hf——焊縫焊腳尺寸（mm）；

f——焊縫的強度設計值（MPa）。

在美國公路橋梁設計規范中，規定翼緣對腹板角焊縫的設計可以不考慮平行于焊縫軸向的正應力，主要還是計算其剪應力和局部壓應力。

經過上述計算，大部分鋼板梁結構中腹板與翼緣采用K10～K12的貼角焊縫即可滿足強度要求。對于焊腳尺寸K＞12mm的焊縫，一般在工藝上開坡口，焊接坡口角焊縫，以減小焊縫填充量，同時減小焊接變形。對于支座區域腹板與下翼緣板的焊縫一般做成等強連接，同時設置支座加勁肋來傳遞支座反力。

對于此類焊縫的疲勞校核，法國巴黎焊接研究所通過大量的試驗證明，當T形接頭根部未熔透（Ⅲ）處且P≤0.4t時，承受疲勞載荷的T形接頭不會從根部未熔透（Ⅲ）處發生疲勞失效，如圖2所示。為此，對于受力上需要采用等強連接的角焊縫，當腹板與翼緣板的連接焊縫可采用全熔透焊或焊縫厚度大于腹板厚度的部分熔透角焊縫時，全熔透連接與等強連接的部分熔透角焊縫既沒有強度上的優勢，也無疲勞上的優勢，應采用部分熔透角焊縫。

圖2 T形接頭疲勞裂紋敏感區

20世紀80年代，中國鐵道科學研究院對此類焊縫進行了專題研究：“縱梁或上承式板梁上翼緣與腹板角焊縫熔透與否對疲勞性能的影響”，對該研究進行了大量試驗，結果表明，板梁或縱梁上翼緣和腹板的縱向角焊縫，在250kN（25t）特種荷載作用下經500萬次應力循環未發生疲勞裂紋，因此認為該角焊縫尺寸只需按法向壓應力和焊縫斷面剪應力進行驗算，無須熔透[2]。該課題成果應用在國內大型板梁項目上，此類焊縫未出現疲勞裂紋。

3 國內外工程實例

鋼板梁翼緣板和腹板的焊縫連接有不開坡口貼角焊縫連接、開坡口部分熔透連接和全熔透連接三種方式，如圖3所示。20世紀70年代以來，鋼板梁和槽形結合梁廣泛應用于鐵路橋梁，對于24m、32m、40m梁，翼緣與腹板的焊縫設計均為K8～K12貼角焊縫，工藝上采用埋弧焊，以獲得較好的根部熔合效果，如圖3a所示。

圖3 幾種翼緣與腹板焊縫示例

近年來，國內鋼板組合梁的翼緣與腹板的連接最初多采用熔透焊縫連接，大部分項目在施工過程中，設計院根據受力情況對其進行優化，使其工藝性更合理。例如，國內某35m跨連續組合梁的主梁腹板與翼緣焊縫最初均設計為全熔透角焊縫，在生產過程中焊接變形較大，在對該焊縫進行應力檢算后優化為雙面K12角焊縫，在工藝上采用埋弧焊進行焊接以獲得較大熔深，在支座區設置支座加勁肋傳遞支反力，如圖4所示。

圖4 國內某35m跨連續組合梁焊縫示例

在國外的項目中大多采用貼角焊縫，寶橋公司制造一個美國鐵路鋼板梁，跨度為38m，梁高2.9m，翼板厚度3in（76.2mm），腹板厚度7/8in（22.2mm），其翼緣與腹板的連接焊縫為雙面3/8in（K10）角焊縫，如圖5所示。另一個公路鋼板組合梁（為多主梁結構），跨度為40m，翼緣板厚31.75mm，腹板厚12.7mm，其翼緣與腹板的連接焊縫設計為雙面K8角焊縫，如圖6所示。

圖5 國外某鐵路鋼板梁焊縫實例（英制：in）

圖6 國外某公路組合梁焊縫實例

在日本《鐵道構造物等設計標準及解說-鋼橋、結合梁橋》中規定，對于腹板厚度＜15mm的板梁橋中，翼緣與腹板采用等強的普通角焊縫連接，焊縫的有效厚度之和大于腹板厚度；當腹板厚度＞16mm時，等強連接的焊縫尺寸很大，不但不經濟，還會產生較大的變形和殘余應力，需根據應力檢算結果確定焊縫尺寸，此時推薦采用開K形坡口的部分熔透角焊縫連接。在日本《鋼橋構造細節設計指南》中認為，腹板與翼緣的焊縫剪應力一般較小，應力驗算可以省略，可直接按確定焊腳尺寸，其中K≥6，t1為腹板厚度（mm），t2為翼緣板厚度（mm）。在支點等剪力較大處也可能出現不能滿足受力要求的情況時，需增設加勁肋或加大焊縫尺寸。

4 熔透焊接存在的問題

受國內鋼廠熱軋H型鋼規格限制，對于大型鋼板梁均采用焊接制造。翼緣板與腹板的T形角焊縫，如果要熔透焊需要雙面操作，在正面焊接完成后翻身，反面焊前清除根部影響熔透的坡口根部尖角區，俗稱清根工藝，如圖7所示。清根對焊工的操作技能要求較高，清根不好將導致熔透效果變差，焊縫合格率降低，目前的清根工藝普遍采用人工碳弧氣刨作業。

圖7 熔透焊縫氣刨清根過程

碳弧氣刨清根是利用電弧熱量熔化金屬，熔化的金屬在高壓風的作用下剝離鋼板，形成順風方向的金屬熔化物飛濺和煙塵，焊接作業環境急劇變差，且噪聲很大，如圖8所示。碳弧氣刨時產生大量的混合煙塵（Fe3O4、Mn、Cu、炭黑等）以及有毒氣體（臭氧和氮氧化物），其中因為碳弧氣刨所用碳棒都采用瀝青作為黏結劑，作業時產生的有毒氣體造成較嚴重的環境污染[3]，不利于操作人員的健康。

圖8 氣刨清根現場

另外，碳弧氣刨作為缺陷清除和反面清根的主要手段，氣刨操作工藝對焊接質量有較大影響，氣刨時應避免夾碳等缺陷的產生，氣刨后要打磨去除滲碳淬硬層及殘留熔渣后方可進行焊接。在自動化焊接工序中增加人工氣刨操作，勞動效率低下，環境污染大，不利于工業化和自動化生產。

5 過度焊接的危害

對于受彎梁，腹板與翼緣的連接，如果采用大填充量的坡口角焊縫和熔透焊縫，焊后將使翼緣板產生較大的翼緣板角變形（見圖9）和梁的豎向彎曲變形。由于鋼板梁的鋼板厚度和尺寸規格都較大，所以此類構件一般無法采用機械進行矯正，目前工廠普遍采用火焰熱矯正，如圖10所示。熱矯正是通過火焰對鋼板進行局部加熱，加熱區的鋼材受熱膨脹，同時被周圍材料限制，于是產生不均勻的擠壓塑性變形，在冷卻過程中高溫時產生的塑性變形無法恢復，于是產生較大的收縮變形，從而將先前的焊接變形進行矯正的過程。加熱區的鋼材在冷卻過程中又受到周圍制約不能自由收縮，于是又產生加大的殘余拉應力。對于厚板的熱矯形溫度都較高（一般應控制在600～800℃，對于高強度鋼的溫度控制更嚴格），加熱深度較大，加熱的區域也很寬，否則矯形效果較差。如果加熱溫度超過規定值，則容易產生“過燒”現象，從而改變鋼材性能，使其性能有一定的降低。

圖9 翼緣彎曲角變形示例

圖10 厚板工形熔透焊后熱矯形

焊接和熱矯正兩個熱加工工序使結構存在較高的殘余應力，降低了構件的疲勞強度和穩定性。為此，在焊縫尺寸保證結構安全的前提下，對焊縫幾何尺寸要求寧大勿小的做法并不可取，會帶來不利的影響。

6 結束語

鋼板梁上下翼緣與腹板的焊縫及支座區域的焊縫在受力上存在差別，應根據受力情況合理確定焊縫幾何尺寸。

1）對于鋼板組合梁而言，其與正交異性鋼橋面板有本質上的不同，鋼板梁的翼緣板與腹板的連接焊縫疲勞應力較小。在采用普通貼角焊縫（K12以下）不能滿足強度時，推薦采用部分熔透的對接與角接組合焊縫；不推薦全熔透焊縫，以利于工廠機械化、自動化生產，提高焊接質量的穩定性。

2）下翼緣板與腹板連接焊縫受到由彎曲正應力差值引起的剪應力，焊接貼角焊縫即可滿足要求；上翼緣板與腹板的焊縫同時承受正應力、剪應力和局部荷載下的壓應力，且正應力和局部壓應力為同方向壓應力，根據計算結果可適當加大焊縫尺寸或熔深，焊接角焊縫或部分熔透的角焊縫即可。

3）在支點區域下翼緣板與腹板的連接焊縫受力較大，需要等強連接，即焊縫有效厚度大于腹板厚度；在設置支點加勁肋時，加勁肋應與下翼緣板頂緊焊接或等強焊接。