復(fù)合曲面摩擦擺式減隔震支座預(yù)埋件施工及焊接變形控制技術(shù)

梁建偉

（中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司， 北京 101400）

0 引言

近年來(lái)復(fù)合曲面摩擦擺式減隔震支座在公路橋梁抗震設(shè)計(jì)中具有十分廣泛的應(yīng)用，其作為下部支承結(jié)構(gòu)與上部橋梁的關(guān)鍵連接構(gòu)件，能將上部結(jié)構(gòu)的反力可靠地傳遞到下部結(jié)構(gòu)中，同時(shí)在地震或撞擊中及時(shí)釋放上部結(jié)構(gòu)的變形從而起到維持上部結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定的作用，如何保證支座安裝位置的準(zhǔn)確及連接的可靠性，以確保其預(yù)定使用功能的正常發(fā)揮是實(shí)際施工中的重點(diǎn)、難點(diǎn)。支座安裝的關(guān)鍵在于其上下表面與接觸面的緊密貼合以確保其穩(wěn)定承力，采用焊接連接時(shí)，如何控制焊接受熱后不發(fā)生較大變形是支座緊密貼合的關(guān)鍵；同時(shí)焊接過(guò)程容易受各種因素影響而產(chǎn)生各類(lèi)焊接缺陷，除去焊接變形，還會(huì)導(dǎo)致接頭承載力下降，焊接高溫影響鋼支座內(nèi)部滑動(dòng)材料性能等問(wèn)題，進(jìn)而影響整個(gè)鋼支座安全，這些都需重點(diǎn)關(guān)注。

1 工程概況

滇緬大道快速路建設(shè)項(xiàng)目（一期工程）高架橋均采用摩擦擺式減隔震支座（見(jiàn)圖1），支座曲率半徑7.5m，隔震周期5.5s；邊墩及引橋支座曲率半徑為5m，隔震周期為4.5s，隔震位移均采用 =300mm。全橋共有摩擦擺式減隔震支座77套，涉及固定、單向滑動(dòng)、雙向滑動(dòng)三大類(lèi)，減隔震起始力在300kN～2625kN之間。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，支座采用上、下預(yù)埋鋼板+焊接固定方式安裝（見(jiàn)圖2），上下預(yù)埋鋼板板厚均為30mm，與支座間采用四邊倒角坡口焊接，單個(gè)支座平面尺寸較大，導(dǎo)致焊接工作量大，易產(chǎn)生焊接變形和缺陷。

圖1 一聯(lián)（Pm13-Pm16）標(biāo)準(zhǔn)截面混凝土箱梁支座布置圖

圖2 上、下預(yù)埋鋼板大樣及與支座連接示意圖

2 焊前影響因素評(píng)定

為確保支座焊接質(zhì)量的可靠性，做到一次成型不返工，在焊接前期組織實(shí)施了焊接影響評(píng)定試驗(yàn)，旨在檢測(cè)支座板及預(yù)埋鋼板在焊接過(guò)程中的溫度變化以及焊接完成后鋼板的變形情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：在制定嚴(yán)格焊接工藝的條件下，焊縫質(zhì)量、焊后變形均在規(guī)范允許范圍內(nèi)[2]，焊接完成的支座可投入工程使用。

試驗(yàn)采用與設(shè)計(jì)相同的上下預(yù)埋鋼板及相應(yīng)的支座上下座板，以此來(lái)完全模擬實(shí)際工程中鋼支座制作安裝時(shí)的焊接情況。試驗(yàn)前分別在支座板和預(yù)埋鋼板上按環(huán)形均勻布置溫度和變形傳感器，在焊接時(shí)及焊后1h內(nèi)連續(xù)監(jiān)測(cè)其溫度、變形量的變化情況，傳感器布設(shè)示意圖如圖3所示，試驗(yàn)過(guò)程中溫度、變形數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所示。

圖3 支座座板及預(yù)埋鋼板溫度、變形傳感器布設(shè)位置圖

表1 不同時(shí)刻支座座板及預(yù)埋鋼板溫度、變形數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，采用既定焊接工藝的焊接過(guò)程中變形量不超過(guò)GB50755-2012《鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》中規(guī)定的最大變形（≦3mm），溫升值不超過(guò)改性超高分子量聚乙烯減摩板的改性溫度[1]（255～300℃）。

3 支座安裝關(guān)鍵技術(shù)

3.1 安裝工藝流程

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，擬采用上下預(yù)埋鋼板+焊接固定方式安裝，支座安裝施工工藝流程圖如下圖4所示。

圖4 支座安裝工藝流程圖

3.2 測(cè)量定位

采用高精度全站儀在墩柱頂測(cè)放支座軸線(xiàn)和角點(diǎn)，同時(shí)在墩柱頂部設(shè)置標(biāo)高控制點(diǎn)，以方便支座安裝過(guò)程中的抄平工作。在確定位置及標(biāo)高時(shí)應(yīng)要考慮溫度變形及其他因素產(chǎn)生變形，結(jié)合前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的修正。

測(cè)量?jī)x器精度及測(cè)放誤差允許值應(yīng)滿(mǎn)足規(guī)范要求：軸線(xiàn)偏差為±1.0mm，標(biāo)高偏差為±2.0mm，全站儀測(cè)量精度±1.1mm（工作半徑≦100m），水準(zhǔn)儀的測(cè)量精度±0.1mm[3]。

3.3 埋件定位安裝

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，鋼板在焊接錨筋后錨固于上下墊石混凝土的方式預(yù)埋，錨筋采用C25mm鋼筋焊接于預(yù)埋鋼板上，長(zhǎng)度800mm，縱、橫向間距300mm，為防止焊接過(guò)程中鋼板受熱變形，采用鉆孔塞焊的方式進(jìn)行，必要時(shí)輔助以?shī)A具固定。

預(yù)埋件用于直接承載上部支座傳遞反力，承載要求高，對(duì)其安裝精度和表面平整度要求高，其安裝質(zhì)量直接影響到整個(gè)上部結(jié)構(gòu)的受力與安全。考慮單塊預(yù)埋鋼板上錨筋眾多（≧25根），焊接工作量大，精度要求高，現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)易受環(huán)境因素、加工條件等影響，焊接質(zhì)量難以保證，故采用工廠(chǎng)先行加工成型后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)預(yù)埋在澆筑混凝土的方式錨固安裝。

為優(yōu)先保證預(yù)埋鋼板的安裝精度，避免下部結(jié)構(gòu)鋼筋與其發(fā)生位置沖突，采用先放置預(yù)埋件后再安裝下部結(jié)構(gòu)鋼筋的方法，下部鋼筋安裝與預(yù)埋鋼板錨筋沖突時(shí)，采用局部調(diào)整、局部彎折以及先期折斷后期補(bǔ)強(qiáng)的方式綜合調(diào)整安裝。預(yù)埋鋼板定位時(shí)可借助已復(fù)核加固的模板引測(cè)定位基準(zhǔn)點(diǎn)，必要時(shí)可搭設(shè)輔助腳手架作為預(yù)埋件初步測(cè)量定位基準(zhǔn)。

3.4 焊接技術(shù)參數(shù)選取

焊接前將接口表面污垢清理干凈，準(zhǔn)備保溫棉、防風(fēng)布，搭設(shè)防風(fēng)棚。構(gòu)件定位采取多點(diǎn)定位，具體焊接參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 焊接工藝參數(shù)表

3.5 支座與預(yù)埋鋼板焊接

復(fù)合曲面摩擦擺式減隔震支座是連接下部結(jié)構(gòu)與上部箱梁的關(guān)鍵部件，為確保其安裝后可靠受力和傳力，必須嚴(yán)格控制預(yù)埋鋼板與支座的焊接質(zhì)量。

預(yù)埋鋼板安裝完成后進(jìn)行支座與預(yù)埋件的焊接連接，支座底板采用鏡面不銹鋼板，材質(zhì)為O6Cr17Ni12Mo2，采用45°坡口。板厚250mm；預(yù)埋鋼板采用Q235鋼，板厚300mm。其焊接接口形式如圖5所示。焊接方式采用雙人雙機(jī)對(duì)稱(chēng)焊接，焊縫質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

圖5 預(yù)埋鋼板與支座焊接連接接口形式示意圖

為防止上下預(yù)埋鋼板施焊過(guò)程中變形偏位，分別采用不同的輔助固定方法進(jìn)行輔助焊接。在下部預(yù)埋鋼板與支座焊接時(shí)采取壓重法臨時(shí)固定：即采用配重塊、千斤頂?shù)荣|(zhì)量不小于1000kg的重物臨時(shí)吊放在支座上方壓重。重物與支座接觸面應(yīng)平整、光滑，避免損傷支座上表面。待支座下座板與下預(yù)埋鋼板焊接固定完畢后吊出重物，安裝上預(yù)埋鋼板。由于上預(yù)埋鋼板含錨筋，不適用于壓重法臨時(shí)固定，擬采用專(zhuān)用夾具臨時(shí)夾緊的方式，待焊接完畢后拆除（見(jiàn)圖6）。

圖6 上、下預(yù)埋鋼板與支座焊接輔助固定示意圖

3.6 焊接工藝優(yōu)化

為使預(yù)埋鋼板與支座、預(yù)埋鋼板與錨筋的焊接過(guò)程快捷高效，同時(shí)保證焊接質(zhì)量的絕對(duì)可靠，針對(duì)焊接過(guò)程中的關(guān)鍵工序進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化。

3.6.1 預(yù)埋鋼板與錨筋的焊接工藝優(yōu)化

通常情況下錨筋與預(yù)埋板采用單面預(yù)設(shè)坡口的角焊縫形式連接（見(jiàn)圖7a），此焊縫連接形式焊接工程量大，且焊后鋼板變形朝一個(gè)方向，不利于保證后期預(yù)埋板的共平度。同時(shí)由于只進(jìn)行單面焊接，容易造成焊縫根部受力大、應(yīng)力集中而未焊接一側(cè)連接強(qiáng)度不足的缺陷。經(jīng)研究，決定將焊縫形式改為雙面設(shè)坡口的“雙耳形”焊縫（見(jiàn)圖7b），該焊縫連接形式可減少焊接工作量，且雙面焊接變形可相互抵消，對(duì)焊后鋼板變形量控制有利。同時(shí)雙面焊有利于保證焊接可靠性，使得錨筋與預(yù)埋鋼板能平緩過(guò)度，降低了應(yīng)力集中的程度，使得焊縫受力更加合理。

圖7 預(yù)埋鋼板與錨筋的焊縫連接形式示意圖

3.6.2 預(yù)埋鋼板與支座的焊接工藝優(yōu)化

為控制焊接過(guò)程中的鋼板變形，盡可能使焊接變形降至最低，針對(duì)預(yù)埋鋼板與支座板的焊接分段、焊接方向做了進(jìn)一步優(yōu)化，在保證雙人雙機(jī)對(duì)稱(chēng)焊接的前提下細(xì)化了每次焊接長(zhǎng)度及焊接的方向。具體即為：按順時(shí)針?lè)较驅(qū)⒄麎K鋼板劃分為面積相等的12塊，按圖8所示順序劃分為6組對(duì)稱(chēng)焊接。實(shí)踐證明，此種優(yōu)化方式達(dá)到了較好的變形控制效果。

圖8 預(yù)埋鋼板與支座的焊接方向及分段形式示意圖

3.7 焊接過(guò)程質(zhì)量控制措施

（1）單個(gè)支座焊接時(shí)要求連續(xù)進(jìn)行，因此在正式開(kāi)始作業(yè)前應(yīng)合理規(guī)劃人、材、機(jī)等保障措施，盡量避免在高溫、雨雪天氣作業(yè)，不可避免時(shí)應(yīng)提前做好防風(fēng)防雨準(zhǔn)備。

（2）考慮焊縫較長(zhǎng)，單個(gè)支座焊接周期較長(zhǎng)，應(yīng)盡可能采取措施降低先期施焊部位與后續(xù)焊接時(shí)的溫差，可及時(shí)采用石棉等保溫材料覆蓋保溫。

（3）施焊前應(yīng)清理焊口周?chē)囊兹嘉铮苊獍l(fā)生火災(zāi)，為避免焊接時(shí)引入雜質(zhì)，焊接連接部位不應(yīng)提前涂覆保護(hù)層，或在焊接前應(yīng)打磨干凈，焊接完成并檢測(cè)無(wú)誤后應(yīng)及時(shí)涂刷保護(hù)層，以防焊縫銹蝕[4]。

（4）高空作業(yè)施焊時(shí)，應(yīng)做好防風(fēng)、防雨措施，當(dāng)環(huán)境濕度大于80%時(shí)應(yīng)停止作業(yè)，焊接過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷應(yīng)及時(shí)記錄、分析原因，并有專(zhuān)業(yè)工程師負(fù)責(zé)處理。

（5）遇突發(fā)情況終止焊接時(shí)應(yīng)采取可靠措施進(jìn)行焊縫保護(hù)，必要時(shí)采取持續(xù)性保溫措施，后期重新接焊時(shí)應(yīng)提前制定專(zhuān)項(xiàng)焊接工藝卡。

4 焊后焊縫質(zhì)量檢測(cè)

為保證支座與預(yù)埋鋼板焊接質(zhì)量的絕對(duì)可靠，焊接完成后按規(guī)定對(duì)所有焊縫逐個(gè)進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)缺陷限值應(yīng)符合相應(yīng)焊縫等級(jí)的規(guī)定。本次抗震支座與預(yù)埋件的節(jié)點(diǎn)為Ⅲ級(jí)焊縫，故采用磁粉探傷方式檢查[5]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)摩擦擺式減隔震支座的焊接法安裝固定工藝進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹，針對(duì)支座預(yù)埋鋼板錨固、加工，支座與預(yù)埋鋼板的焊接連接等關(guān)鍵工序介紹、總結(jié)了相應(yīng)的質(zhì)量控制措施。重點(diǎn)分析焊接過(guò)程中的溫度與變形控制工藝，經(jīng)過(guò)在昆明滇緬大道快速路建設(shè)項(xiàng)目（一期工程）的實(shí)際施工檢驗(yàn)，表明上述施工工藝既保證了施工質(zhì)量，又加快了施工進(jìn)度，該施工工藝對(duì)其他相似工程的施工具有很大的參考價(jià)值。