鋼結構橋梁焊接施工技術研究

李海龍，梁永強

（中鐵二十局集團 第一工程有限公司，江蘇 蘇州 215100）

0 引言

混凝土結構施工對現有通行道路和附近居民生活影響較大，而鋼結構具有工廠化加工、現場安裝簡單、快速安全、施工方便、橋梁造型多樣、外觀美觀等優勢，因此在工程施工中得到廣泛的應用。但是鋼結構施工也存在短板，主要表現為現場拼裝后焊接較多、現場焊接質量難以控制。立交橋具有匝道曲線半徑小、孔跨結構高等特點，因而鋼箱梁分段受限，縱橫向現場焊縫增加。焊縫焊接不但影響結構強度，還影響成橋線型等外觀質量。因此施工中應采取有效的措施，在保證焊接質量的基礎上保障焊接成型后橋梁線型的美觀。

1 工程概況

蘇州東環南延工程尹山湖立交橋位于吳中區尹山湖畔，是連接東環和南湖路高架以及蘇嘉杭高速的五路口樞紐型全互通立交，東距尹山湖1 km左右，南北連接東環南延高架橋，東西連接南湖路高架橋，西挨京杭大運河，東臨蘇嘉杭高速。南湖路高架橋工程線位于規劃中環線，東西走向，跨越東環南延。立交橋采用全遷回定向“渦輪形立交”，并在常規渦輪立交的基礎上，增加與出口接線相連的4條匝道。立交橋總層次為3層，東南象限局部匝道高度達到4層，左轉遷回定向匝道的圓曲線半徑控制在100～150 m。

尹山湖立交橋鋼箱梁共5聯，分別為ES匝道U6聯、NG匝 道U1聯、SW匝 道U8聯、WN匝 道U4聯、NE匝道U9聯，5聯均為一跨簡支鋼結構箱梁。其中，WN匝道U4聯為9.4～15.1 m變寬鋼箱梁，其余4座為9.2 m等寬箱梁，單向橫坡，坡度為2%。跨進組合：ES匝道U6聯為36.5 m，NG匝 道U1聯 為39 m，SW匝 道U8聯 為38.5 m，WN匝道U4聯 為39.4 m，NE匝 道U9聯為38.7 m。 標 準箱體頂板寬9.2 m，單箱雙室結構，梁高1.8 m，頂板寬4.556 m。鋼箱梁頂板厚16 mm，底板厚20 mm，縱腹板厚20 mm；頂板設“U”形肋，厚8 mm，底板和腹板采用16 b球扁鋼。鋼橋面采用剪力釘與混凝土鋪裝層連接，在橋面板上設置間距為300 mm×400 mm的剪力釘，剪力釘高60 mm、直徑為16 mm。

2 焊接特點及工藝原則

為了保證尹山湖立交橋跨主線高架5聯鋼箱梁的高質量快速施工，鋼箱梁焊接在考慮質量、安全、經濟及施工進度的前提下，項目采用先進的焊接工藝。施工前，根據設計圖和技術規范先做鋼箱梁焊接工藝評定試驗，了解5聯鋼箱梁材料的焊接性能，選擇合適的焊接材料及焊接參數。按照工藝評定試驗結果編制詳細的焊接工藝規程，建立完善的焊接質量控制措施，確保后續鋼箱梁焊接施工的焊縫質量和橋梁安全。

2.1 鋼結構焊接重難點

（1）板材的對接焊縫及結構之間熔透焊縫為鋼結構焊接的重點。

（2）“U”形肋與面板之間的焊接要求高，“U”形肋焊縫熔深不小于0.8倍“U”形肋板厚且不得焊穿。如何選擇合理的焊接工藝來保證“U”形肋焊縫的焊接質量是該結構焊接的重點。

2.2 根據立交橋鋼結構的特點制定施工工藝

（1）為確保焊接質量，優先采用自動焊，盡量減少人工焊縫。

（2）選用的焊接材料應與鋼結構材料相匹配，盡量減少焊縫中易擴散的氫含量，確保焊縫一次性合格且滿足設計要求。對重要焊縫采用工藝性良好的超低氫高韌性的焊材焊接，確保焊縫質量。

（3）開工前通過理論和實作考試優選焊工，保證參與本工程的焊工均能夠持證上崗。

（4）選用自動焊接設備，穩定焊縫質量；選用焊接時變形小的保護焊，減少鋼結構的焊接變形。

（5）針對該工程匝道橋的特點，對焊接試驗進行評定，確保選用最合適的焊接方法、坡口尺寸、焊接設備材料，以及預熱溫度、焊層間的溫度等各項工藝參數。

（6）分析大小桿件的焊接變形量，尋找規律，制定反變形措施。通過理論計算和實驗數據相結合的方法確定焊縫收縮量大小，并嚴格執行過程跟蹤，糾正偏差。嚴格把控材料下料、坡口制作、結構桿件拼裝，正確選擇焊接方式、焊接順序，采用胎型上焊接來減少焊接變形。

3 結構焊接工藝方案

3.1 對接焊縫的焊接

鋼板的廠內對接均采用埋弧自動焊，為確保焊縫熔透防止焊漏，采取焊接前墊設焊劑墊，焊接時用碳弧氣刨清根。第一道焊接時先焊接深坡口一側，后續焊接過程中采用兩面交替焊接，以減小焊后變形及降低焊接殘余應力。

3.2 “T”形熔透角焊縫的焊接

優先選用藥芯焊絲CO2氣體保護焊或焊條電弧焊進行“T”形熔透角焊縫的焊接。根據鋼板的不同厚度選擇“V”形或雙面“J”形坡口，焊接時優先對坡口內一側實施封底焊，清根、打磨后對兩側交替焊接，減少變形。

3.3 典型桿件的焊接

3.3.1 板單元“U”形肋焊接工藝

橋面板“U”形肋焊縫要求具有優良的抗疲勞性能，焊縫熔深不小于0.8倍“U”形肋板厚且不得焊漏。為滿足“U”形肋焊縫質量要求，采用線能量較小的富氬氣體保護自動焊（MAG）進行焊接，焊接時重點控制焊絲角度，保證熔深和焊縫的外觀成形，避免咬邊、焊偏等缺陷。“U”形肋數量多，焊縫長而直，板單元焊接后有一定變形。為了控制焊接變形，在專用組裝生產線上組裝“U”形肋，在專用的自動焊接生產線上反變形焊接。

3.3.2 結構分段焊接

結構整體焊接時頂板、腹板、底板采用熔透角焊縫，為了達到熔透要求，降低施工難度，采用倉內焊接、反面氣刨清根焊接工藝進行施焊。具體焊接要求如下：首先焊接橫隔板與“U”形肋的焊縫，距離“U”形肋80 mm處暫不焊接。其次從距離頂板80 mm處向上立焊“U”形肋與橫隔板、橫隔板與頂板焊縫。最后從橫隔板豁口立上、仰焊完成焊接，這樣可以大大提高焊縫的抗疲勞性能。

3.3.3 頂板、底板縱向對接焊接

頂板、底板縱向對接焊接先定位，預留寬度宜在（6±2）mm，打底焊2道，厚度宜控制在8～10 mm的范圍內，再進行填充自動焊接，最后形成2道蓋面焊。

4 結構現場焊接

結構現場焊接作業主要為吊裝節段制作時環縫的焊接。

4.1 一般規定

結構現場環縫焊接不同于工廠焊接，屬于野外露天施工作業，焊接時受自然因素影響很大。焊接前應做好各項防風、防雨措施，并且從焊接材料管理、工藝文件的執行、設備等各方面做縝密的工作。現場焊機一般規定如下：①搭建專用的施焊平臺，要求牢固安全、防風擋雨[2]。②建立健全焊接安全生產等規章制度。③焊接場地設置用電安全告示和用電安全設施。④配置各種相關設備與工具。⑤采用經過評定合格的焊接工藝，保證焊接質量。⑥焊接前接頭清理準備符合技術規范。

4.2 現場結構定位焊接

（1）根據現場條件及結構分段尺寸、焊縫長度等條件來設置定位焊接尺寸，長度宜為50～75 mm，焊接間距不應大于400 mm，焊腳尺寸不應小于4 mm且不大于1/2焊角高。

（2）在以下情況時對焊縫進行預熱，以防止焊接裂紋的產生[3]：①惡劣天氣不得進行現場焊接，如果影響到進度必須焊接時，要采取防雨棚等措施進行焊縫預熱。②定位焊縫拘束度較大時進行焊縫預熱。③根據試驗評定結果選用焊縫預熱。

（3）現場焊接前必須對焊縫除銹，焊接前除銹后時間不得超過24 h，防止焊縫重新污染或生銹。

4.3 節段制作縱縫對接及吊裝節段環縫對接

吊裝節段制作時，分段就位后，相鄰分段間頂板、底板對接焊縫采用背面貼陶質襯墊單面焊雙面成形工藝。吊裝節段橋位就位后，相鄰吊裝節段間頂板、腹板及底板對接焊縫采用背面貼陶質襯墊單面焊雙面成形工藝，焊接時用氣體保護焊打底，用埋弧自動焊接蓋面。

4.4 鋼結構就位頂板“U”形肋焊縫

頂板“U”形肋嵌補段的焊接如圖1所示。“U”形肋對接拐角處焊縫先進行焊接，完成后將其頂部打磨成1∶5斜坡，然后進行平面對接焊縫焊接、打磨，最后進行焊接嵌補段“U”形肋角焊縫焊接。

圖1 “U”形肋嵌補段橋位焊接示意圖

5 檢驗與返修

鋼箱梁所有焊縫在焊接完成后立即進行外觀檢查，并填寫焊縫檢查記錄，確保各斷面所有焊縫無裂紋、未熔合，不存在焊瘤、夾渣、未填滿弧坑及漏焊等缺陷。外觀檢查不合格的焊接桿件，按相關技術要求返修，在焊縫外觀質量未滿足要求之前，不得進入下一道工序。

對焊縫外觀檢查合格后進行無損檢驗，無損檢驗在焊接24 h后進行（鋼板厚度≥30 mm的焊接件應在焊接48 h后進行無損檢驗），檢驗不合格的焊縫應及時返修[4]。

焊縫鋼板、母材的缺陷超過相應的質量驗收標準時，可采用砂輪打磨、碳弧氣刨、鏟鑿或機械加工等方法徹底清除。對焊縫進行返修。螺柱焊返修采用砂輪切除焊釘或磨除缺陷的方法，當局部磨除缺陷時，磨除區域應沿缺陷兩端外延10 mm。可以采用切除缺陷焊釘的返修方式，將板材焊點打磨后，重新將焊釘焊接上。

同一部位的返修焊不宜超過2次，焊縫2次以上的返修須報焊接工程師制訂相應的返修方案。

6 措施

6.1 焊接變形控制措施

鋼箱梁焊接變形是鋼結構橋梁質量控制的重點，焊接變形控制的大小直接影響橋梁結構的尺寸大小、連接部位的質量及焊接后續的矯正工作。

熔化焊時焊縫的形成是一個短暫高溫冶金的連續過程，在這個過程中由于受熱不均勻可能引起焊縫及結構的變形，焊接結束后焊縫遇冷收縮導致焊縫及結構變形。這種變形可采取提前預留焊接收縮量、調整構件施焊方向和順序、增加剛性約束等方法進行控制。根據本結構的特殊性，制定以下焊接變形控制措施：①選用合理的焊接接頭形式。②選擇焊接方法時優先考慮焊接變形小的方法。③精心組織合理的焊接方向和施焊順序。④控制各焊縫位置下的焊接飽滿度。⑤針對變形大的焊縫制定最合適的反變形量。⑥臨時增加結構適宜的剛性支撐以減小變形。

6.2 提高結構抗疲勞能力措施

本結構的焊接接頭形式主要有對接、“十”字形、“T”形等，接頭部位力線扭曲、應力集中，結構接頭部位的抗疲勞能力最差，尤其是鋼箱梁結構復雜，板件厚度大，焊縫拘束度高，焊接完成后焊縫中依然存在較高的殘余應力。因此，制定以下控制措施：①材料下料前進行接頭、坡口設計，結構焊接過程中嚴格控制焊接方法及施焊順序，最大限度地減小應力集中，從而提高結構的抗疲勞能力。②焊接完成后，應對焊縫疲勞控制的形狀進行處理，增加焊縫過渡角及過渡半徑尺寸，對焊縫進行砂輪修磨勻順（磨削時的方向要與力線方向一致），通過減小應力集中的程度，以提高本結構的抗疲勞能力。

6.3 結構焊接質量控制措施

為確保焊接接頭的各項性能指標滿足設計及規范要求，保證結構焊接質量，制定以下結構焊接質量控制措施。①焊工資格的控制：通過培訓、考核，取得資格證后方可上崗；資格證項目與實際生產對應管理；做好焊工質量監管。②焊接設備控制：購優良可靠的焊機，定期檢查維護焊機。③焊接材料控制：合理選用焊接材料，嚴格控制焊材技術條件，嚴格倉儲使用管理。④焊接工藝控制：工藝評定試驗，制定合理的焊接工藝；定期工藝檢查，確保工藝適用性；制作產品試板檢查工藝的穩定性。⑤焊接環境控制：確保施焊環境符合技術規范，施焊現場不符合時創造局部室內環境。

7 結語

尹山湖立交橋5聯匝道鋼箱梁結構施工，焊縫類型比較多，焊縫對結構的各種影響程度大，因此必須對焊接施工技術進行詳細分析和準確把握，這是鋼結構焊接的關鍵。在施工中采用合理的焊接工藝，明確各個方面的焊接施工要求，做好焊接施工技術的應用和控制。同時，要妥善完成焊縫磨修及缺陷修補，確保鋼結構焊接施工保質、按期完成。