南京大胜关长江大桥钢梁焊接难点解析

2013-09-17郭红艳江恒心魏振鑫

电焊机 2013年11期

郭红艳，江恒心，魏振鑫

（国核工程有限公司，上海 200233）

0 前言

南京大胜关长江大桥（见图1）是京沪高速铁路及沪汉蓉铁路于南京跨越长江的越江通道，同时搭载双线地铁，为六线铁路桥。

南京大胜关长江大桥主跨336 m，双跨连拱为世界同类桥梁最大跨度，且为世界同类级别跨度最大的高速铁路大桥；设计荷载为六线轨道交通，支座最大反力达18 000 t，是目前世界上设计荷载最大的高速铁路大桥；设计时速300 km，为高速铁路大跨度桥梁世界领先水平。大桥采用世界首创的三片主桁的桁架拱桥新结构，以满足在三种轨道交通的需求下桥梁整体受力的要求。大桥首次采用具有高强度、高韧性及良好焊接性能的新型材料Q420qE，以满足拱肋较大轴力部位构件受力的需要，有效地降低了部分杆件的规模。

图1 南京大胜关长江大桥全景

焊接质量是钢桥质量的根本。工程开工前，国核工程有限公司拟定了焊接和制造等几项创优计划，对已有工艺必须加以优化和试验，方可大量用于本桥工程。

1 工程概况

南京大胜关长江大桥是京沪高速铁路的控制性工程，也是沪汉蓉铁路及南京城市交通枢纽的重要组成部分。大桥主桥钢梁由两联连续钢桁梁和一联连续钢桁拱组成，连续钢桁梁跨度为2×84 m，连续钢桁拱跨度布置为（108+192+2×336+192+108）m，主桥全长1 608 m。主桥立面如图2所示。

图2 主桥立面

桥梁采用三片主桁架结构，承载四线铁路和两线城市轻轨。边桁与中桁中心距为15m，双线沪汉蓉铁路、双线京沪高速铁路分别在桁内的上、下游侧通行；在两边桁的外侧外挑5.8 m悬臂托架，支撑南京城市轻轨铁路，桥面总宽41.6m。钢梁横断面如图3所示。

图3 横断面

2 钢梁技术创新成果

2.1 新材料

主桥拱肋重要部位采用Q420qE，其具有高强度、高韧性及良好的焊接性能。

2.2 新结构

主桥为采用三片主桁承重的桁架拱桥，采用钢正交异性板整体桥面、板桁组合结构、变截面杆件以及整体节点等新型结构。

南京大胜关长江大桥全桥钢梁采用Q420qE、Q370qE和Q345qD三种材质钢材制造。结构中存在多种不同材质、不同规格的对接、熔透角接、坡口角接及角接接头。为了合理制定针对不同材质、不同类型接头的焊接工艺，对该项目进行了焊接工艺评定试验。在焊接工艺评定试验评审会上，得到了由业主、设计、监理及国内知名桥梁焊接专家组成的评审专家组的一致认可，顺利通过专家评审。

3 工程焊接难点[1]

3.1 槽口围焊缝焊接

南京大胜关长江大桥在结构上的一大创新就是下弦整体节点为穿过桥面板的结构形式（见图4、图5）。槽口围焊缝全部采用熔透焊接，焊接应力集中大，焊接工作量大、焊接质量要求高、焊接变形控制难度大，且熔透焊缝造成的收缩会导致整体节点内侧间距尺寸直接影响插入腹杆的连接，以及高栓轴力的损失。

为此制定了针对槽口围焊缝的专项工艺及相应的焊接顺序，具体如下(围焊示意见图6)：

图6 围焊示意

图4 边桁下弦杆

图5 围焊缝端部坡口

（1）在胎架中拼装上面板、两块竖板和隔板，在焊接隔板合格后，先采用焊条电弧焊焊接端部绕焊过渡区焊缝J3+J5′，再采用气体保护焊焊接箱体外侧焊缝J1，最后焊接内侧焊缝J2。

（2）焊缝打磨匀顺后对端部J5′熔透段进行超声波探伤，检测合格后对端部150 mm范围内进行超声波锤击处理，处理后不得再施焊和修磨。

（3）拼焊下面板，翻身气刨清根后先采用焊条电弧焊焊接围焊端部J3，再采用气体保护焊焊接外侧焊缝J1，最后焊接J2，完成整条焊缝。

焊后对围焊缝端部150 mm范围进行超声波锤击处理（Ultrasonic Impact Treatment）。超声波锤击是国际上最新发展的高科技焊缝处理技术，对改善焊接残余应力状态、提高金属表面强度和硬度、改善焊趾几何形状、降低应力集中有显著的效果。根据铁道科学研究所疲劳性能试验的研究经验，对焊趾部位进行超声波锤击处理，可有效消除焊缝的残余应力，提高接头的疲劳寿命。

锤击方法：采用QC25-I型超声波锤击设备进行锤击，锤头沿着焊趾或焊道移动最佳线速度0.5～1 m/min匀速进行，每段往复处理4～5遍。锤击后锤坑深度0.1～0.2 mm，两侧焊趾和焊道间锤坑宽度大于等于4 mm，焊趾处锤坑示意如图7所示。

图7 超声波锤击

3.2 八边形杆件焊接

南京大胜关长江大桥拱肋部分节点位置吊杆为八边形杆件，该结构杆件最理想的制造方案是将关于两竖板中心线对称的上下各三块翼缘板/斜板分别由一块宽板折弯而成，结构从整体上变成由四块整板件构成的构件（见图8），可减少一半的焊缝数量，也可更有效地控制杆件的对称性。但由于原设计为普通箱型杆件，八边形杆件为后来的变更设计（见图9)，已定制的钢板宽度无法折弯成理想结构，因此工厂制造时只有采用八块钢板拼装成要求的八边形杆件，对杆件的拼装、焊接造成很大的难度。

图8 八边形理想的构件组成

图9 变更设计

八边形杆件主焊缝的焊接是一大攻关点。工厂制造时采用两两焊缝同时施焊，同时保证每四条焊缝对称焊接（具体焊接顺序如图10所示），有效地保证了杆件的整体结构尺寸并控制了焊接变形。

3.3 支座节点焊接变形控制

中桁下拱肋杆件MS24及边桁下拱肋杆件SS24

图10 八边形杆件焊接顺序

位于钢桥的6#墩位置，结构特点如图11所示。

图11 支座节点S24构造

下拱肋杆件S24长7 800 mm，高4 100 mm，箱体内高2 980 mm，最大质量78.7 t。节点板为δ64 mm厚板，底板为δ60 mm厚板，箱体各内隔板厚度40～60 mm。与拱肋平联、横梁及横向联结系连接结构均为焊接式接头板，接头板和平联、横梁及横向联结系杆件采用高栓连接；并且其底座板与支座密贴连接。同时，根据架设需要，在底座板上设置四个起顶点。底座板是直接和钢梁支座相连接的，其受力也是全桥最大的，底座板平面度的要求是本节点钢梁的重点之一，而焊接变形是影响底座板平面度的重要因素之一。为减小焊接变形主要采取以下措施：

（1）焊接前，对各个端口的腹板外侧节点板单元进行火焰反变形措施，以防止两相邻端口的中间部分节点板变形严重。

（2）对于腹板单元上底板端开有人孔的情况，在焊接前必须在该处进行刚性固定，防止底板的局部上凸变形。

（3）由于钢板很厚，各连接板均为熔透焊，焊接量大，其变形也很大，因此采用线能量较小的气体保护焊来进行焊接。

（4）对于有顶紧后焊连要求的构件，必须在顶紧后先进行顶紧部位的焊接，再进行其他部位的焊接。

通过上述工艺措施并在过程中严格控制，成功保证了S24节点钢梁的整体制造质量，各类连接板焊缝经检测其质量均满足验收要求，其底板平面度也控制在0.5 mm范围以内，钢梁的外形尺寸也在制造规则要求的范围内。

4 焊接变形控制要点[2]

（1）预留焊接收缩余量。由于本桥存在整体桥面板熔透焊缝，焊接量大，焊缝收缩量大，因而整体节点开口尺寸的控制完全由预留的焊接收缩量决定，合理的参数选择是本桥制造的核心，参数选择采用E-weld3.1ML软件计算选取（见图12）。经杆件试制，E-weld3.1ML软件计算的尺寸公差设置合理，焊接收缩预测准确。但考虑到熔透焊缝不可避免存在返修且围焊部位容易产生缺陷，也可适当增加1.0~1.5 mm收缩量。