重庆东水门长江大桥中纵梁焊接技术

2013-10-08中铁宝桥集团有限公司陕西宝鸡721006裴雪峰贾玉青黄河珍

金属加工(热加工) 2013年24期

中铁宝桥集团有限公司（陕西宝鸡 721006）裴雪峰贾玉青黄河珍

1.工程概况

重庆东水门长江大桥起于南岸区涂山路（龙门浩小学），跨越长江后经湖广会馆平接渝中区陕西路，主桥为（222.5+445+190.5）m双塔单索面钢桁梁斜拉桥，钢梁全长858m。该桥采用上下层布置的公轨两用桥梁，下层为双线轨道交通，线间距6m，上层为双向四车道汽车交通，上层桥面宽24～39.2m。钢桁梁采用无竖杆整体节点三角桁架，上下层桥面系为正交异性整体钢桥面板。钢桁梁主体材质采用Q345qD、Q420qD，钢梁总重约23000t。

主桥桥型布置、钢桁梁典型截面如图1、图2所示。

图1 重庆东水门长江大桥桥型布置

图2 钢桁梁典型截面

2.中纵梁结构简介

上层桥面两主桁间全桥通长设置中纵梁，部分中纵梁中设置锚箱，作为索梁连接的主要构件，索力通过设置锚箱的中纵梁传递给上层桥面板，然后传递到主桁结构。中纵梁为焊接箱型截面，截面宽820mm，高1000mm，分为无索区中纵梁、带耳板结构中纵梁及带锚箱结构中纵梁。

带锚箱结构中纵梁材质为Q370qE，由顶板、底板、节点板（腹板）、隔板、锚箱单元、接头板、加劲肋等件组成。本桥钢锚箱构造独特，传力简捷，区别于以往钢桁梁内置式锚箱，锚箱与中纵梁节点板采用插入式连接，锚箱承力板与中纵梁节点板间为十字焊缝坡口焊，降低了焊接对操作空间的要求。承力板与节点板间实现了双面焊接，消除了内置式锚箱承力板与节点板间单面焊带来的焊接变形及应力集中的问题，更加有利于确保此处的焊接质量。

带锚箱结构中纵梁结构形式如图3所示。

图3 带锚箱中纵梁结构

3.焊接难点分析及对策

（1）易产生焊接裂纹中纵梁钢板材质为Q370qE，淬硬倾向大，焊后残余应力增大，易产生焊接裂纹，对焊接工艺的要求很高，因此焊前预热及创造良好的施工环境是制造的关键。

（2）焊接变形大中纵梁构造复杂，连接方向多，焊缝密集，且顶板与腹板在中间锚固区7000mm范围内为全熔透，焊接变形大，作为主要传力部位，焊接质量要求很高。

（3）空间定位精度要求高锚箱与中纵梁节点板采取插入式连接，空间定位精度要求高，其焊接变形直接影响锚箱组装精度，进而影响钢桁梁桥位安装及成桥线形。

针对以上焊接难点，分别从焊接工艺的选择、焊接变形控制以及焊接质量控制等几方面进行探讨，确保中纵梁制造达到设计和规范要求。

4.焊接工艺及变形控制

（1）焊接工艺评定中纵梁的焊接除了按设计图纸的要求外，必须遵循《铁路钢桥制造规范》（TB10212—2009），同时还应对主要和重要的焊接接头进行焊接工艺评定试验和工艺性能试验。焊接工艺评定试验程序如图4所示。

图4 焊接工艺评定试验程序

（2）焊接材料的选用根据焊接工艺评定试验结果，中纵梁选用的焊接材料如附表所示。

中纵梁选用的焊接材料

（3）焊接要求及焊接坡口形式本工程设计焊接要求如图5所示，结合设计要求及焊接工艺评定试验结果，中纵梁焊接采用坡口形式如图6所示。

图5 设计焊接要求

图6 中纵梁焊接坡口形式

（4）焊接工艺流程及焊接变形控制措施节点板与腹板不等厚对接焊缝的焊接：不等厚对接较厚板按照要求开过渡斜坡，与薄板匀顺过渡。焊接采用埋弧焊进行，两端部均加引、熄弧板，保证端部焊接质量。正面焊接前为防止焊漏，可在背面垫焊剂垫，背面第一道焊接前清根，保证熔透。焊接过程可采取多次翻身，双面交替施焊，减小焊接变形。

顶板纵向加劲肋的焊接：纵肋焊接采用“实芯焊丝混合气体保护焊+船位双向反变形”方案，结合其结构形式、热量输入、应力分布及变形趋势，确定反变形量，设计制作反变形胎架。根据不同的板单元宽度、厚度，横向设置不同的反变形，板单元置于胎架上后周边用夹具压紧，然后焊接，可实现板单元焊后基本无变形，顶板单元焊接示意如图7所示。

图7 顶板单元焊接示意

所有焊缝焊接时都保持焊接方向一致，根据加劲肋数量以及焊缝焊接时产生侧向弯曲的倾向安排合理的焊接顺序，减小扭曲变形和侧向弯曲变形。

顶板、腹板（节点板）、隔板组成的槽型焊接：①隔板与顶板、腹板焊缝，采用CO2气体保护焊，先焊接节点板位置隔板，尽量对称施焊，并保证焊缝外观质量。②焊接腹板与顶板内侧焊缝，该焊缝在拉索7000mm区域为熔透焊缝，其余部位为不熔透坡口焊缝，坡口过渡区施焊前先用碳弧气刨将坡口变化处刨出过渡坡，并对刨槽表面进行打磨，使坡口变化处过渡匀顺。在槽型两端头部位增设工艺隔板以控制焊接变形引起的扭曲和旁弯。槽型结构如图8所示。

箱体的焊接：为减小焊接变形对箱口尺寸带来的影响，焊接前对节点板部位进行预弯（见图9），采用埋弧焊焊接下盖板与腹板焊缝、顶板与腹板外侧焊缝。箱体总成焊接时，在端口和内部适当位置增设刚性工装框架或刚性临时支撑，增加结构的整体刚度，有效地控制了焊接变形。

图8 槽型结构

图9 节点板预弯示意

顶板与腹板熔透焊缝区域外侧焊接前进行清根。四条焊缝的焊接方向保持一致，并尽量对称施焊，同时用CO2气体保护焊焊接端隔板以外箱形内侧角焊缝。

装拉索横梁内（外）隔板、小横梁外隔板、锚箱底板等，根据组装顺序进行焊接，均采用CO2气体保护焊。

锚箱单元件的焊接、锚箱单元与中纵梁箱形焊接：锚箱的焊接是中纵梁焊接的重点和难点。锚箱承力板与两节点板在该部位形成十字接头焊缝，受力复杂，且采用深坡口部分熔透焊接，施焊空间狭小，焊接难度大，焊接变形难以控制。为使部分焊缝能够自由地收缩，从而分散焊接变形，降低矫正焊接变形的难度，确保钢锚箱的焊接质量，锚箱整体焊接分两步进行。先是锚箱单元的焊接（见图10），再进行锚箱单元与中纵梁箱形的整体焊接（见图11）。

总体焊接顺序原则如下：先焊接焊缝金属填充量多、收缩量大的焊缝，后焊接焊缝金属填充量少、收缩量小的焊缝；先焊接主要焊缝，后焊接其他焊缝，如钢锚箱中主要受力焊缝为节点板与锚箱承压板间的“十字”形焊缝，在钢箱梁总成时，此焊缝先焊；采用对称焊接，使结构件的受热均匀，减小结构件的焊接变形。所有焊缝均采用焊条电弧焊或CO2气体保护焊完成，并选则优秀焊工进行焊接，确保焊缝外观、内部质量，提高焊缝冲击韧性值。

图10 锚箱单元的焊接

图11 锚箱整体的焊接

5.焊接质量控制

带锚箱中纵梁板厚较大，其中锚箱承力板板厚40mm，端部承压板厚100mm，节点板厚40mm，顶板锚固区板厚50mm。中纵梁的焊接主要为厚板的焊接，控制好厚板的焊接质量，是保证中纵梁质量的关键。厚板的焊接特点：①需填充的焊缝金属量大，相对而言，焊接变形量大。②达到了三维散热条件，焊接过程中热量的散失较快，特别是锚箱承力板和节点板之间的“十字”接头表现更明显，出现层状撕裂和冷裂纹的倾向增加。因此，对中纵梁焊接采取了以下控制措施。

（1）原材料的控制层状撕裂主要是轧层非金属夹杂物与基体金属脱聚而致，即层状撕裂的主要影响因素是钢材的轧层夹杂物，而常见的是硫化物。因此，在厚钢板订货时，要求控制S含量低于0.010%，提高厚板Z向性能，防止产生层状撕裂。冷裂纹是指在室温附近出现的裂纹，最常见的冷裂纹是氢致裂纹，此裂纹是扩散氢在三向应力区聚集引起的。制定焊接材料供货技术条件，要求焊接材料的低温冲击韧性好，同时还要求焊接材料的扩散氢含量≥5mL/100g，减少焊缝金属中扩散氢的含量，避免出现氢致裂纹。严格焊接材料的入库、保管、烘干、发放、回收等管理，特别是针对药芯焊丝的保管和使用提出具体规定。

（2）优化设计焊接坡口对焊缝坡口形式进行优化设计，使各种接头易于焊接，减少裂纹、气孔、夹渣、未熔合等焊接缺陷出现的可能性。锚箱承力板和节点板间“十字”接头焊缝采用双面坡口焊接，减少焊接变形，降低焊接残余应力峰值。

（3）焊前预热预热的主要目的是为了减小焊缝的冷却速度，增大热循环的低温参数t100，使之有利于氢的充分扩散和逸出，防止厚板焊接产生冷裂纹。预热温度根据焊接性试验确定，采用电加热或火焰进行预热。

（4）焊接过程的控制焊接操作时采用窄焊道，多层多道焊进行焊接，每层焊缝在保证焊接质量的情况下要求尽量厚一点；使用小电流施焊，减小焊接变形。

（5）焊接顺序的控制除按总体的焊接顺序焊接外，“十字”接头部位采用内外两侧焊缝同时同向的焊接顺序进行。

（6）层间温度的控制层间温度的作用与预热温度一致，厚板焊接时应连续作业，要求保持层间温度不低于预热温度。

（7）人员及设备的控制尽量采用定人、定设备、定工位制度，减少因人员操作技能的差异而引起的随机变形。

（8）焊后处理每焊接完一段焊缝后，在清理焊接熔渣及飞溅时，顺便对焊缝进行锤击，以便消除部分焊接内应力。接头焊接完工后，主要角焊缝还应进行超声波冲击处理，以降低焊接残余应力峰值。