城市公路钢箱梁制造过程中焊接变形的控制

刘海燕 周新荣

（陕西重型机械制造有限公司，陕西 西安710021）

1 工程概况

西安市东二环~北二环立交枢纽工程是2009年度—2010年度西安市城市综合交通改善工程的重点工程之一，做为2011年西安世界园艺博览会得交通枢纽，其项目更是重中之重。由于该工程横跨地裂缝，故设计在跨越地裂缝时选择采用钢箱梁。该工程为互通式三层立交结构，桥梁工程按单向行驶车到划分为十一座桥梁，即南北主线桥（东、西两侧）、东西主线桥（南、北两侧）、A匝道桥、B匝道桥、C匝道桥、D匝道桥、AA匝道桥、CC匝道桥、DD匝道桥.，其中钢箱梁共计17跨，共重约4300T。尤以东西主线第四联钢箱梁跨度大，跨径为31m+51m+31m,桥梁总宽13m，箱高1.7m，采用单箱五室结构，钢箱梁由两侧边梁和中间挂梁组成，两边梁长为39960mm，中间挂梁长34900mm.钢箱梁处于平曲线R=10800米的圆弧段上，纵断面为竖曲线，变坡点位于中间挂梁偏右位置，横坡为1.5%，方向一致，均指向内弧。中间挂梁重235273kg，两侧边梁均重303645kg，钢箱梁材质为Q345qD。

2 方案分析

由于该工程工作量大，任务重，工期紧（该工程的顺利完工直接影响到世园会公交枢纽的建设使用）。综上所述，这种结构形式的钢箱梁制造难度较大。如要求制成后的钢箱梁整孔间4个支点的不平度大于10mm，单箱旁弯不大于5mm，因为该项目施工区域为封闭施工，全天候24小时可以吊装，加之施工现场距离加工厂区较近，基本不存在运输问题，可以依据工厂吊装设备及能力，将钢箱梁进行最大组件的划分组装，最大可能的减少现场的组拼、焊接的工作量。由于将大量的组拼焊接工作放在加工厂进行，可利用车间天车将钢箱梁分块翻转至水平或最有利的位置施焊，在保证焊接质量的同时又大大提高了工程进度，故此将边梁和挂梁均分成9个分块进行制作。

图1

3 箱型梁段的焊接变形控制

该工程钢箱梁为全焊结构，顶板、底板、腹板厚度分别为18mm、22mm、18mm，纵向加劲肋为16mm,支座部分垫板及隔板厚度为30mm，所采用钢板厚度较大，顶板、底板、腹板的拼接焊缝以及腹板与顶板、底板的连接焊缝为Ⅰ级焊缝。防撞护栏、横隔板、侧挡板按Ⅲ级焊缝施工，其余连接处均为Ⅱ及焊缝，焊接工艺和焊缝质量检验级别按《钢结构工程施工及验收规范》（GB50205-2001）及《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）执行。

由于该项目钢箱梁的熔透焊缝多，焊接工作量大，焊缝质量要求高，同时对产品的安装尺寸要求较高，因此，焊接变形的控制成为关键问题。通过控制装配的刚性约束度，采用同步中分对称焊工艺，调整焊接顺序，以及预留收缩量等措施顺利地解决了焊接变形问题，满足了质量要求。

1）要合理的预留收缩量，达到控制制作精度的目的，下料划线长度方向预留0.5‰的收缩量，宽度方向按板厚不同分别预留1~2mm焊接收缩量。这是根据经验确定的收缩量。箱梁横向尺寸及高度由于焊后能进行精密切割，不难保证，箱梁纵向尺寸通过预留收缩量来保证。

2）刚性约束：以往组焊箱形钢梁时，都是要求在各顶、底、腹单元组件组拼焊接矫形后，划线装配盖板与纵肋，装配完就进行焊接，矫正后再装焊横肋、腹板、盖板等，现改为将盖板、纵向加劲肋、横隔板一次装配成整体再进行焊接，增加了整体刚性，而且利用纵肋焊接时焊缝纵向收缩量引起的上拱弯曲变形和横肋焊接时由角变形引起的下挠弯曲变形相抵消，可有效的防止拱度变形。对于一直困扰的翼缘部分焊接角变形问题，采用翼缘横隔板下料编排时将端头上翘5~8mm（数值取决于翼缘宽度），来抵消焊接所导致的变形。装配后部件水平放置于铸钢平台上，并用卡具固定，不仅增加了刚性约束，也可避免因放置不当由自重等引起的附加变形，可防止无规则的扭曲变形。

3）“中分异向”对称焊；目的是防止焊接顺序不当而造成的弯曲变形和扭曲变形。所谓“中分异向焊”是将一条焊缝由中间分开向两端施焊。如上盖板单元是采用6名焊工施焊，4名焊工焊纵肋，2名焊工焊横肋，焊纵向加劲肋时，从中间横隔板处分开，4名焊工分别向两端施焊，向每一端施焊的两名焊工，同时对称的各焊纵肋一侧的一条角焊缝。在焊每两个横隔板间的纵肋时，其横隔板与上下盖板连接角焊缝应已先焊完。总的原则均为由中间向两端对称施焊。

4 箱形梁整体拼焊时变形控制

箱形钢梁焊接最易出现的难矫正的变形一般是箱梁整体的侧弯变形和扭曲变形，其主要原因是焊接顺序安排不当以致造成先焊侧变形过大。主要控制措施是调整焊接顺序和实施同步对称焊接工艺。

4.1 调整焊接顺序

箱梁分块有8条主要角焊缝，均不采用船形位置焊接，而改为水平位置施焊，先焊上盖板侧的箱体外侧4条角焊缝（CO2气体保护焊），然后焊接箱内水平位置的角焊缝。然后翻转箱体，在水平位置施焊下盖板侧面箱体外侧4条角焊缝和箱内水平位置的角焊缝（均采用CO2气体保护焊）。最后用CO2气体保护焊焊完其余角焊缝，均需在水平位置施焊。

4.2 同步同向对称焊和中分异向对称焊

箱梁外侧腹板角焊缝采用两台二保焊机同方向同步对称施焊。箱内2条焊缝由2名焊工同方向同步对称施焊。箱内其余角焊缝采用中分异向对称焊法。每2米为一间隔。（箱内横隔板、横联间距），从中间向两端施焊，焊完一个间隔的所有平焊位置的焊缝后再焊下一个间隔内的焊缝。

4.3 焊接前垫支调平

为防止因放置不当后焊接所导致的附加扭曲变形，在开始焊接前必须依据桥梁拱度、横坡变化将箱梁调整垫支，在符合图纸设计要求及施工工艺要求的胎架上进行焊接：焊后放置必须垫支实确，防止因放置不当导致的变形：严禁在焊接好的分块上放置其他重型工件或箱梁叠加放置，防止人为因素造成的附加变形。

4.4 箱梁现场焊接时工艺控制

4.4.1 大范围采用各种形式陶质衬垫单面焊双面成型工艺

对各种形式的焊缝，如顶板、底板、腹板单元的纵向对接焊缝，横隔板对接焊缝，桥位箱段接口环形焊缝等采用钢衬垫或陶瓷垫单面焊双面成型工艺，确保焊接质量，提高生产效率。

4.4.2 控制焊接顺序

现场拼接后的环缝，先焊腹板对接立焊缝，且要求从下向上施焊，采用几名焊工对称施焊的焊法，从中腹板向两侧展开，而后再施焊底板拼接焊缝，亦是由中间向两边施焊，然后是加劲肋对接焊缝及角焊缝，最后施焊上盖板焊缝。

5 焊接方法的选择

用CO2半自动焊接曲线焊缝和空间位置焊缝十分方便，且焊接变形也很少，甚至不需要焊后矫正工序，且CO2焊是一种低氢型焊接方法，抗锈蚀能力较强，焊缝的含氢量极低，在焊接低合金钢时，不易产生裂纹，同时也不易产生气孔。加之CO2焊所使用的焊丝和气体价格便宜，来源广泛，故此选用以CO2焊为主要焊接方法，经焊后实测，箱梁全长旁弯小于2mm，上拱小于5mm，下盖板4个端点高低差小于1.5mm，均达到质量标准。

焊接施工方案的选择符合工厂实际条件，对焊接变形的影响降到了最低，经实际操作，验证了该方案的合理性。架设后钢桥整体线形美观，验收一次通过，此钢桥已于2011年1月顺利通行。

［1］GB50661-2011钢结构焊接规范[S].中国建筑工业出版社.

［2］陈伯蠡.焊接工程缺欠分析与对策[M].机械工业出版社.