断裂控制钢结构制造工艺

◎李莉 陈正 王铭浩

断裂控制钢结构制造工艺

◎李莉 陈正 王铭浩

本文根据新西兰铁路007项目273桥制造经验，介绍美标断裂控制（FCM）的制造要求下，如何通过合理的工艺措施实现钢结构产品的质量目标。本文可供美标断裂控制的钢结构项目参考。

工程概况

新西兰铁路007项目273桥为以直代曲的单线简支板梁桥，全桥共4跨，中心跨度24m。桥梁采用栓焊结合连接方式，主要部件包含主梁、横梁、道砟面板、边板、抗震托架、其他附属件。该项目为美标断裂控制(FCM)桥梁项目，主要杆件为FCM，约占全桥85%，焊接质量要求极高。

断裂控制杆件的特殊要求

FCM是指断裂控制的关键部件，如果不能控制好这部分部件的质量就会导致整个桥梁的坍塌，《AWS D1.5美国桥梁焊接规范》中第12章有详细规定。

在原材料方面，具有断裂控制件（FCM）要求的板材必须符合规范中相应的规定，详细制定钢板订货技术条件，要求质保书格式等。焊材除了常规要求外，其合格证应该列出扩散氢的数值或者药皮的水分含量。

在制造厂的施工详图中，每个断裂控制件（FCM）处对应的焊缝必须标注出FC标记及WPS编号用以区分焊缝类型。材料表中也应将对应的板件材质注明成FCM。

在焊接管理方面，断裂控制杆件焊接时对焊条、焊剂的使用及回收要求极为严格（在制造过程中为有效保证273桥工期，其杆件焊接时每次均使用新焊剂）。断裂控制项目需编制专项焊接工艺及返修焊工艺规程。除非工程师另有要求，用作装配的定位焊必须在焊缝接头内部，严禁在母材非焊接部位引弧，不得在断裂控制件（FCM）上焊接临时构造。

在零件加工方面，具有断裂控制要求的钢材严禁冷弯，严禁冷矫正，严禁过热矫正。冷弯、冷矫易产生微裂纹及表面硬化；而过热会导致钢板的强度、韧性、延展性的丢失，具有断裂控制要求的钢材的热矫正温度≤650℃。

综上所述，在断裂控制要求的钢结构制造中必须采用相应的原材及焊接工艺，并在制造过程中尽量减少原材的物理化学性能改变。

方案规划

根据断裂控制杆件的特殊要求，工艺方案制定的核心理念即在制造过程中避免采用使材料发生应力集中及物理化学性能改变的制造措施。

273桥为栓焊结合板梁桥，U形横梁与主梁之间、道砟板单元之间、边板之间通过高强螺栓连接，U形横梁及角连接件与道砟板之间焊接。

主梁采用上盖板及腹板后出孔及对称组焊工艺，减少半成品尺寸精度偏差及焊接变形，以便控制热矫正工作量。U型横梁上盖板采用热物理顶压工艺，腹板数控等离子切割，左右端板数控钻孔，组焊成U形横梁。角连接件焊接成型后卡样钻孔、铣长圆孔。

工艺方案分析

针对断裂控制的特殊要求，对273桥的主梁、横梁、道砟面板单元等FCM杆件逐一分析，给出每种杆件形式下较为合理具体的制造方案，实现质量目标。

主梁。主梁的制造精度对保证全桥几何尺寸、线形、连接关系起至关重要的作用。主梁由上下盖板、腹板、加劲肋组成，腹板有20排螺栓孔群。

主梁影响焊接变形控制的主要因素如下：

a.火焰切割变形。钢板不对称受热易产生旁弯等变形。

b.主梁为断裂控制杆件，焊前预热温度高，但工件较大，电加热器使用受限，焊前采用火焰预热。

c.主角焊缝采用埋弧自动焊接，其熔深较大且焊缝较长（24m左右），焊缝纵向收缩较大。

图1 桥跨主要构件示意图

图2 部件主要连接关系示意图

d.焊接顺序。

针对以上不利因素，采取措施如下：

a. 主梁盖板、腹板采用双嘴对称切割下料，避免钢板单侧受热不均，减小切割变形；

b.火焰预热时避免近距离慢速度移动的集中加热方法，必须提高火头大幅度移动加热器，使工件缓慢升温，加热均匀。及时使用测温笔，测温点距离焊缝中心75mm。

c.主梁盖板下料后按0.35～0.4/m预留焊缝收缩量后一端再预留配切量。

d.主梁先施焊下盖板侧主角焊缝，再焊接上盖板侧主角焊缝。同一焊缝采用2台埋弧焊机从梁长方向的中间向两端对称施焊。加劲肋与腹板角焊缝应从下盖板侧向上盖板侧施焊，且从梁的中间向两端对称施焊。

在组装区布置主梁组装胎型。胎型设跨中线，腹板对中线先行就位；胎型设支撑架，承托腹板并保持水平；两端设液压千斤顶，推动盖板纵向移动；两侧设双向液压千斤顶，保证盖腹板顶紧，控制外形尺寸及拱度。

U型横梁。273桥的U型横梁上盖板与腹板及上端板、腹板与上端板、下盖板与左右端板间焊缝均为熔透焊缝，U形左右两肢窄而长，焊接方式复杂，制造难度高。

横梁影响焊接变形控制的主要因素如下：

a. U形左右两肢窄而长，腹板薄（12mm），上边缘焰切单面坡口，钢板单侧受热不均，钢板冷却后顶端张口尺寸收缩；

b.上盖板压型后与腹板的匹配精度。

c.上盖板与腹板间熔透焊缝，下盖板与腹板间角焊缝，焊缝收缩不一致。

d.横梁上连接孔群对半成品制造精度的限制。

e.横梁左右端板伸出端因其与下盖板间熔透焊缝易产生变形导致与主梁腹板无法密贴。

针对以上不利因素，采取措施如下：

a. U形腹板采用空气等离子切割，切割时预留两肢上口收缩量，伸出肢外侧两端预留配切量。试切后焰切上边缘坡口，待冷却后测试上张口尺寸。

b.针对上盖板压型设计专用的物理顶压胎型，使用与工件完全相同的实验件测试胎形是否合理。压型后检查两肢间相对偏差。因断裂控制件严禁冷弯，上盖板压型时需采用火焰加热压型区。压型后与腹板匹配，定位时配合火焰修整。

c.控制焊接顺序。先焊接横梁腹板与下盖板间主角焊缝增加腹板刚度，再焊接腹板与上盖板间熔透焊缝。

d. U型横梁主焊缝焊接完成后采用火焰矫正（温度≤650℃）至尺寸合格。探伤完成后在专用地样胎上划线焰切腹板伸出肢预留量。控制其他部件组焊精度及顺序。

e.横梁左右端板钻孔后将伸出端做反变形处理，避免焊后变形。

组装时利用工装卡挡等保证N5上表面与横梁盖板顶面平行且与两端腹板焰切边垂直，但不得在工件上焊接任何临时部件。

道砟面板单元。单个道砟面板单元由两个横梁、道砟板、两个角连接件（DA）焊接组成，每跨共包含10个道砟面板单元。因横梁腹板与端板均与主梁采用高强螺栓连接，横梁与道砟板间焊接定位尺寸非常关键，因而通过先连接固定横梁与主梁，后铺设道砟板块的整体试拼装来保证尺寸精度。

因为道砟板单元（一块面板焊接两个U型横梁及两个角连接件）本身结构形式的特殊性，制造精度对桥梁构件间连接造成的影响如下：

图3 横梁腹板程切示意图

图4 第一跨道砟面板与角连接件组焊示意图

a.两道横梁间的组装间距与主梁腹板孔群间距不一致；

b.两个角连接件与道砟板间位置尺寸组焊后存在偏差。

c.横梁位置与角连接件间相对位置存在组焊偏差，无法保证横梁与主梁腹板连接的同时，两个道砟面板单元间两相邻角连接件的连接。

d.公差累积导致端部道砟板单元之间及道砟板单元之间无法精确连接。

针对以上影响因素，采取措施：

a. 严格控制制造工艺（预留足够长度配切量、组装预加适当反变形），保证全桥数量的角连接件（DA）单件精度；

b.先确保每个道砟板与两端角连接件间的组焊精度以及保证两相邻角连接件间的螺栓连接。在平台上以纵向中心线为定位基准，按布置图所示位置及尺寸依次排布整跨道砟面板，检验合格后与平台卡固，两件角连接件（DA）为一组，背靠背夹双层填板保证密贴后与面板进行定位焊，注意DA与面板板边距离≥10mm，解体后完成焊接。

c.利用试拼装定位横梁与道砟板组装位置尺寸。先将横梁与主梁螺栓连接固定，在横梁上表面铺设道砟板并将面板间彼此连接，调整尺寸精度至合格，将横梁与道砟板间定位焊。试拼装解体后焊接横梁与道砟板间角焊缝，根据规范要求焊缝端部（横梁与道砟面板连接的拐角处）30mm范围内甩焊。

d. 道砟板铺设时，先定位中间板块，逐步依次向两端布置道砟板，避免累积误差。

道砟面板单元本身为不稳定结构，尤其是两个横梁端部悬出且细长，在拆卸、吊装、运输等原因容易产生一定变形，影响横梁端部上下口尺寸，所以单元制造过程中要采用相应的支撑来增加其刚度，防止永久变形的产生而影响桥梁的整体架设。

新西兰铁路007项目273桥已成功验收交付并架设完成。根据此工艺方案，在该桥制造中实现了焊接变形控制目标，减少了热矫正量，完成了断裂杆件的质量目标，可为同类型断裂控制要求的项目提供参考。

（作者单位：中铁山桥集团有限公司）