钢箱梁制作变形因素分析及控制实践

2021-11-10杨成辉

科学与生活 2021年21期

杨成辉

摘要：钢箱梁混凝土组合结构桥梁是当前比较重要的桥梁工程结构形式，充分利用钢材的抗拉性能和混凝土的受压性能，钢混组合梁在受力条件、耐久性、用钢量等诸多方面存在优点，在我国大力推广。钢箱梁施工尤为重要。改进钢箱梁施工工艺，提升施工质量，延长使用寿命是现在钢结构设计和施工所面临的主要问题。本文对钢箱梁施工过程中变形进行研究，希望对钢箱梁设计及施工有一定借鉴和指导作用。

关键词：钢箱梁，焊接变形，变形控制

一、依托工程概况

北京新机场位于北京市南部大兴区，地处大兴区最南端与河北省廊坊市交界处，北距天安门约 50km、距首都机场约 67km，西距京九铁路 4.3km，南距永定河北岸大堤约 1km。

本项目是北京市轨道交通新机场线一期工程土建施工03合同段钢箱梁结构工程，其中钢混结合梁梁2023吨，钢混结合梁包括（32.6+40+34.9）m跨钢箱梁、（32.6+40+26.05）m跨钢箱梁、（32.6+40+32.6）m跨钢箱梁、（32.6+32.6）m跨钢箱梁，箱梁高1.7m，全宽8.4m，为单箱单室结构，底板宽3.41m，钢箱梁整体制作，分段安装，共36段钢箱梁。

二、钢箱梁变形因素分析

由于焊接加热，熔合线以外的母材产生膨胀，接着冷却，熔池金属和熔合线附近母材产生收缩，因加热、冷却这种热变化在局部范围急速地进行，膨胀和收缩变形均受到拘束而生塑性变形。这样，在焊接完成并冷卻至常温后该塑性残余变形残留下来。焊接残余变形可分为角变形、弯曲变形、扭曲变形、失稳变形。

由于工程体量大焊接量大，产生变形的位置多，所以焊接残余变形控制是钢箱梁制作重中之重。

三、钢箱梁变形控制措施

1、钢箱梁设计措施

（1）尽可能减少焊缝的数量

在设计焊接结构时尽可能减少焊缝的数量，避免不必要的焊缝。尽可能用型钢、冲压件来代替焊接件。

（2）选择合理的焊缝尺寸

不同厚度低碳钢板的最小焊缝焊脚尺寸如表3-1所示。

2、钢箱梁制作措施

（1）反变形

钢板拼焊前将钢板装配成具有焊接变形相反方向的预先变形。反变形的程度应该能抵消焊后形成的变形。如图 3-1所示，为反变形情况下的应用。

（2）刚性固定法

通过采用胎夹具或其他临时支承方法，增加结构在焊接时的刚性，达到减小焊接变形的目的。钢梁用自制卡具（限位板）固定钢梁底板和胎具横梁来限制焊接变形固定方式如图3-23所示。实践表明刚性固定法是控制梁体波浪变形和角变形最为有效的措施。

（3）合理地选择焊接方法和焊接顺序

选用能量密度高的焊接方法，如采用二氧化碳气体保护焊、等离子弧焊和手工电弧焊进行薄板焊接，可以减少变形量。把结构适当的分成部件，分别装配焊装，使不对称的焊缝和收缩量较大的焊缝在焊接过程中能比较自由的收缩而不影响整体结构，然后拼焊成整体。这样有利于控制变形。

箱体焊接的顺序原则是先立焊、再横焊、后纵焊。一般来说，先焊的一侧焊缝产生的变形比后焊的一侧焊缝产生的变形要大。因此焊接顺序总的规律是先焊焊缝少的一侧。对于截面形状对称的结构，尽可能采用对称焊接方法，如图3-3所示.

（4）预留焊接余量

箱梁在焊接过程存在焊后收缩变形，计算单层对接焊缝的焊接收缩量，采用的经验公式。加大构件下料尺寸，用以补偿箱梁焊接的收缩变形。

收缩变形分为纵向收缩变形和横向收缩变形。纵向收缩变形即沿焊缝轴线方向尺寸的缩短。设焊接前的长度为L，焊后的长度为L-Δx。Δx的大小取决于焊缝长度、焊件的截面积、材料的弹性模量、压缩塑性变形区的面积以及压缩塑性变形率有关，焊件的截面积越大，焊件的纵向收缩量越小;焊缝的长度越长，纵向收缩量越大。

纵向收缩变形，收缩量近似值公式：

ΔL=K1*Ah*L/A （3-1）

式中：

ΔL——纵向收缩量，mm;K1——系数，取值范围如表3-2所示;

对箱梁的底板沿轴线长度方向计算在拼焊底板过程产生纵向收缩变形近似值。其中 K1 由表中查得为0.071，每条焊缝的截面积=16×16=256mm2（单边坡口按45度，钝边2mm），钢梁长度40000mm，底板宽3410mm，板宽横向由两块钢板一条焊缝拼接，板厚16mm，底板截面积 A=3410*16=54560mm2，带入公式计算ΔL变形量为13.4 mm。

横向收缩变形是指沿垂直于焊缝轴线方向尺寸的缩短。设焊接前的宽度为B，焊后的宽度为B-Δy。Δy的大小与热输入、接头形式、装配间隙、板厚、焊接方法及焊件刚性有关，焊接热输入越大，焊件的横向收缩量越大;装配间隙越大，横向收缩量越大;焊件的刚性越大，横向收缩量越小。

横向收缩变形，双V对接焊缝收缩量近似值公式：

ΔB=0.908*e∧（0.0464*δ）（3-2）

式中：ΔB —— 横向收缩量，mm;e——2.718282;

δ —— 钢板厚度，mm。

经计算，钢板拼接时双V对接焊缝收缩量近似值取值范围如图3-4所示。

该工程最长跨度40.0m的钢箱梁，箱梁底板和腹板投影长度为39980mm。单块钢板长度平均按7000mm计算，腹板产生6条对接焊缝。钢板厚度δ=16mm，ΔB=0.908*e∧（0.0464*δ）计算出单条对接缝产生横向收缩量ΔB=1.9mm。腹板总长度方向上为总收缩量为11.4mm;结合焊接过程综合因素确定单条腹板下料总长加15mm下料加工余量。钢梁底板长度为40000mm，宽度3410mm，在长度方向上单块钢板长度平均按7000mm计算，产生6条对接焊缝。根据公式ΔB=0.908*e∧（0.0464*δ）算出单条对接焊缝产生横向收缩量ΔB=1.9mm。底板总长度方向总收缩量为11.4mm。在拼接底板过程中为避免由于束缚产生的应力，焊接顺序先横再纵。结合以上因素二者的收缩变形进行叠加。

底板焊缝在长度方向上总的收缩量ΔB+ΔL=24.8mm。即在钢梁底板下料中长度方向加25mm焊接余量。

3、钢箱梁预拱度控制技术

（1）预拱度设置原理

预拱度是抵消钢箱梁面层等结构在荷载作用下产生的挠度，而在钢箱梁制作时预留与位移方向相反的一种正量。

预拱度设置应按最大预拱度值按顺桥向做成圆滑曲线。该钢梁最长段40m，设计理论预拱度值138mm。

（2）预拱度设置

預拱度设置按照二次抛物线法计算，公式为：

Y=aX2+bX+c （4-3）

将三点坐标（0，0）、（最大预拱度跨长，最大预拱度值）、（跨长，0）带入公式即可求得a、b、c各值。式中Y为预拱度值，X为距离原点的数值。由于钢桥结构的特殊性，在钢梁上有众多的纵向、横向焊缝，产生焊接变形导致预拱度值减少，再考虑钢梁的自重等因素，制造时预拱度值应大于设计值。

每跨钢箱梁预拱度值按照二次抛物线进行布置，通过计算研究并结合以往工程经验，在设计预拱度基础上叠加制造预拱度40mm，即最大拱度值由138mm修正为178mm。相应坐标点值按二次抛物线公式调整。

箱梁制造完成后，经对各点y值实测，均大于设计预拱度0-10mm符合设计及规范要求。

结论：经过制造过程控制措施的实施，该工程钢箱梁未发生较大焊接变形，节省大量焊接变形矫正工时，降低成本，缩短工期，顺利竣工，各项技术指标均达到设计及相关规范要求。本工程获得第十四届第一批钢结构金奖。