悬索桥焊接式索夹制造技术研究

李泽锐 苏兰 石红昌 黄安明

(德阳天元重工股份有限公司，四川618000)

收稿日期：2021-08-10

1 项目背景

悬索桥因跨越能力强、造型美观、经济性高，成为超级桥梁工程的首选桥型[1]。索夹是紧箍悬索桥主缆索股并连接主缆与吊索的构件[2]。目前，索夹通常采用铸造成型，索夹中可能会存在一定量的铸造缺陷，如气孔、砂眼、针孔、冷隔、缩松、疏松、裂纹、变形等。铸造工艺复杂，工人操作熟练程度要求高，产品报废率相对较高。

我一听到“最大限度”就发冷笑。无限不是更好吗？干嘛给个限度？鼓号队马上就有模有样地投入了排练，下午放学后练一小时，李支书差不多每天都来检阅，只是表情一天比一天严峻。六一那天的议程首先是升旗，接着李支书致欢迎词，来宾讲话，学生队列操，最后是类似现在叫亲子游戏的活动。我以为他对村小准备的欢迎词不满意，亲自修改了几稿，把村委会的重视、学校近年的成绩全堆上去了。我以为他对主席台正好面向厕所不开心，而且厕所墙上的猪牯图案隐约可见，这好办，树起巨幅喷绘公益广告牌挡住它，“再穷不能穷孩子”，打上三个感叹号，衬托大字的是欢呼着迎面扑来的烂漫笑脸。彩排后，李支书嘴总算歪了一下，我还以为他会情不自禁打打油呢。

针对铸造结构索夹存在的上述不足，通过计算与试验，研制了一种焊接式索夹，采用钢板件焊接形成需要的索夹结构，避免了采用常规索夹的铸造过程，减小了预留的加工余量，提高材料利用率，减少加工量，同时还可根据桥位所处的环境需求，选择合适的能满足低温冲击韧性要求的钢板，扩展悬索桥的应用范围。

2 焊接索夹结构确定

根据吊索结构的不同，索夹可分为骑跨式索夹与销接式索夹两种。铸造索夹中，骑跨式索夹一般采用左右对合型结构，销接式索夹则多选用上下对合型结构。

焊接索夹制造的主要工艺流程包括：钢板件下料→索夹圆弧板卷板成形→钢板件组装焊接→焊后消应热处理→单半索夹粗加工→上下半索夹组合精加工→防护涂装[5]→试装配及包装入库。

在就诊过程中，医生发现一个细节，原来，从佳佳5岁时，妈妈就开始给她涂抹粉底、口红等化妆品来打扮她。然而从12岁开始，一直在同龄人中“遥遥领先”的佳佳，身高停止了生长，并被其他同学迅速超过，今年已经13岁的她身高只有1.4米。医生分析，佳佳患上矮小症可能与过早、长期接触化妆品，日积月累导致雌激素过量摄入有关。

图1 销接式焊接索夹结构示意图Figure 1 Schematic diagram of welding cable clampstructure by pin joint

3 焊接索夹材料选择

3.1 钢结构材料

桥梁结构中所采用的钢材应该按照JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》的要求选用满足性能要求的材料，同时所用材料应符合GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》或者GB/T 714—2015《桥梁用结构钢》要求。

一般铸造索夹的材料采用ZG20Mn[3]，其屈服强度为285 MPa，其力学性能与Q345钢接近，为保证索夹强度满足要求并减轻索夹重量，焊接索夹的钢材宜选用Q345钢及以上等级的钢；为满足低温性能要求，应采用D级，如Q355D或Q345qD钢，本次试验选用Q355D钢板作为焊接索夹的钢结构材料，根据GB/T 1591—2018，其化学成分和力学性能要求见表1、表2。

表1 Q355D化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of Q355D(mass fraction, %)

表2 Q355D力学性能Table 2 Mechanical properties of Q355D

3.2 焊接材料

焊接索夹钢板的材料采用Q355D，焊接应选用与母材强度相当的焊接材料，并综合考虑焊缝金属的强度、韧性等性能符合要求，焊接索夹宜采用CO2气体保护焊，选择ER55-G、直径∅1.2 mm的实芯焊丝[4]进行焊接，选用的焊丝中含有足够的脱氧元素Si和Mn，且含碳量较低，焊接过程中可有效地防止CO产生，ER55-G焊丝熔敷金属化学成分、力学性能要求见表3、表4。

表3 ER55-G焊丝熔敷金属化学成分(质量分数，%)Table 3 Chemical composition of metal depositedby ER55-G welding wire (mass fraction, %)

表4 ER55-G焊丝熔敷金属力学性能Table 4 Mechanical properties of metal depositedby ER55-G welding wire

4 焊接索夹制造

参照铸造索夹的构造形式，对于焊接索夹，也可以设计出焊接的骑跨式索夹和销接式索夹。不同的结构各有其优缺点，通过设计方案的对比，可为合适的结构选择提供参考。不论骑跨式还是销接式焊接索夹，索夹的总体设计应满足JTG/T D65-05—2015《公路悬索桥设计规范》要求，本次通过数值模拟计算及加工工艺对比，选出索夹结构合理、加工工艺简单、使用寿命更长的索夹结构形式，本次选出销接式焊接索夹结构中的最优方案(结构示意图见图1)来进行生产试制。

当面层的混凝土强度符合设计要求后，便可开展模板支架的拆除工作。对于叠合梁主梁，支架拆卸一般有三人同时进行，从主梁的一侧向另一侧逐渐拆除，拆卸下的部件从孔洞处排出。对于叠合梁主梁间及悬挑部分的支架模板，拆除工作往往需要采用高空作业设备辅助完成，进行拆除时也是按照一侧向另一侧的步骤进行，这样可以避免模板支架在拆卸过程中突然大范围的掉落。材料拆卸后，要较为整齐地放置在地面上。

4.1 钢板件下料及成形

本研究特地区选取我院于2015年4月至2016年4月期间需进行输血治疗患者200例作为研究对象,每组100例,实验组中女性68例,男性32例,年龄(18-67)岁,平均年龄(58.2±3.2)岁。对照组中女性69例,男性33例,年龄(20-68)岁,平均年龄(59.5±3.3)岁。两组在基本资料的比较上,经统计学处理,无显著性差异,具有可比性。

(2)针对索夹圆弧板易出现扭曲变形的问题，焊接时在索夹内孔增加半圆形防变形筋板(见图5)，半圆形筋板与圆弧板内壁紧密贴合后加固，以控制焊接过程中圆弧板的变形，从而保证索夹内孔有均匀的加工余量。

在索夹圆弧板卷制成形过程中，为保证成形后圆弧板的精度，将上、下半索夹圆弧板进行整体成形(见图2)，按整圆进行弯曲成形，成形后用样板检查，保证成形后的不圆度在1 mm以内。

本项目焊接索夹中采用的钢板件为碳钢板，板厚为30～160 mm，采用火焰切割引起的热变形不大，可以保证切割精度，所以，本项目常规板件的加工采用数控火焰切割下料。

图2 索夹圆弧板卷制成形Figure 2 Arc plate rolling molding for cable clamp

4.2 钢板件组装焊接及焊后消应热处理

焊接索夹的主要接头布置如图3所示，受拉力作用的焊缝接头为耳板与连接块之间的接头1，以及连接块与圆弧环板之间的接头2，焊缝接头1和接头2由于承受拉应力，为受力焊缝，故此两处焊缝采用熔透对接焊缝。圆弧环板与支板之间的焊缝以及平板与支板之间的焊缝(接头4～接头8)均为承压焊缝，该处的焊缝采用角焊缝。

图3 焊接索夹接头布置图Figure 3 Layout of welding cable clamp joint

在焊接加工前，根据产品的接头形式，以及GB/T 19869.1—2005《钢、镍及镍合金的焊接工艺评定试验》中规定的焊接评定试板的认可范围，确定需要做4组焊接评定试板用于覆盖焊接索夹所有的接头形式。焊接评定采用与产品相同的焊接材料和焊接方法，即选用Q355D钢板，采用CO2气体保护焊焊接，焊接工艺评定方案见表5。

表5 焊接工艺评定方案Table 5 Welding procedure evaluation scheme

按照焊接工艺评定方案进行试板焊接，试板检测合格后，根据要求对试板进行解剖，检测其力学性能合格后，其焊接参数才可用于指导后续焊接索夹的焊接。

焊接索夹焊接过程中存在以下几个控制难点：

(2)焊接索夹的焊接量大，导致焊接应力大，使索夹圆弧板出现扭曲变形，致使索夹内孔加工余量不足。

(1)索夹承压台面与中分面的间距不易控制，易导致加工后中分面或承压台面钢板厚度不满足设计要求。

(3)焊接易使索夹下半耳板出现焊接变形，导致焊后耳板两侧面加工量分布不均匀。

针对焊接过程中的控制难点，采取了以下控制措施：

(1)为保证索夹中分面及承压台面的钢板在加工后仍能满足设计要求的厚度，首先在下料环节就对该部位的竖向筋板尺寸进行修正，保证装焊后中分面与承压台面间的距离比理论值小2～3 mm，从而保证该部位在加工后钢板厚度不小于图纸要求，焊接索夹组装时尺寸控制见图4。

图4 焊接索夹组装时尺寸控制Figure 4 Dimension control for welding clampsduring assembly

滚压卷制成形是一种节材、节能、高效的金属成形工艺，通过成形轧辊把卷材、带材等金属板带冷弯成形，以制成特定断面。在成形过程中，胚料厚度变化小，外形精度高，同时卷制成形相对于机械加工成形切损少，材料利用率高，可以降低材料总成本，所以焊接索夹中的圆弧板采用滚压卷制工艺成形。但是圆弧板卷制成形时容易出现偏差，易导致焊接后索夹的壁厚不均匀。

图5 索夹内孔装焊防变形拉筋Figure 5 Welding anti-deformation tie piecein the inner hole of the cable clamp

(3)针对索夹下半耳板易出现焊接变形的情况，组装耳板前首先将耳板以外的所有钢板组装焊接并校正后，再进行耳板组装，在耳板焊接过程中，进行多次翻身对称施焊，保证焊后耳板的变形量在允许范围内。

焊接完成后对焊接索夹整体进行焊后消应退火热处理，退火的进炉温度≤200℃，升温速度≤70℃/h，炉温升至560℃后保温4 h，降温速度≤50℃/h，出炉温度≤300℃。工件进行焊后热处理的目的是：消除或降低焊接残余应力，控制后续加工过程中的变形；软化焊接热影响区的淬硬组织，提高焊接接头韧性；促使残余氢逸出；提高结构的几何稳定性，增强接头抵抗应力腐蚀的能力。

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4.3 焊接索夹加工

焊接索夹在完成焊接和焊后消应热处理工序后，将转入机加工序，索夹加工时先粗加工上、下半块索夹的结合面、螺杆孔承压台上平面；然后将两半索夹配对组合，粗加工索夹内孔和两端面；粗加工后拆开两半索夹，分别精加工半块索夹的结合面、消气槽及螺杆孔承压台上平面；然后再将两半索夹配对组合，精加工内孔、螺杆孔、耳板面及钢销孔。

这几天她呆在乌七八糟的村里腻味死了，就想着再去城里。她告诉柳红，在城里女人比男人不知强多少倍，钱太好挣了。柳红不懂。问她怎么挣钱啊？苏秋琴朝她白白眼，反问道：“你说女人靠什么挣钱啊？”柳红被噎得半天吭不出声来。

由于索夹螺栓孔数量多，加工时位置度不易保证。为了保障索夹螺孔位置尺寸，生产中采取在数控设备上预钻定位螺孔孔位的方式控制螺孔位置精度；为了保证两半索夹用螺栓连接时顺利穿入连接孔锁紧索夹，在加工中采取两半对合、划线钻孔方式，将上半钻通，下半钻50 mm左右深，拆开连接装置，直接吊走已钻好螺孔的上半索夹后，对下半索夹用已钻50 mm深孔导向钻通，从而保证两半索夹的螺栓孔位置度。

王熙凤冷眼旁观，见这寒门女子大方有节，不像她那“被酒糟透”的父母，也不像事事拎不清的邢夫人，反倒怜惜她起来，不由得要多疼爱一些。

5 结语

通过焊接索夹制造，发现焊接索夹比铸造索夹少了毛坯铸造工序，同时增加了大量的焊接工作。在原材料的应用方面，铸钢索夹采用的材料一般为铸造合金钢，而焊接索夹可采用低合金高强度钢，或者桥梁用结构钢。钢板的综合性能较铸钢件有较大幅度的提升。钢板通过下料、成形、组装、焊接等工序完成焊接索夹的制造，工艺路线合理可行。但是由于焊接索夹增加了大量的焊缝，焊后存在较大的焊接残余应力，需要进行焊后退火去应力处理。目前焊接索夹已成功应用在新田长江大桥跨中部位SJ5类型索夹中。