大跨度耐候钢桁梁全焊接拼装施工重难点控制

文／卢大治、冯昭洁 济青高速铁路有限公司 山东济南 250102

1、工程概况

潍莱铁路右线跨青荣铁路特大桥31 ～33 号墩设1-（120+82）m 下承式钢桁梁，为单箱三室箱型截面，箱宽5.0m，箱高4.5m，该钢桁梁示意图如图1所示。钢桁梁主桁类型为有竖杆整体节点三角桁架、变桁高，桁高13 ～25m，节间长度9 ～13m，主桁中心距10.0m，主材为耐候钢。耐候钢具有优越力学性能、高耐腐蚀性、便于加工制造、较高性价比等特点，且在一定环境下，耐候钢材可免涂装使用，目前耐候钢已在国内桥梁建设中得到广泛使用。桥面采用不锈钢复合钢板321-Q370qENH。钢桁梁主体钢结构总重为1985.4t，采用全焊接耐候钢，分为单元构件进场后进行现场焊接施工，须达到一级焊缝。为了加快工程进度，现场采用将钢桁梁单元杆件首先组拼成小桁片然后吊装桁片焊接的工艺，桁片最大重量94.7t。从总体施工工艺上看，需要在工厂完成主桁杆件、钢桁梁的块体制造后，运至桥位现场完成主桁装桁片的拼装与焊接，最后在桥上进行接口连接。由此可见，钢桁梁的现场拼装工艺和桁片焊接质量是整个工程成败的关键。

图 1 潍莱右线跨青荣铁路特大桥120+82m 钢桁梁示意图

2、钢桁梁桁片组拼

2.1 桁片分块明细

根据桥位现场的吊装设备、起重能力及尽量减少高空作业的原则，本项目单个主桁架分为9 个吊装桁片和一个吊装节段，其最大吊装重量为72878kg。全桥共计19 个主桁桁片。其主桁桁片划分见图2。

图2 主桁桁片分块示意图

2.2 桥面系、平联吊装单元的拼装

桥面系吊装单元由桥面板单元、横梁单元组成。根据制造节段分块，桥面板单元宽度范围为1.8m ～2.0m，长度范围为9 ～13m，全桥共计72 块。T 形横梁单元梁高1000mm ～1076mmm，梁长7.8m，全桥共计67 块。在制造厂内将桥面板单元、横梁单元制造完成检验合格，经打砂涂装后运至桥位现场，现场进行组拼焊接后进行吊装作业。平联吊装单元是由两个平联单元组成“X”型的腹杆体系，其平联截面均为工字型截面，其结构示意图见3。

图3 桥面系、平联吊装单元示意图

2.3 主桁桁片预拼装

主桁桁片全桥分6 次预拼装，采用“3+1”模式进行。预拼装在专用胎型上采用水平预拼工艺进行。构件放置在预拼装胎架上，各杆件处于自由状态进行。主桁杆件预拼装工艺如下：检测胎架精度是否满足预拼装要求；将首节间弦杆摆放在胎架上，调整弦杆节段整体位置，满足规范要求；继续安装下节桁片杆件，根据放样点调整杆件位置，使杆件的中心距、对角线和平面度符合设计及规范要求；杆件位置满足要求后，使用码板进行临时固定，以保证杆件位置不发生相对移动；重复上述步骤完成剩余桁片杆件的预拼。待完成一个节段的桁片预拼后，检测预拼的预拱度、纵梁间距、杆件的平面对角线、焊缝接口间隙、错台等必须符合设计及规范要求。

2.4 杆件组焊为桁片

根据总体施工方案与部署，主桁杆件在工厂制作合格后，在现场场地进行预拼装并对线型检测合格后，将弦杆与腹杆组焊为主桁桁片。主桁桁片组拼顺序为：检测桁片拼装台架加工精度→组拼下弦杆→组拼下弦杆→组拼直腹杆→组拼斜腹杆。杆件组拼完毕监测各个杆件的长度、平面位置、平面对角线偏差、焊缝间隙及错台标高、测点等项点，合格后用码板临时规定然后按照焊接工艺进行焊接。对接焊缝完成后对焊接的连接焊缝质量进行外观、内部质量检测；对弦杆局部焊接变形采用热矫正措施进行修整。

2.5 预拼装精度控制措施

预拼装工艺指导书的编制要以预拼装作业合理可行、简捷经济为原则，预拼装的检测要做到全面科学，操作性强，预拼装的台凳设计除满足支点要求外，同时要考虑基础的稳固、支架的刚度对预拼装精度的影响，同时要考虑到基准的选择和台凳承重后的弹性变形对基准的影响，为了避免支架承重对基准的影响，检测基准必须单独设在支架外的稳固基础上。

预拼装时严格按照构件的摆放顺序进行预拼装，第一个构件的摆放要严格按照基准线进行对位，将其作为其它块体定位的基准。后续构件摆放时，不但要考虑与首构件的匹配精度和相对几何精度，还要进行整体测量，以避免误差积累。每增加一个构件的预拼装，均要进行全面的检测，以便为后面节间构件的预拼装提供依据。一轮预拼装的所有构件全面检测合格后，方可进行解体工作。

3、桁片吊装拼接

3.1 桁片吊装设备选择

桁片吊装过程中最大桁片重量94.7t，钢桁梁主桁两侧桁片就位，根据杆件重量表，最大单根杆件重量为94.7t，钢桁梁桁片中心间距10m，吊车回转半径按照22m 计算，采用一台650 吨的履带吊完成吊装作业。

3.2 桁片吊装

根据钢桁梁构造及桁片、桥面板吊装过程中稳定，计划先吊装桥面板，再吊装两侧桁片，然后吊装纵平联、桥门架及横联。每节段桁片组拼完成后，焊接形成整体。桁片吊装顺序自小里程至大里程逐片吊装。桁片、桥面板在二拼场地组拼完成后，利用650t 履带吊进行吊装，根据桁片、桥面板构造找出桁片重心位置，然后在重心两侧约2-3m 位置设置吊点，吊点两侧设钢板限位吊装钢丝绳，钢丝绳与桁片间设置圆弧形钢板防止钢丝绳与桁片上弦杆直接接触。吊装用钢丝绳设辅助钢丝绳，调整桁片在起吊过程中处于平稳状态。为满足桁片在吊装过程中的变形控制，斜腹杆与下弦杆、斜腹杆与上弦杆设置临时型钢固定，保证在吊装过程中桁片的自身稳定。

3.3 桁片就位

桁片吊至拼装支架时，提前在拼装支架上放样钢桁梁桁片轴线，桁片落于拼装支架时候保证下弦轴线位置在误差允许范围内，然后在桁片节点位置及大里程端部设置千斤顶对钢桁梁进行精确调整，检测桁片中心距、对角线及预拱度，满足规范要求后，用码板临时定位。定位时两纵基线之间要精确预留焊接收缩量。

3.4 桁片临时固定措施

桁片吊装过程中最大桁片重量94.7t，钢桁梁主桁两侧桁片就位时焊缝分段焊接固定桁片，并增设缆风绳，远离铁路侧缆风绳和拼装场地的台架连接，靠近铁路侧与预埋基础进行连接。桁片吊装至E5 节点时，桁片自身抗倾覆能够满足要求，不再单独设置缆风绳。

4、钢桁梁焊接

4.1 焊接特点分析

结合工程特点来看，该桥焊接存在如下几个方面的特点，需采用门式多电极焊接专机、焊接机器人等先进装备，选择高品质的焊接材料，遴选优秀的焊接工人投入项目施工，全面提升项目现场制造和桥位复杂环境下的焊接质量。该桥焊接存在的特点：（1）焊接工程量大。钢梁节段为全焊结构，桥位连接以焊接为主。（2）桥面板疲劳特征明显，质量的稳定性和制造过程中的细节处理很重要。（3）选用的钢材质量等级高，相应的对焊缝质量要求也高。（4）厚板焊接过程中控制裂纹等缺陷产生的难度较大。（5）节段控制焊接变形和减小焊接残余应力的难度较大。

4.2 焊接方案选用原则

根据本工程的特点及质量要求，确定焊接工艺方案的基本原则是：在保证焊接质量的前提下，尽量采用焊接变形小和焊缝收缩量小的焊接工艺；为提高焊接质量与施工效率，应大范围采用机械化、自动化的焊接方式，减少手工操作。焊接方案的选用应遵循以下几项原则。

（1）焊接方法以自动焊接为主，包括埋弧自动焊接和气体保护焊自动焊接（包括门式焊接专机），尽量以机械代替手工操作，减少人为因素的影响，确保焊接质量的稳定性。

（2）焊接材料的选用应与母材相匹配，焊接时严格把握焊缝中的扩散氢含量，保障焊缝质量满足全部设计及规范规定。

（3）焊接变形控制措施应全面、系统。根据杆件制造精度要求，预留合理的焊接收缩量，并严格控制线能量输入，尽量避免仰位焊接。

（4）根据结构的特点制定完善、合理的焊接工艺评定试验并编制焊接工艺文件。工艺文件编制的依据主要包含焊接的方法、设备、材料，坡口的形式，预热温度，层间温度及工艺参数等。

4.3 焊接工艺要求

4.3.1 焊接环境要求

焊接施工对焊接环境要求较严，当发生下列任一情况时，若未采取有效防范措施，则禁止施焊，不然有可能产生严重后果。具体对焊接环境的要求有：（1）当风速大于2m/s 时，使用气体保护焊须采取防风棚、防风罩等防风措施。（2）当相对湿度大于80%时，工件表面的水汽需采用火焰加热法去除。（3）施焊时防雨棚未能起到遮挡风雨的作用，则需停工。（4）当焊件温度低于5℃时，焊缝两侧100mm 范围内需按照要求进行烘烤加热。

4.3.2 焊前工艺准备

在焊接前应进行如下技术工艺准备：（1）焊工须经过严格培训，特种作业人员证件在有效期内。（2）焊接材料不得受潮，如受潮需按照规定进行烘焙，并且应按照材料管理制度对焊材进行发放、使用和回收。（3）进行焊接施工前，需对相关管理人员、质检人员、施工人员进行焊接工艺技术交底。（4）焊接工艺评定经过专家论证，并完成报审手续，按照焊接工艺编制了施工工艺文件并下发。（5）焊前坡口面及坡口两侧的铁锈、油污、氧化物等要彻底清理干净。（6）施焊时要采取防风、防雨雪等的措施，保证施焊环境满足要求。（7）焊前要核对焊接工艺参数、调试焊接设备。

4.3.3 定位焊的要求

定位焊应按如下要求进行：（1）定位焊的工作应该由具有相应资格的焊工来承担。（2）定位焊及临时点焊所用的焊接材料应与所焊工件相匹配。（3）工艺要求焊前预热的，定位焊预热温度应在工艺规定基础上提高30 ～50℃。（4）定位焊缝要保持均匀，焊脚尺寸及焊缝长度按照工艺文件的要求执行，定位焊缝表面不允许有裂纹、未熔合等缺陷。（5）定位焊缝距离工件的端部最少要有30mm。十字焊缝定位焊时，在距离十字焊缝中心位置50mm 内不允许有定位焊。

4.3.4 焊接施工流程要求

焊接施工时要严格按照焊接工艺规程的要求进行施焊。具体有如下几项要求：

（1）采用多层多道焊时，焊点接头禁止处在同一平面上，上层上道的药皮、飞溅清理干净后才能施焊下层下道。

（2）采用埋弧焊的对接焊缝端部要安装引弧板和熄弧板。焊接完成后，引、熄弧板不允许采用锤击等方法去掉，要采用火焰切割，并且留1 ～3mm 的余量，用砂轮机打磨至与母材平齐。

（3）当温度达不到焊接条件时，必须按工艺要求预热构件后方可焊接施工，预热范围不得小于焊缝两侧100mm。测温点在加热侧的背面，距焊缝50mm 处。焊接施工时需保持层温不小于预热温度，每道焊缝尽量一次焊完。当施焊中断时，应采取相应的后热、缓冷等控温措施。再次施焊时，按要求预热后方能进行。

（4）CO气体纯度及气瓶压力应满足施焊要求，即纯度不低于99.5%，压力不低于1.0MPa，否则应停止施焊，更换气瓶。

（5）施焊时，焊接顺序、操作要点等应严格按要求进行。

（6）焊缝需气刨清根时，业面气刨深度、宽度应均匀。碳弧气刨时，根部至少应有R ≥6mm 的圆弧。

（7）施工过程中出现重大焊接质量事故时，焊接施工应立刻叫停，并报焊接主管工程师和监理工程师，待问题解决后，再继续施焊。

4.4 焊接材料

该项目采用耐候桥梁钢Q370qENH、Q345qDNH，拟选择焊接材料见表1.

表1 焊接材料的选用

4.5 桥位现场焊接

桥位现场焊接是指成各节段桁片吊装就位后，进行现场施焊以形成整体钢桁梁。桥位现场焊接作业内容主要是横梁上翼缘与下弦水平板之间的焊接、横梁上翼缘与纵梁上翼缘之间的焊接、平联现场全断面对接。由于现场施焊环境较差，安装焊缝为熔透对接焊缝，焊接工作量和焊接难度大，对焊工的技术水平要求高；再者现场安装时构件刚度大，现场焊接必须保证焊缝的各项力学性能满足设计要求。

4.5.1 桥位现场焊接一般规定

桥位现场焊接应遵循以下规定：（1）搭建专用的施焊平台，要求牢固安全、防风挡雨。（2）建立健全焊接安全生产等规章制度。（3）配置方便适用的预热设备及测温工具。（4）焊接前坡口清理、预热等措施符合工艺要求。（5）制定低温专项焊接施工方案，保证低温焊接质量。

4.5.2 焊接顺序

焊接流程应秉持减小焊接残余应力与因焊接而产生的附加应力的原则，即：应从桥中轴线向两侧对称施焊横向焊缝；一端有自由端的长焊缝时，可从另一端施焊，并采用分中、对称分段向自由端前进。

首先应焊接整体桥面板与下弦杆顶板的对接焊缝，然后焊接相邻节间的横向对接焊缝。从桥轴线向两侧对称施焊。

4.5.3 桥位现场对接焊缝的焊接

桥位现场对接焊缝采用气体保护焊焊接且使用背面贴陶质衬垫单面焊双面成形方式。焊接应采用实心焊丝CO气体保护焊与药芯焊丝气体保护焊相结合的焊接方法。在此工艺中实心焊丝CO气体保护焊进行打底焊接，药芯焊丝进行填充盖面焊接。

4.6 焊接缺陷的修补

对在施工中出现的外观检查和无损检测不合格的焊缝按工艺规程进行返修。

焊接缺陷会影响施工质量，故宜采用碳弧气刨清除焊接缺陷，完全清除后方能进行下一步骤。清除焊接缺陷时，应将两端刨成1：5 的斜度，修整表面、磨掉渗碳层，沟槽深度和宽度要均匀，根部要圆弧过渡。焊缝返修时应采用与原焊缝相同的焊接方法的原则，当焊缝较短时可采用焊条手工电弧焊进行返修；对于焊接前需要预热的焊缝，碳弧气刨、返修前要进行预热，预热范围为缺陷周围不小于100mm 的区域，预热温度比原预热温度高30℃～50℃。焊接缺陷的修补方法按照表2 进行。

表2 焊接缺陷的修补方法

4.7 焊接变形控制措施

因为焊接是热加工，所以形成焊缝是一个连续的短期冶金过程。焊接过程中不均匀的受热会导致焊缝相邻金属的相变和塑性变形，施焊后焊缝收缩会导致变形。这种变形是客观存在的。变形主要通过减少不必要的焊接、调整焊接顺序、焊接方向、刚性约束等来对其进行控制。针对本结构的特殊性，在以往经验的基础上，拟采取以下焊接变形措施控制焊接变形：（1）设计合理的焊接接头坡口型式。（2）制定合理的焊接顺序和焊接方向。（3）采用焊接变形小的焊接方法。（4）控制每道焊缝各位置下的焊接剂填充量。（5）对能够采用业变形措施的焊缝预设合适的业变形量。（6）在适当位置增加工艺隔板或刚性支撑。

4.8 焊接接头质量控制措施

为了保证桥梁的焊接质量，焊接接头的性能应满足各项设计要求。具体的焊接接头质量控制措施如下：

（1）焊工资格的控制：①培训，考核，资格证。②资格证项目与实际生产对应管理。③焊工质量监管。

（2）焊接设备控制：①购优良可靠的焊机。②定期检查维护焊机。

（3）焊接材料控制：①合理选用焊接材料。②严格控制焊材技术条件。③严格仓储使用管理。

（4）焊接工艺控制：①工艺评定试验，制定合理焊接工艺。②定期工艺检查，确保工艺适用性。③制作产品试板检查工艺的稳定性。

（5）焊接环境控制：①确保施焊环境符合技术规范。②现场不符合时创造局部室内环境。

结语：

潍莱铁路右线跨青荣铁路特大桥31 ～33 号墩设1-（120+82）m 下承式钢桁梁，采用免涂装耐候钢设计，并以全焊接替代传统栓接形式，对焊接质量要求严格，焊接工程量大，节段控制焊接变形和减小焊接残余应力的难度较高。并且杆件种类较多，杆件截面小，细长杆件居多，焊接变形控制难度较大。综合考虑工程特点及现场条件，在钢桁梁桁片组拼、桁片吊装拼接、钢桁梁焊接方面提出施工工艺方案与质量控制措施，有效提高了施工效率，确保了施工安全，保障了施工质量，同时节约了施工成本，为类似工程施工提供了成熟且可借鉴的经验。