嘉绍大桥索塔钢锚箱焊接工艺

嘉绍大桥索塔钢锚箱焊接工艺
嘉绍大桥索塔钢锚箱焊接工艺
曾颖胡海清
(武船重型工程股份有限公司，武汉430415)
摘要：嘉绍大桥是世界上首座六塔独柱双幅四索面斜拉桥，主桥全长2 680 m。

索塔钢锚箱是桥梁的主要承力构件，受力比较集中；采用单箱双室四索面结构，每对锚拉板之间有两个不同空间角度的锚箱，其空间结构相对复杂；受各种条件的制约，结构尺寸不能过大，且多为厚板结构，内部空间狭小，焊接要求高，施工极为困难；国内外无成熟经验可参考借鉴。

针对其结构特点和要求，制定合理的装配、焊接工艺，控制焊接变形，保证其尺寸精度和焊接质量。

关键词：索塔钢锚箱；焊接工艺；坡口形式；焊接质量
1 工程概况
嘉兴至绍兴跨江公路通道嘉绍大桥主航道桥为世界首座六塔独柱双幅四索面连续钢箱梁斜拉桥，跨径布置为(70+200+5×688+200+70) m=2 680 m。

桥型布置见图 1。

图1 桥型布置
索塔钢锚箱为斜拉索塔端锚固结构，设置于上塔柱中间，近塔侧第 1 组和第 2 组斜拉索锚固于混凝土上，剩余第 3～12 组斜拉索锚固于索塔中的钢锚箱上。

每个索塔共由 10 节钢锚箱节段组成，钢锚箱断
面尺寸为7.60 m(顺桥向)× 4.00 m(横桥向)，每节钢锚箱高度因索距和斜拉索角度变化而不同，最小节段高 2.00 m，最大节段高 2.70 m，材质为 Q345D 钢，钢锚箱最大吊装质量不超过 44 t。

索塔钢锚箱为单箱双室结构，其构件主要有：顺桥向锚拉板、锚端板、承锚板、锚下腹板、锚垫板、加劲肋、工作平台等构件组成，见图 2。

斜拉索的拉力，通过锚垫板 N4、承压板 N5、锚下腹板 N6、N7，传递到索塔钢锚箱顺桥向三块拉板N2、N3上；索塔钢锚箱顺桥向拉板主要承担斜拉索水平分力。

1—锚端板N1；2—锚拉板N2；3—锚拉板N3；
4—锚垫板N4；5—承锚板N5；6—锚下腹板N6、N7；
7—工作平台；8—竖向连接板。

图2 索塔钢锚箱结构
2 索塔钢锚箱结构特点、制作难点和制作方案
2.1 索塔钢锚箱结构特点和制作难点分析
单箱双室钢锚箱结构两侧各设置4个锚箱，每对锚拉板之间两端各有两个不同空间角度的锚箱，节段端面间采用抗扭剪型高强度螺栓
连接，设计要求节段制作垂直度不大于1/6 000，端面金属接触率不小于 30%，钢锚箱壁板错边量不大于2 mm，制作精度要求高 [1]。

索塔钢锚箱为厚板结构，最大厚度达到50 mm，主要受力焊缝均要求全熔透。

厚板焊接的主要特点有：1)厚板熔透焊接坡口深，坡口加工质量要求高；2)厚板焊接焊缝金属填充量大，热输入大，焊接变形量较大，且较难控制；3)在焊接热源作用下，母材易被淬硬，焊后残余应力大，易引起焊缝或焊接热影响区开裂[2]，无损检测要求高。

此外，受各种条件的制约，索塔钢锚箱结构尺寸不能过大，因而内部结构空间狭小。

两锚下腹板间的间距为450 mm，在其间锚孔两侧还设置了高度为 800 mm的加劲板，又将两锚下腹板间分割成 5 个狭小空间，给装配、焊接带来极大困难。

2.2 制作方案
确定索塔钢锚箱制作方案时应遵循以下几个原则：1)通过改变焊接工位，使难以焊接的部位易于施焊，保证焊接质量；2)分散焊接变形，降低焊接时的拘束，控制构件整体焊接变形量，确保构件尺寸精度；3)狭小空间的焊缝，采用合理的装配、焊接次序，确保焊接质量。

根据以上原则，针对索塔钢锚箱厚板焊接量大，熔透焊缝多，制造精度要求高等特点，拟定制作方案为5个工艺阶段。

1)零件下料与加工：补偿焊接、矫正收缩量和机加切削量；2)部件制作：先将锚箱制作成部件，焊后进行机械加工，分散焊接变形，确保锚箱部件的尺寸精度；3)节段匹配制作：采用匹配制造，整体绘制修正中轴线和机加工端口基准线；4)节段机加工：采用大型数控镗铣床进行端面加工，保证端面精度；5)节段预拼装：在厂内支撑平台上进行立式拼装，检测断面接触率和钢锚箱垂直度、高度、错边量、锚点间距等。

通过以上5个工艺阶段制作加工控制，做好各阶段制作精度和焊接质量管理工作，确保装配与焊接质量，满足设计和规范要求。

2.3 装配、焊接流程
2.3.1 锚箱部件制作
锚箱部件由腹板、外侧加劲板、锚下承压板、锚垫板、内部隔板和加劲板组成。

锚箱腹板与端部承压板、顺桥向锚拉板焊接连接，锚
下承压板也与顺桥向锚拉板焊接连接。

锚箱部件见图 3。

1—腹板；2—隔板；3—锚下承压板；4—锚垫板。

图3 锚箱部件结构
1)单元件焊接。

为了减小焊接变形，将隔板及其加劲、锚下承压板与锚垫板、腹板及其加劲均组焊成小单元件。

2)锚箱部件制作顺序为：以锚下承压板为胎架→装配焊接两侧腹板及内部中间一块隔板→装配、焊接内部中间另一块隔板→对称装配、焊接外侧隔板。

锚箱部件焊接顺序如图 4 所示[3]。

注：①—⑩为焊接先后顺序。

图4 锚箱部件焊接顺序
2.3.2 钢锚箱制作。

1)钢锚箱制作顺序：选定一侧顺桥向拉板为胎架装配下层锚箱部件、工作平台支撑型钢→装配中间顺桥向拉板(增加临时支撑)→装配端部承压板→装配上层锚箱部件、工作平台支撑型钢→装配另一侧顺桥向拉板(增加临时支撑)→最后整体焊接钢锚箱节段。

2)钢锚箱节段的焊接。

图 5为钢锚箱节段焊接次序。

注：①—⑤为焊接先后顺序。

图5 索塔钢锚箱节段焊接顺序
3 焊接试验
3.1 试验用材料
试验用钢材为Q345D 钢，与索塔钢锚箱相同，其技术指标符合GB/T 1591—2008《低合金高强度结构钢》标准要求。

其化学成分见表1，力学性能标准见表 2[4]。

表1 Q345D 钢化学成分(质量分数) %
CSiMnPS≤0.18≤0.50≤0.17≤0.030≤0.025
3.2 选用焊接材料
总体来说厚板焊接主要有两个特点：一是需要的焊缝金属量大，因此焊接变形量也会随之加大；二是达到了三维散热条件，焊缝冷却较快，尤其是T形结构表现更为明显，层状撕裂和氢致开裂风险也随
之增加[2,5]。

表2 Q345D 钢力学性能
钢板厚度/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/%冲击功/J(-20℃)弯曲(α=180°)>16～40345470～630≥2134d=3a,完好注：弯曲栏中的d为弯曲直径，a为钢板厚度，mm。

层状撕裂是在邻近 HAZ 的母材中略呈阶梯状的分离，典型情况是由焊接热诱导的收缩应力所致。

影响层状撕裂的主要因素是钢材内的夹杂物，常见的是硫化物，因此，需控制母材的S 含量。

对于厚钢板，订货时要求 S 含量低于 0.010%，以提高厚板厚度方向的性能，防止母材发生层状撕裂。

冷裂纹(有时称之为延迟裂纹或氢致裂纹)可能会在焊接完成后数小时甚至数月才形成。

常见的冷裂纹是氢致裂纹，通常与氢脆有关。

选用焊接材料时，要选用低温冲击韧性好、熔敷金属含氢量低的焊丝，减少焊缝金属扩散氢含量，避免出现氢致裂纹。

本工程的 CO2 气体保护焊用焊丝为CHW-50C6 和 CHT-711，其熔敷金属含氢量不大于5 mg/100 g，其化学成分和力学性能见表 3。

表3 CHW-50C6 和 CHT-711的化学成分、力学性能
牌号直径/mm化学成分(质量分数)/%力学性能CSiMnPSCrNi屈服强度Rel/MPa抗拉强度Rm/MPa延长率A/%kV/JCHW-50C61.20.0830.8661.4700.0230.0070.0530.01242055032.051(-30℃)CHT-
7111.20.0600.3791.3200.0160.0120.0410.01249058023.075(-20℃)
3.3 坡口选择原则
所选用的坡口截面面积应尽可能的小。

坡口截面面积越大，需填充的焊缝金属越多，焊接热输入量越大，由焊接引起的变形也越大。

根据结构空间大小和施焊位置，选择焊接坡口具体形式。

根据焊缝熔透要求选择焊接坡口。

3.4 焊接工艺试验
根据索塔钢锚箱设计要求，结合具体结构形式，按照TB 10212—2009《铁路钢桥制造规范》的规定，选取有代表性的接头进行试验[6]。

选取的接头有对接接头和T 形角接接头。

对接接头根据制作位置和施工方便，选用单面单边 V 形坡口；T 形接头有不对称 K 形、对称K 形、单面单边V 形坡口等。

典型、熔透焊接接头坡口形式，焊接方法和焊接参数见表 4。

所有试件焊缝冷却到环境温度后对焊缝进行外观检查，表面质量符合TB 10212—2009 外观质量要求。

焊接 48 h后对焊缝进行 100% 超声波探伤，B 级检验，Ⅰ 级合格。

焊缝超声波探伤按GB11345—89《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》执行，结果评定按TB 10212—2009《铁路钢桥制造规范》执行。

力学性能试验结果见表5。

试验结果表明：焊接工艺评定试验结果符合规范要求，焊缝及热影响区 -20 ℃ 低温冲击吸收能量均不低于34 J，且有很大的储备。

表4 拟定的焊接接头坡口型式、焊接方法和焊接参数
坡口形式焊接方法牌号及规格焊缝成型焊道焊接电流I/A电弧电压
U/V焊接速度υ/(mm\5min-1)立位FCAWCHT-711?1.2mm1-34-101651902223110180平位FCAWCHT-711?1.2mm1～561’-2’3’-6’27029029029029313131290380200400立位FCAWCHT-711?1.2mm1-61’-5’2002002222120120平位FCAWCHT-711?1.2mm1～561’～2’3’～6’27027027027030303030290250290250平位FCAWCHT-711?1.2mm12～92502502727200300
注：上标’表示反面焊道序号；FCAW为药芯焊丝CO2气体保护焊。

表5 焊接接头力学试验结果
全焊缝金属拉伸接头拉伸Rel/MPaRm/MPaA/%Rm/MPa断裂位置侧弯α=180°d=2a低温冲击试验AkV/J(-20℃)焊缝中心热影响区最高硬度(HV10)50056522.5555/560母材完好4819021951058021.0---10715722453060521.5---6914922551559523.0---9023822853561023.0---99135225
4 焊接变形控制
焊接过程中，焊件的不均匀、局部加热和冷却是由产生焊接变形的最根本原因。

由于电弧的热作用，电弧附近的金属温度显著上升，而离电弧较远的金属温度还很低，这样使得焊件出现不均匀的热膨胀。

温度低的金属阻碍了高温金属的膨胀，使其不能自由伸长，于是高温金属产生压应力，而低温金属产生拉应力，当压应力大于金属的屈服应力时，高温金属就发生局部压缩塑性变形。

焊件冷却后压缩塑性变形不能恢复，使焊件的尺寸变短，这就是焊接变形[4，7]。

焊接变形直接影响焊件尺寸，因此，应对焊接变形加以控制，使其对焊件的尺寸影响降到最低。

焊接变形主要从如下几个方面来控制：零件下料时加放焊缝收缩
量，尽量选用焊缝金属填充量少的坡口形式，分散焊接变形以降低焊接残余应力，拟定合理的焊接次序，增加刚性约束等。

4.1 加放焊缝收缩量
按照零件尺寸大小、焊缝熔透深度要求、焊接位置，在零件放样时，适当地加放零件尺寸，预期焊后达到设计要求的尺寸。

4.2 焊接坡口选择
选择截面面积小的焊接坡口，以减少焊缝金属填充量，从而降低总的焊接热输入。

4.3 分散焊接变形
采取先制作单元件和部件，让该部分先产生焊接收缩，再进行分段总装。

达到分散焊接变形、降低矫正难度的目的。

4.4 拟定合理的焊接次序
确定索塔钢锚箱焊接次序的原则为：1)先焊接全熔透、收缩量大的焊缝，再焊接部分熔透、收缩量小的焊缝，控制焊件的不规则变形。

2)先施焊主要焊缝，再施焊其他焊缝，如图5所示。

3)对称施焊，让结构件的各部位受热均匀，减少焊接变形。

图4、图5 中的相同数字应同时施焊。

4)长焊缝应分段、对称施焊。

钢锚箱顺桥向拉板与端部承压板间的角焊缝。

4.5 刚性约束
在构件端口增加工装框架，增加了结构整体刚度，有效地控制了焊接变形。

4.6 变形矫正
最有效地矫正焊接变形方法主要有两种，一是火焰加热矫正法，二是机械加压矫正法。

使用机械加压矫正法来矫正焊接变形时，需要制作相对应的矫正模具。

锚箱部件和钢锚箱结构复杂，不宜采用机械加压矫正法，宜采用火焰加热矫正法。

表7 首轮索塔钢锚箱尺寸检测
检验项目上端面节段长度/mm下端面节段长度/mm上、下端面
节段宽度/mm节段高度/mm锚点中心到纵桥轴线距离/mm锚点中心到锚箱纵轴线距离/mm锚点中心高程/mm拉索轴线角度偏差/(°)允许偏差±2.0±2.0±2.0±2.0±2.0±2.0±2.00.10检测结果0～+2.0+1.0～+2.00～+1.0-1.5～+1.5-1.0～+2.0-1.0～+2.0-1.0～+2.00.03～
0.10
1)火焰矫正原理。

金属材料的热胀冷缩特性是造成焊接变形的内因，由于周围金属对已加热金属的限制，加热部分受到压缩，冷却后就会比原先的长度有所缩短。

火焰矫正法正是利用这一特性，使之产生一个反向的、新的变形，抵消原有变形[4]。

2)火焰矫正方式。

火焰矫正加热方式常用的是点、线、面三种，即点状加热、线状加热、面状加热。

锚箱部件和钢锚箱焊缝中无钢板拼接焊缝，均为角接焊缝，火焰矫正主要是矫正焊接角变形。

角变形的火焰矫正主要是进行线状加热，加热部位为翼板背面对应角焊缝焊趾区间。

火焰沿直线移动，同时横向摆动，其摆动范围不宜超过角焊缝两焊趾区域。

火焰矫正应注意：矫正温度控制在 600～800 ℃ 之间，防止过烧；矫正时，严禁锤击加热区域工件；矫正冷却应是自然空冷，严禁浇水冷却。

5 焊接质量控制
索塔钢锚箱焊接质量的好坏直接决定着索塔钢锚箱产品质量、使用期内的桥梁安全。

索塔钢锚箱焊接主要从焊接工艺措施和焊接质量过程管理两个方面进行控制。

5.1 焊接工艺措施
焊接工艺措施主要从原材料、焊接坡口优化设计、焊前预热、焊接过程、焊接顺序、层间温度、焊后处理等多个方面来控制[6]。

5.2 焊接质量管理
通过建立焊接质量控制体系，从人、机、料、法、环各个方面严格控制，确保钢锚箱焊接质量。

焊接质量的管理严格按相关质量保证
体系执行，特别注意以下几方面的工作。

1)人员和设备配置：参加索塔钢锚箱焊接的焊工，必须持有相应机构颁发的有效的资质证书；焊接工人和设备，采取定人定设备制度，减少由于操作人员技能差异引起的不可控随机变形。

2)定期巡检：焊接工艺评定适用性检查，焊工资格证书检查，焊机校验有效期检查，焊材保管、烘干、发放、使用、回收及二次烘焙的检查，焊接过程(焊接工艺评定各要素)检查等。

3)日常检查：母材及焊材的检查，焊接坡口、装配间隙的检查，焊接区域清洁检查，焊缝外观、无损探伤检查，焊接日志检查等。

6 实施效果
按上述工艺进行焊接和焊接质量控制，有效地控制了索塔钢锚箱的焊接变形，保证了索塔钢锚箱制作质量。

首轮4 个节段焊缝超声波探伤一次合格率见表 6，外形尺寸检查结果见表 7。

表6 首轮索塔钢锚箱节段焊缝超声波探伤一次合格率
节段编号检测长度/m不合格长度/m一次合格率/%Z7A132.6001.95098.53Z7B134.4001.56098.84Z7C134.4001.21 099.10Z7D134.4002.10098.44合计535.8006.82098.73
从表6 可看出，焊缝超声波探伤一次合格率高，表明焊接质量很稳定。

从表7 可看出，索塔钢锚箱外形尺寸满足设计要求，为索塔钢锚箱节段立体预拼和工地安装提供了保障。

7 结束语
斜拉桥索塔钢锚箱为斜拉桥主要的受力构造。

首先按设计图、相关规范的要求进行有代表性接头的焊接工艺评定。

控制索塔钢锚箱的焊接变形，保证其几何尺寸和焊接质量。

主要有以下几个方面。

1)根据构件的具体形式、使用部位、拟定的焊接方法、焊缝熔透要求、焊接操作空间，选用截面面积小的坡口形式，降低焊缝金属填充量，从焊接工艺设计源头减小焊接变形。

2)拟定合理的焊接次序，控制焊接变形。

3)施行单元件→部件→分段总装的制造思路，使焊接变形分散，减少整体构件的焊接变形，降低矫正难度和工作量。

4)进行多层、多道焊接，降低焊接热输入量，减小焊接变形。

5)厚板层状撕裂和氢致冷裂纹的控制，应控制母材的含S 量、控制焊材的氢含量，还应控制坡口形式、焊接热输入量、焊前预热、层间温度和焊接次序。

6)建立定员、定设备、定工位制度，有效地控制不规则焊接变形。

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WELDING PROCEDURE FOR STEEL ANCHOR BOX OF CABLE PYLON OF JIA-SHAO BRIDGE
Zeng Ying Hu Haiqing
(Wuchuan Heavy Engineering Co. Ltd, Wuhan 430415, China) ABSTRACT：Jia-Shao Bridge is about 2 680 meters long, named as the world’s first cable-stayed bridge with six pylons,
single column, double widths and four cable planes. The steel anchor box of cable pylon is the main loading structure of the bridge where the force is concerned. With the complexed structure of single box, double room and four cable planes, there are two anchor boxes with different dimensional space between each pair of anchor pulling plates. Because of various limitations, such as small inner space, high quality of welding and of difficulty in construction,the dimension of the structure should be limited and most of them should be formed by thick plate. There is no successful experience either at home or abroad. This paper focused on the characteristics and requirements of the structure so as to design and propose an reasonable assembly scheme as well as welding procedure,the dimensional precision and welding quality could be achieved through welding deformation control.
KEY WORDS：steel anchor box of cable pylon;welding procedure;groove type; welding quality
收稿日期：2016-01-06
DOI:10.13206/j.gjg201605016
第一作者：曾颖，女，1965年出生，高级工程师。

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