大跨径悬索桥钢箱梁制造关键技术研究

2010年11期(总第71期)作者简介：姚志安(1978-)，男，工程师，从事公路工程施工研究。

1前言随着中国交通事业的发展，尤其是最近十年来已进入交通发展的快速阶段，桥梁设计等级逐步提高，桥梁的跨径也大幅度增大。

钢结构具有强度高、塑性和韧性好、重量轻、材质均匀、施工工期短等优点，在桥梁中被广泛使用。

而扁平钢箱梁因其具有外形美观、抗风能力强等特点必将广泛为大跨径桥梁大范围采用，其关键制造技术也得进行研究。

图1悬索桥总体布置及钢箱梁断面图广州珠江黄埔大桥南汊桥为主跨1108m 的单跨钢箱梁悬索桥，主缆分跨为290＋1108＋350m ，中跨为悬吊结构，悬索桥总体布置及钢箱梁结构断面见图1。

标准梁段长度为12.8m ，全桥共87个梁段。

钢箱梁构件均采用低合金高强度结构钢Q345C ，钢箱梁为全焊结构，结构复杂，熔透焊缝较多，从而导致焊接难度和焊后变形及焊接残余应力较大，使箱体制造难度加大。

同时，钢箱梁隔板采取了整体式隔板、钢箱梁的拐角处采取了圆弧过渡形式也给制造也带来了一定的难度。

因此钢箱梁制造关键技术在于焊接质量、焊接变形、横隔板单元制作及钢箱梁总拼控制。

2钢箱梁焊接质量及焊接变形控制技术钢箱梁是悬索桥的承重结构，其顶板直接承受桥面车辆轮压作用，钢箱梁焊接质量的好坏直接关系到钢箱梁的受力安全，为保证产品整体质量，控制焊接变形，必须对钢箱梁焊接质量和焊接变形控制进行细致的分析，制定合理可靠的焊接工艺措施。

2.1主要接头类型广州珠江黄埔大桥悬索桥钢箱梁主要焊接接头形式有对接接头和角接接头两种，即：顶、底板的对接焊缝，横隔板的立位对接，U 形肋与顶、底板的坡口角接，斜顶板与人行道面板、斜顶板与顶板自然坡口熔透角焊缝等。

2.2各类焊缝焊接质量和变形控制2.2.1U 形肋与顶、底板坡口角接焊缝的焊接和变形控制广州珠江黄埔大桥钢箱梁U 形肋板厚分别为顶板8mm ，底板6mm ，要求焊缝有效厚度≥0.8倍的U 形加劲肋的板厚，且不允许烧穿，并对焊缝进行超声波探伤检测。

焊接以及焊接变形控制难度较大，经综合分析并结合焊接工艺评定试验，对U 形肋与顶、底板的坡口见图2角焊缝定位焊采用实芯焊丝（准1.0）CO 2气体保护半大跨径悬索桥钢箱梁制造关键技术研究姚志安1，张太科1，叶觉明2，王秀菊3（1.广东省公路建设有限公司，广东广州510600；2.中铁大桥局集团桥科院有限公司，湖北武汉430034；3.中铁宝桥股份有限公司，陕西宝鸡721006）摘要：目前国内大跨径悬索桥钢箱梁多为全焊结构，具有结构复杂、熔透焊缝多，制造难度大等特点。

本文以广州珠江黄埔大桥悬索桥钢箱梁为研究对象，对大跨径悬索桥钢箱梁关键技术：焊接质量、焊接变形、横隔板单元制作及钢箱梁总拼控制等方面进行了研究。

合理的工艺手段保证了产品的焊接和总拼质量，取得了良好的效果，实践表明焊缝一次探伤合格率达到96％以上，经过一次返修，超声波探伤全部合格。

关键词：悬索桥；钢箱梁；制造；关键技术中图分类号：U44文献标识码：B特别报道4022010年11期(总第71期)自动焊焊接，正式焊接采用药芯焊丝（准1.6）CO 2气体保护自动焊焊接。

为保证焊缝有效厚度达到设计要求、控制焊接变形，通过试验设计了图3所示的焊接反变形胎架，使工件在近似船形位置的拘束状态下焊接。

图2U 形肋与顶、底板焊接坡口示意图图3焊接反变形胎架示意图整个板块采用同方向施焊，并采用合适的焊枪角度及焊丝送进位置以保证坡口根部熔合良好及焊缝表面成型质量，焊丝对正位置参见图4。

焊接工艺参数见表1。

超声波检测结果表明：采用上述工艺施焊的焊缝，有效厚度达到0.8～0.9倍板厚，满足设计要求。

图4焊丝对正位置示意图表1焊接工艺参数表2.2.2顶、底板的对接焊接与收缩变形控制顶、底板的对接采用实心焊丝CO 2气体保护焊打底，埋弧自动焊填充盖面的单面焊双面成型技术。

在打底焊道中，过马板处容易出现根部缩孔、弧坑裂纹、反面成型不好以及间隙不匀所引起的焊缝根部熔合不良等问题。

在生产过程中通过严格限制打底焊道工艺参数、熄弧处加快接头速度或回焊20mm 以上、针对过大或过小的焊接间隙采用向前推或拉的运条方式解决根部熔合不良的问题；并要求焊接完第一道埋弧自动焊后再去除衬垫，让受热下坠的焊缝金属有所依托，避免了由于打底焊道较薄，焊缝受热后易下坠而导致反面余高过高等外观不良等问题；马板在第一道打底焊道焊接完成并等焊缝温度降低之后拆除，以减小焊接变形。

对接焊缝间隙控制在4～8mm 之间，生产过程中结合以往经验的同时，通过前期生产实测收缩值,使焊接收缩以及变形处于受控状态，从而保证了焊接质量和整个大桥的整体制造精度。

2.2.3横隔板对接焊缝的焊接与变形控制广州珠江黄埔大桥悬索桥横隔板采用整体隔板形式，横隔板在长度方向采用立位对接，宽度方向不同于以前的搭接接头形式，采用仰横位对接，其接头形式见图5。

立位和仰横位对接横隔板板厚为12mm 的，采用单面焊双面成型，背面贴圆弧槽陶质衬垫。

对于特殊梁段部分板厚为16mm 的，考虑到单面焊接填充量大，焊接变形严重，所以立位对接采用双面V 形坡口进行焊接。

横位对接16mm 厚板采用不对称K 型坡口，先焊接大坡口侧，再反面清根焊接小坡口侧，保证熔透。

对于较薄横隔板的焊接，采用单面焊接双面成型，是一种可以保证焊接质量的好方案，但当板厚较大时，改双面坡口可以减小焊接填充量，降低劳动强度，并减小了焊接收缩和焊接变形量。

实践证明焊缝一次探伤合格率达到96％以上，经过一次返修，超声波探伤全部合格。

图5整体横隔板立位和横位对接坡口示意图/mm4032.2.4斜顶板与顶板、斜顶板与人行道面板的焊接斜顶板与顶板及人行道面板的焊接接头形式见图6，为自然坡口焊缝。

斜顶板与顶板的焊接采用CO2药芯焊丝，先焊接钢箱梁里侧焊缝，焊完后在钢箱梁外侧清根，再焊接箱外焊缝，保证焊缝熔透的要求，达到钢箱梁密封的作用；斜顶板与人行道面板的焊接采用CO2实芯焊丝先焊接钢箱梁内侧焊缝，焊完在外侧清根，再用埋弧自动焊焊接钢箱梁外侧焊缝，这样既保证了熔透焊接，焊缝的外观质量也得到保证。

图6斜顶板与顶板及人行道面板焊接接头示意图2.2.5顶板接板与横隔板横位对接难点控制顶板接板与横隔板之间为单面45°坡口融透焊缝，并要求全部探伤。

此焊缝焊接形式困难，焊接量大，焊接变形大，对顶板高程影响大，为控制好顶板接板与横隔板横位对接采取了如下控制措施：（1）接板与横隔板对位：接板与顶板先进行整体组装，保证接板之间的距离与接板垂直度满足要求。

在横隔板垂直度满足要求的前提下，在隔板上部两边点焊定位马板，使用插入式定位方法对接板纵向进行粗略定位。

（2）接板与横隔板组装间隙：接板与隔板之间组装间隙主要以顶板高程为准，并且兼顾接板与顶板间隙为原则进行精确定位。

然后用马板及卡兰将接板与隔板马固，进行焊接。

（3）接板与横隔板焊接变形控制：①焊接工艺参数控制。

②对接间隙控制，使其控制在6～8mm，对不满足要求的接板进行局部配切，以便于控制焊接变形及外观成型。

（4）接板嵌补段组装：接板嵌补段根据实际测量尺寸进行配切，用马板和卡兰对接板进行精确定位后焊接；为减少接板焊接变形对隔板整体带来的影响，控制焊接顺序为：嵌补段先与接板两边焊接，再与顶板进行焊接，最后与隔板整体焊接。

3隔板单元件制作与整体组拼控制技术悬索桥钢箱梁隔板采用了对接式整体隔板（其中底板上不设接板，隔板与底板及其上U形肋采用角焊缝连接；在顶板上设置接板，并与下面的隔板采用对接形式，避免了仰焊作业），比以往的搭接式隔板从受力上更趋合理（避免了隔板受力偏心的问题），而且更加美观，但给制造带来了一定的难度：钢箱梁宽度大，板单元间纵向对接缝较多（板单元合件对接缝除外，顶板11条、底板10条），焊接变形对钢箱梁宽度影响较大。

因此必须对隔板单元件制作和组拼进行控制。

3.1隔板单元件制作难点控制悬索桥钢箱梁隔板材质为δ10mmQ345C钢板，焊接收缩对隔板长度方向和平面度影响大。

如何保证隔板焊接完成后，焊接变形对单元件尺寸和U肋槽口尺寸以及隔板平面度的影响是隔板生产的最大难点。

为减少焊接变形对隔板整体的影响，采取如下措施控制：（1）对钢箱梁整体隔板进行了合理的分块。

隔板分块图见图7。

（2）单元件全部采用数控下料，对单元件长度方向预留工艺量并均匀分布于各个U肋槽口，保证槽口尺寸。

（3）下料后对隔板进行预处理释放应力，尽量减少应力集中。

（4）控制焊接参数。

（5）对隔板板肋焊接顺序进行调整：中间→两边→四周。

（6）采用控制火焰温度和密集形梅花点进行火焰调直，保证单元件平面度。

图7悬索桥钢箱梁隔板分块样图3.2隔板整体组拼难点控制（1）隔板U肋槽口与底板U肋吻合控制如何保证隔板U肋槽口与底板U肋相吻合是隔板精确组装的难点之一。

广州珠江黄埔大桥悬索桥钢箱梁底板总宽为28300mm，板厚为φ10mm，有10条纵向对接缝，焊接收缩大。

为使隔板U肋槽口能与底板U肋吻合，必须调整焊缝间对接间隙，对底板进行精确定位，减少焊接收缩产生的影响，保证U肋间距。

底板定位在专用总拼胎架上以纵横基线为准，用经纬仪、水准仪对底板基线、高程进行精确定位后，用弹性马板马固，进行施焊以满足底板要求。

（2）隔板整体组拼及焊接难点控制特别报道4042010年11期(总第71期)2010年11期(总第71期)①隔板定位组装顺序为：中隔板→边隔板→角隔板（HG4M →HG4S →HG4A ）。

②定位：隔板定位后用丝杠支撑，调整隔板垂直度。

③焊接：先对隔板进行立位对接，使得隔板在横向能自由收缩；横隔板立位对接为45°坡口的单面焊双面成型焊缝，并要求全部探伤。

焊缝焊接量大、长度长，控制立位对接焊缝内部质量及外观成型主要采取了以下几点措施：a.控制隔板立位对接间隙：悬索桥隔板为10mm 厚钢板，使其立位对接缝间隙控制在6～8mm ，焊缝外观成型好，焊接变形小且容易控制，内部缺陷少。

b.对接缝定位：最常见的定位方式为定位马板马固，优点：定位操作简单方便，省人力省工时，技术含量低；缺点：需要马板量大，焊接完成后需要打磨量大，耗人力耗工时，外观成型差，对母材影响大。

针对珠江黄埔桥悬索桥钢箱梁隔板具体形式，设计了专用隔板定位夹具，优点：焊接完成后不需要打磨，对母材没有影响，外观成型好，省人力省工时；缺点：定位操作复杂，耗人力耗工时，对组装人员技术要求高。

c.立位对接焊接顺序：由于立位对接焊缝长度长，要求焊接时操作人员对焊缝进行分段焊接，避免一次焊接后产生大量的能量不能释放，增大焊接变形。

分段后焊接总体顺序为由下向上依次焊接；为减少焊接变形要求操作人员对焊缝上部先进行少量焊接，然后分段依次打底，最后施焊。

d.隔板与底板及U 肋之间角焊缝焊接：为控制及减少焊接变形，角焊缝焊接顺序为由中间向两边进行对称施焊。