高速铁路大跨度钢桥焊接技术

表 1 超低碳贝氏体桥梁钢 Q500qE 钢板的力学性能
板厚 屈服点 抗拉强度 伸长率 纵向冲击吸收功 5％纵向时效 Z 向断面收缩率
/mm ReL/MPa Rm/MPa A（％） AKV/J （－40 ℃）
AKVs/J
ψz （％）
16 630
710
18．5
200，
184，
210 222，
199，
195
随着高速铁路的迅猛发展， 铁路桥梁建设不再仅满足于功 能性， 还向高速、 大跨度、 重载、 环保和美观方向发展。 近几 年相继建成了武汉天兴洲长江大桥 （主跨 504 m 的双塔三索面 斜 拉 公 铁 两 用 桥 ， 设 计 列 车 过 桥 速 度 为 200 km/h）、 京 沪 高 速 铁路南京大胜 关 长 江 大 桥 （主 跨 2×336 m 连 拱 三 桁 钢 桁 拱 桥 ， 设 计 列 车 过 桥 速 度 为 300 km/h）、 京 沪 高 速 铁 路 济 南 黄 河 大 桥 （主跨 3×168 m 下 承 式 连 续 刚 性 梁 柔 性 拱 桥 ， 设 计 列 车 过 桥 速 度 为 350 km/h）、 郑 州 黄 河 大 桥 （主 跨 5×168 m 六 塔 连 续 钢 桁 梁 斜 拉 公 铁 两 用 桥 ， 设 计 列 车 火 车 过 桥 速 度 为 350 km/h）， 正 在建 设 中 的 安 庆 长 江 大 桥 （主 跨 188．5＋580＋217．5 m 双 塔 钢 桁 梁斜 拉 桥 ）、 哈 大 客 运 专 线 新 开 河 138 m 钢 箱 叠 拱 桥 等 ， 这 些 都标志着我国高速铁路大跨度钢桥制造技术已经跻身于世界领 先水平。 在设计上， 高速铁路大跨度钢桥采用了板桁结合式整 体节点弦杆、 正交异性整体桥面、 整体节点板穿出桥面板围焊 熔透、 超大型横梁、 截面为平行四边形的主桁弦杆等新结构。
表 2 Q500qE 钢板焊材的熔敷金属力学性能
焊材名称
焊材牌号
熔敷金属拉伸 熔敷金属 熔敷金属
屈服点 抗拉强度 伸长率 AKV/J（－40 ℃）AKV/J（－50 ℃） ReL/MPa Rm/MPa A（％）
埋弧焊丝
MCJ－60QL＋ SJ105q
580
635 26．5 90， 108， 92 86， 94， 108
1．3 高强度桥梁钢焊接试验研究 焊接技术水平的提高为高强度桥梁钢焊接创造了条件， 通
过试验研究和改进配方， 研究出了与 Q500qE 钢板相匹配的高 强度、 高韧性、 超低氢焊接材料， 焊材的熔敷金属力学性能见 表 2。
图 2 板厚 60 mm 的 Q500qE 钢板接头断面
2 高速铁路大跨度钢桥新结构 在设计上， 高速铁路大跨度钢桥采用了正交异性整体桥
研究开发。 焊接技术水平的提高是实现高强度桥梁钢焊接和新 型大跨度桥梁结构杆件制造的关键之一， 高强度、 高韧性、 超 低氢焊接材料的研发， 为高强度桥梁钢提供了相匹配的焊接材 料； 厚板焊接技术的试验成功， 克服了高强钢厚板焊接难关； 焊接效率高、 焊接变形小的气体保护焊工艺的普及， 使得众多 大跨度钢桥在短时期内制建成为可能； 陶质衬垫单面焊双面成 形工艺在桥梁钢结构制造上的广泛应用避免了仰位焊接， 大大 优化了焊接工艺， 提高了焊接质量； 对受疲劳载荷大的重要焊 缝采用超声锤击处理， 大大提高了焊缝的抗疲劳强度， 保证了 桥梁焊接结构的安全。
2 CECWA ·中国工程建设焊接协会第十届年会 焊接技术交流文集·
面 综 合 性 能 优 良 。 超 低 碳 贝 氏 体 桥 梁 钢 Q500qE 钢 板 的 力 学 性 能 见 表 1， Q500qE 钢 板 的 系 列 温 度 冲 击 韧 脆 转 曲 线 如 图 1 所示。
焊接技术 第 40 卷增刊 2011 年 9 月
22．5
285，
282，
294 246，
232，
238
73．0， 70．5， 81．0 （74．8）
60 570
645
22．5
292， 300， 325 233， 255， 220
81．5， 81．5， 82．5 （81．8）
冲 击 吸 收 功 /J 冲 击 吸 收 功 /J
270 250 230 210 190 170 150 130 110
文献标志码： B
0 前言 随着我国经济的快速发展， 高速铁路建设也日新月异。
2003 年 10 月 12 日 ， 秦 沈 客 运 专 线 正 式 运 营 标 志 着 我 国 第 一 条铁路快速客运专线建成， 其设计速度为 200 km/h； 2008 年 8 月 1 日， 京津城际高铁通车； 2009 年 12 月 9 日， 开始运营的 武广高速铁路客运专线是目前为止世界上建成里程最长、 运营 速 度 最 高 的 高 速 铁 路 ； 2010 年 2 月 6 日 ， 我 国 中 西 部 第 一 条 高速铁路郑州至西安高速铁路正式投入运营。 正在建设中的高 速铁路有京沪高速铁路、 哈大客运专线、 津秦客运专线等， 目 前我国高速铁路运营里程达 3 300 多 km， 已经跃居世界首位。
高速铁路大跨度钢桥制造技术的不断提高得益于桥梁钢的 发展和焊接技术的提高， 桥梁钢的强度级别已经不仅仅局限于 Q345 级 和 Q370 级 ， Q420 级 桥 梁 钢 已 经 被 成 功 应 用 ， 更 高 强 度 级 别 的 高 韧 性 Q460 级 和 Q500 级 超 低 碳 贝 氏 体 桥 梁 钢 正 在
Welding Technology Vol．40 S0 Sep. 2011 文 章 编 号 ：1002－025X(2011)S0-0001-04
CECWA ·中国工程建设焊接协会第十届年会 焊接技术交流文集· 1
高速铁路大跨度钢桥焊接技术
徐向军， 魏云祥
（中铁山桥集团有限公司， 河北 秦皇岛 066205）
Welding Technology Vol．40 S0 Sep. 2011 图 4 南京大胜关钢桥下弦杆
CECWA ·中国工程建设焊接协会第十届年会 焊接技术交流文集· 3
截面给箱型螺栓孔的钻制带来困难。 2．4 超大型横梁结构
济南黄河大桥横梁采用鱼腹式工形断面， 其结构具有外形 尺寸超大、 连接关系复杂、 焊缝密集、 焊接变形难以控制等特 点。 长度达 28 m， 上盖板宽度达 3 m， 下翼缘宽度 0．96 m， 上 宽下窄， 杆件翻身困难。 上盖板采用 T 肋及板肋加劲， 且加 劲肋两端设高强度螺栓孔与相邻桥面板块连接， 同时上盖板设 置长孔使横联节点板穿越， 并有高强度螺栓孔与横联节点板栓 接， 腹板在两端及横联节点板部位设置高强度螺栓孔， 且其上 焊接 T 型短纵梁， T 型短纵梁端部设高强度螺栓孔与相邻桥面 板块纵梁连接。 济南黄河大桥横梁如图 8 所示。
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图 5 济南黄河大桥下弦杆
2．3 截面为平行四边形的主桁弦杆 郑州黄河大桥钢桁梁设计新颖， 结构独特， 横断面呈倒梯
形， 三片主桁， 中桁垂直， 边桁倾斜。 钢桁梁上弦杆与混凝土 桥面板结合形成公路结合桥面， 宽 32．5 m， 下层铁路桥面为正 交异性整体钢桥面板， 桁宽 17 m， 主桁截面如图 6 所示。
面、 板桁结合式整体节点弦杆、 整体节点板穿出桥面板围焊熔 透、 超大型横梁、 截面为平行四边形的主桁弦杆等新结构。 2．1 正交异性整体桥面结构
近年来， 高速铁路大跨度钢桁梁多采用整体性好、 刚度大的 正交异性板整体桥面结构， 如天兴洲桥、 大胜关桥、 郑州黄河桥 和济南黄河桥等。 桥面结构的横肋、 横梁与桥面板、 主桁的下弦 杆连接在一起组成板桁组合新型结构， 共同承受主桁内力。 在节 点部位设横梁， 由于在节点处横梁的端弯矩较大， 弦杆顶面与桥 面板平齐， 横梁向下加高， 与弦杆上横梁接头板连接。
目前， 桥梁钢的强度级别已不仅仅局限于这 4 个强度等 级 ， 更 高 强 度 级 别 的 Q460 级 和 Q500 级 超 低 碳 贝 氏 体 桥 梁 钢 正在研究开发。 由于铁路钢桥所受冲击力和疲劳荷载大， 要求 桥梁钢的冲击韧性和抗疲劳强度高， 目前大跨度钢桥采用的 Q370qE 和 Q420qE 钢 板 的 －40 ℃ 冲 击 吸 收 功 标 准 值 ≥120 J。 正 在 研 制 的 Q460qE 和 Q500qE 超 低 碳 贝 氏 体 桥 梁 钢 钢 板 －40 ℃冲 击 吸 收 功 实 际 值 在 200 J 以 上 ， 低 温 脆 转 温 度 在－70 ℃以 下， 在强度、 韧性、 厚度方向性能、 抗疲劳性能以焊接性方
CO2 焊实心 焊丝
WH60－QL
575
660 25．0 108， 68， 72 56， 58， 52
CO2 焊药 焊丝
芯
YCJ601Ni－QL
565
645 22．0 74， 88， 106
—
焊条
CJ607Q
580
650 24．0 58， 53， 62
—
厚板焊接由于拘束度大、 散热速度快、 焊接量大， 很容易 产生焊接缺陷， 甚至会产生焊接冷裂纹； 如果根部焊接规范不 合理， 焊缝熔合比大， 也会在根部焊道产生焊接热裂纹， 这对 于强度级别高的钢板更应该注意。 通过试验研究， 高强度桥梁 钢厚板焊接技术的试验成功， 克服了高强钢厚板焊接难关， 板 厚 60 mm 的 Q500qE 钢板对接接头断面照片如图 2 所示。
57．0， 48．5， 49．0 （51．5）
32 555
710
21．0
214，
224，
216 202，
199，
210
56．0， 57．5， 58．0 （57．2）
44 605
710
21．5
215，
210，
214 228，
216，
215
63．0， 27．0， 64．5 （51．5）
50 600
715
摘要： 介绍了在我国高速铁路大发展的形势下， 武汉天兴洲长江大桥、 南京大胜关长江大桥、 郑州黄河大桥、 济南黄河大桥、 安庆长
江大桥等大跨度钢桥所采用的新材料、 新结构和焊接新工艺， 以及强度级别更高的新型桥梁钢的开发研究。
关键词： 高速铁路； 大跨度钢桥； 新材料； 新结构； 焊接新工艺
中图分类号： TG457.11
图 3 济南黄河大桥正交异性整体钢桥面结构
2．2 板桁结合式整体节点弦杆结构 南京大胜关长江大桥和安庆长江大桥采用正交异性整体桥
面结构， 主桁下弦杆结构新颖， 在上水平板上开槽， 整体节点 板穿出桥面板， 并与桥面板围焊熔透， 南京大胜关桥下弦杆如 图 4 所示。 济南黄河大桥下弦杆与正交异性整体桥面连接的设 计比较简捷， 在下弦杆内侧竖板上， 正对弦杆上水平板处纵向 焊接桥面水平接板， 桥面水平接板再与正交异性整体桥面板对 接。 济南黄河大桥下弦杆如图 5 所示。
90 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 温 度 /℃
板厚 32 mm 的 Q500qE 钢板
370 350 330 310 290 270 250 230 210
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 温 度 /℃
板厚 50 mm 的 Q500qE 钢板
图 1 Q500qE 钢板的系列温度冲击韧脆转曲线
正交异性整体钢桥面可根据吊装单元划分为横梁及桥面板 块两大部分， 桁间距大的钢桁梁桥如重庆朝天门长江大桥桁宽 高 达 29 m， 郑 州 黄 河 桥 桁 宽 高 达 30 m， 造 成 横 梁 外 形 超 大 ， 结构及连接关系较复杂， 须单独制作； 横梁间的部分以板单元 为单位制造。 桥面板上设置纵向 U 形加劲肋或板肋、 T 形加劲 肋。 济南黄河大桥正交异性整体钢桥面结构如图 3 所示。
1 新型桥梁钢焊接试验研究 1．1 桥梁钢简介
高速铁路大跨度钢桥的制造技术不断提高得益于桥梁钢的 发展和焊接技术的提高， 国产桥梁钢按屈服强度分成四级： Q235q， Q345q， Q370q， Q420q。 其 中 Q345q， Q370q 等 级 的 钢材是目前铁路桥梁用钢的主体， Q420q 正在被推广应用， 南 京 大 胜 关 长 江 大 桥 所 用 钢 材 为 Q345qD， Q370qE 和 控 温 控 轧 Q420qE 3 种 钢 材 ， 其 中 Q420qE 用 于 受 力 超 过 600 t 的 杆 件 ， 为该钢种在铁路桥梁上的首次应用。 正在建设中的安庆长江大 桥也采用了 Q420qE 钢板。 1．2 高强度桥梁钢开发研究