王佩,黃會強
中鐵寶橋集團有限公司 陜西寶雞 721006
耐候鋼橋梁具有全壽命周期成本低、工期短、維護簡化及綠色環(huán)保等優(yōu)勢,因而引起有關部門的高度重視,逐步成為國內(nèi)鋼橋建設尤其是山區(qū)橋梁的優(yōu)選材料。同時,高強度耐候鋼因其具有高強韌性和良好的耐蝕性,也得到了設計者的青睞,逐漸被用于受力較大的關鍵部位,大大減輕了鋼梁自重。莆炎高速沙溪大橋為全焊免涂裝耐候鋼橋,采用了鋼桁組合連續(xù)鋼構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式,主桁構(gòu)件為免涂裝耐候鋼,其中墩頂負彎矩區(qū)域上弦桿受力較大,因此采用了高強度Q500qDNH耐候鋼板。
莆炎高速沙溪大橋主橋結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該橋為鋼桁組合梁,分左右兩幅,跨徑布置為(100+176+176+100)m,全長552.0m,主桁架桁高5.5~16m,標準節(jié)間水平長12m,兩片主桁架弦桿中心距9.5m。
圖1 沙溪大橋主橋結(jié)構(gòu)
鋼桁梁主桁桿件采用焊接箱形斷面,平聯(lián)桿件為焊接工字形斷面。安裝時采用節(jié)段方式,最大節(jié)段重量130t。全橋總重約8600t,主要材質(zhì)包含Q345qDNH鋼、Q420qDNH鋼及Q500qDNH鋼,所有桿件均采用焊接連接。
(1)高強耐候鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量控制難度大 耐候鋼因加入了較多的Cu、Cr、Ni等合金元素,理論上碳當量較高,其焊接性比同級別的結(jié)構(gòu)鋼要差。目前,國內(nèi)耐候鋼尤其高強耐候鋼橋應用較少,缺乏對相關耐候鋼焊接技術的研究[1]。因此,選用與母材相匹配的焊接材料、確定合理的焊接方法及工藝參數(shù)等,保證焊接質(zhì)量是本項目的一大難點。
(2)全焊鋼桁梁結(jié)構(gòu)的焊接變形難以控制 本項目主橋為全焊接連續(xù)桁梁橋,鋼板厚度為8~50mm,結(jié)構(gòu)形式多,對接環(huán)口多。尤其在節(jié)段制作、橋位安裝過程中,均為熔透對接焊縫。因此,如何控制焊接變形、保證成橋線型是主橋制造重點控制的項目。
針對鋼梁采用的Q345qDNH鋼、Q420qDNH鋼、Q500qDNH鋼,結(jié)合技術要求及焊絲焊接工藝性能,通過多次熔敷金屬對比試驗,最終選定的試驗用焊接材料見表1。
為了保證與耐候鋼板力學性能和耐候性能匹配,耐候鋼焊接材料中也添加了Cr、Ni、Cu等耐候性元素,從而滿足力學性能和耐腐蝕指數(shù)要求[2,3]。
通過公式計算典型厚度鋼板的焊前預熱溫度[4],并選擇了幾種典型板厚鋼板,在不同預熱溫度下進行斜Y形坡口焊接裂紋試驗,通過焊接性試驗擬確定本項目鋼板焊前預熱溫度、層間溫度(見表2)。
針對鋼桁梁結(jié)構(gòu)特點,結(jié)合設計要求、制造工藝等,確定擬采用的坡口形式、焊接方法及焊接參數(shù)。Q420qDNH、Q500qDNH鋼的典型焊接工藝評定試驗項目及其焊接參數(shù)見表3。
表3 典型焊接工藝評定試驗項目及其焊接參數(shù)
(續(xù))
依據(jù)Q/C R 9211—2015《鐵路鋼橋制造規(guī)范》進行了焊接工藝評定試驗[5]。Q420qDNH鋼、Q500qDNH鋼的典型焊接接頭力學性能與低溫沖擊性能試驗結(jié)果分別見表4、表5。
表4 典型焊接接頭力學性能試驗結(jié)果
表5 典型接頭低溫沖擊性能試驗結(jié)果
從表4、表5可看出,各類接頭的拉伸試驗結(jié)果均高于母材標準值,滿足評定標準要求;接頭在-20℃的沖擊吸收能量均大于規(guī)定值,且有一定裕度,焊接接頭的低溫韌性良好;接頭各區(qū)的硬度均低于380HV10,在焊接過程中未產(chǎn)生淬硬組織。另外,對接頭焊縫金屬成分(包括C、Si、Mn、P、S、Cu、Cr、Ni)進行了分析,計算耐候指數(shù)的結(jié)果為6.4~7.1,均>6.0。對接頭進行宏觀斷面檢測,接頭熔合良好,無裂紋等焊接缺陷。綜上可知,接頭各項指標均符合設計要求。
鋼桁梁構(gòu)件形式主要為箱形(弦桿、腹桿)與工形(上下平聯(lián)等),桿件結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。截面尺寸約1m×1m,長度12~15m,工型桿件長度6~9m。
圖2 桿件結(jié)構(gòu)形式
為了控制桿件的焊接變形,保證焊接質(zhì)量,采取了如下工藝措施。
(1)減少焊縫填充量 合理設計焊縫,在滿足受力的前提下,盡量減少焊縫填充量,避免過度焊接造成構(gòu)件較大變形。除不等厚對接、箱形棱角焊縫及橫聯(lián)接頭板需開坡口焊接外,其余接頭均采用6mm角焊縫。
(2)節(jié)點板與腹板不等厚對接焊縫 通過在節(jié)點板開過渡斜坡,與薄板勻順過渡。焊接時先采用CO2氣體保護焊打底(厚度不小于6mm),再使用埋弧焊焊接,焊縫兩端均加引弧板、引出板,保證端部焊接質(zhì)量。反面焊前需進行清根,保證熔透[6]。
(3)對板單元縱肋及工形焊縫 均采用自動焊船位進行焊接,以獲得較大熔深及良好的外觀成形。
(4)箱體主焊縫焊接 在完成箱內(nèi)隔板等焊縫焊接后,采用埋弧焊進行箱外4條主焊縫焊接,焊接時注意保證所有焊縫焊接方向一致,以減小箱體扭曲變形。同時,對于節(jié)點板部位,焊前采用火焰加熱使其向外側(cè)預變形,對端口進行剛性臨時支撐固定,以有效地控制焊接變形。
桁片由弦桿、腹桿組焊而成,連接接頭均為一級對接焊縫,桁片結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。受結(jié)構(gòu)形式影響,需采用單面焊雙面成形工藝(預留間隙,進行填充焊接),焊縫填充量大,造成較大熱輸入從而引起結(jié)構(gòu)變形。而鋼桁梁連接關系復雜,制造精度要求高,因此只有制定有效的工藝措施,才能保證焊縫質(zhì)量、控制焊接變形。
圖3 桁片結(jié)構(gòu)形式
采取的工藝措施主要包括以下4個方面。
1)箱形接口為封閉結(jié)構(gòu),先進行槽形及其加勁肋焊接,待無損檢測合格后再組焊封板。槽形對接焊縫采用陶質(zhì)襯墊,封板對接焊縫采用鋼襯墊,保證背面焊縫成形。均采用CO2氣體保護焊進行平位、立位焊接,坡口設計時通過朝向調(diào)整來避免仰焊。
2)封板焊接時,因縱向坡口焊縫與橫向?qū)雍缚p存在交叉,所以為避免交叉處缺陷產(chǎn)生,桿件制作時縱向坡口焊縫端部預留100mm不焊接,并修磨成1∶5的斜坡,待現(xiàn)場封板安裝后,先完成橫向?qū)雍缚p焊接,再進行縱向坡口焊縫焊接,箱形接口焊接如圖4所示。
圖4 箱形接口焊接
3)因耐候鋼板較普通鋼板表面更易產(chǎn)生銹層,所以接頭部位除銹后應盡快焊接或采用膠帶覆蓋等措施進行保護;箱形接頭整體焊接完成后,還需對過焊孔進行封閉,避免水汽等進入箱內(nèi)造成鋼板過度腐蝕。
4)為避免單面坡口焊接形成的角變形,造成桁片整體平面度及桁高超差,焊前需要對接頭局部和桁片整體采取剛性固定措施,如臨時馬板固定、桿件間型鋼連接,如圖5所示。在焊接時,先對上下兩個面的平位焊縫打底2層,再焊接豎向立位焊縫,最后完成平位焊縫填充蓋面。對于橫向收縮變形,在拼裝時每個接口預留一定收縮量,桁片接口焊接如圖6所示。
圖5 焊前剛性固定
圖6 桁片接口焊接
橋位節(jié)段安裝時為懸臂狀態(tài),因此焊接變形對安裝精度影響很大。焊接時,除需在接口處設置馬板剛性固定外,還應保證對6個接口同步進行焊接。每個接口先進行腹板立位焊接,再進行底板平位焊接,且內(nèi)外桁對稱進行。為避免懸臂段對上平聯(lián)中小縱梁造成受力過大的不利影響,部分小縱梁需暫時不焊接。待全橋合龍,受力體系轉(zhuǎn)換后再進行焊接,橋位安裝焊接如圖7所示。
圖7 橋位安裝焊接
焊接完成后,按照規(guī)范要求進行外觀檢測,采用超聲波、射線、磁粉檢測,并對主要構(gòu)件對接焊縫設置的產(chǎn)品試板進行破壞性試驗。根據(jù)實際焊接生產(chǎn)情況,所選用的焊接方法合理,焊接效率高;焊縫外觀質(zhì)量美觀,一次檢測合格率達98%以上;產(chǎn)品試板經(jīng)破壞性檢驗,力學性能均符合驗收標準;焊接變形的控制措施效果顯著,保證了鋼桁梁的制造精度。
將上述焊接技術研究成果應用于莆炎高速沙溪大橋鋼桁梁制造、安裝中,確保了鋼梁制造質(zhì)量,并通過采用合理變形措施,有效地控制了桿件、桁片及橋位制作變形,保證了鋼桁梁安裝精度。該橋已順利完成架設并通過驗收,證明所采用的焊接技術措施是切實可行的,可為同類全焊耐候鋼鋼桁梁制造提供借鑒。