文／盧大治、馮昭潔 濟(jì)青高速鐵路有限公司 山東濟(jì)南 250102

1、工程概況

濰萊鐵路右線跨青榮鐵路特大橋31 ～33 號墩設(shè)1-（120+82）m 下承式鋼桁梁，為單箱三室箱型截面，箱寬5.0m，箱高4.5m，該鋼桁梁示意圖如圖1所示。鋼桁梁主桁類型為有豎桿整體節(jié)點三角桁架、變桁高，桁高13 ～25m，節(jié)間長度9 ～13m，主桁中心距10.0m，主材為耐候鋼。耐候鋼具有優(yōu)越力學(xué)性能、高耐腐蝕性、便于加工制造、較高性價比等特點，且在一定環(huán)境下，耐候鋼材可免涂裝使用，目前耐候鋼已在國內(nèi)橋梁建設(shè)中得到廣泛使用。橋面采用不銹鋼復(fù)合鋼板321-Q370qENH。鋼桁梁主體鋼結(jié)構(gòu)總重為1985.4t，采用全焊接耐候鋼，分為單元構(gòu)件進(jìn)場后進(jìn)行現(xiàn)場焊接施工，須達(dá)到一級焊縫。為了加快工程進(jìn)度，現(xiàn)場采用將鋼桁梁單元桿件首先組拼成小桁片然后吊裝桁片焊接的工藝，桁片最大重量94.7t。從總體施工工藝上看，需要在工廠完成主桁桿件、鋼桁梁的塊體制造后，運至橋位現(xiàn)場完成主桁裝桁片的拼裝與焊接，最后在橋上進(jìn)行接口連接。由此可見，鋼桁梁的現(xiàn)場拼裝工藝和桁片焊接質(zhì)量是整個工程成敗的關(guān)鍵。

圖 1 濰萊右線跨青榮鐵路特大橋120+82m 鋼桁梁示意圖

2、鋼桁梁桁片組拼

2.1 桁片分塊明細(xì)

根據(jù)橋位現(xiàn)場的吊裝設(shè)備、起重能力及盡量減少高空作業(yè)的原則，本項目單個主桁架分為9 個吊裝桁片和一個吊裝節(jié)段，其最大吊裝重量為72878kg。全橋共計19 個主桁桁片。其主桁桁片劃分見圖2。

圖2 主桁桁片分塊示意圖

2.2 橋面系、平聯(lián)吊裝單元的拼裝

橋面系吊裝單元由橋面板單元、橫梁單元組成。根據(jù)制造節(jié)段分塊，橋面板單元寬度范圍為1.8m ～2.0m，長度范圍為9 ～13m，全橋共計72 塊。T 形橫梁單元梁高1000mm ～1076mmm，梁長7.8m，全橋共計67 塊。在制造廠內(nèi)將橋面板單元、橫梁單元制造完成檢驗合格，經(jīng)打砂涂裝后運至橋位現(xiàn)場，現(xiàn)場進(jìn)行組拼焊接后進(jìn)行吊裝作業(yè)。平聯(lián)吊裝單元是由兩個平聯(lián)單元組成“X”型的腹桿體系，其平聯(lián)截面均為工字型截面，其結(jié)構(gòu)示意圖見3。

圖3 橋面系、平聯(lián)吊裝單元示意圖

2.3 主桁桁片預(yù)拼裝

主桁桁片全橋分6 次預(yù)拼裝，采用“3+1”模式進(jìn)行。預(yù)拼裝在專用胎型上采用水平預(yù)拼工藝進(jìn)行。構(gòu)件放置在預(yù)拼裝胎架上，各桿件處于自由狀態(tài)進(jìn)行。主桁桿件預(yù)拼裝工藝如下：檢測胎架精度是否滿足預(yù)拼裝要求；將首節(jié)間弦桿擺放在胎架上，調(diào)整弦桿節(jié)段整體位置，滿足規(guī)范要求；繼續(xù)安裝下節(jié)桁片桿件，根據(jù)放樣點調(diào)整桿件位置，使桿件的中心距、對角線和平面度符合設(shè)計及規(guī)范要求；桿件位置滿足要求后，使用碼板進(jìn)行臨時固定，以保證桿件位置不發(fā)生相對移動；重復(fù)上述步驟完成剩余桁片桿件的預(yù)拼。待完成一個節(jié)段的桁片預(yù)拼后，檢測預(yù)拼的預(yù)拱度、縱梁間距、桿件的平面對角線、焊縫接口間隙、錯臺等必須符合設(shè)計及規(guī)范要求。

2.4 桿件組焊為桁片

根據(jù)總體施工方案與部署，主桁桿件在工廠制作合格后，在現(xiàn)場場地進(jìn)行預(yù)拼裝并對線型檢測合格后，將弦桿與腹桿組焊為主桁桁片。主桁桁片組拼順序為：檢測桁片拼裝臺架加工精度→組拼下弦桿→組拼下弦桿→組拼直腹桿→組拼斜腹桿。桿件組拼完畢監(jiān)測各個桿件的長度、平面位置、平面對角線偏差、焊縫間隙及錯臺標(biāo)高、測點等項點，合格后用碼板臨時規(guī)定然后按照焊接工藝進(jìn)行焊接。對接焊縫完成后對焊接的連接焊縫質(zhì)量進(jìn)行外觀、內(nèi)部質(zhì)量檢測；對弦桿局部焊接變形采用熱矯正措施進(jìn)行修整。

2.5 預(yù)拼裝精度控制措施

預(yù)拼裝工藝指導(dǎo)書的編制要以預(yù)拼裝作業(yè)合理可行、簡捷經(jīng)濟(jì)為原則，預(yù)拼裝的檢測要做到全面科學(xué)，操作性強(qiáng)，預(yù)拼裝的臺凳設(shè)計除滿足支點要求外，同時要考慮基礎(chǔ)的穩(wěn)固、支架的剛度對預(yù)拼裝精度的影響，同時要考慮到基準(zhǔn)的選擇和臺凳承重后的彈性變形對基準(zhǔn)的影響，為了避免支架承重對基準(zhǔn)的影響，檢測基準(zhǔn)必須單獨設(shè)在支架外的穩(wěn)固基礎(chǔ)上。

預(yù)拼裝時嚴(yán)格按照構(gòu)件的擺放順序進(jìn)行預(yù)拼裝，第一個構(gòu)件的擺放要嚴(yán)格按照基準(zhǔn)線進(jìn)行對位，將其作為其它塊體定位的基準(zhǔn)。后續(xù)構(gòu)件擺放時，不但要考慮與首構(gòu)件的匹配精度和相對幾何精度，還要進(jìn)行整體測量，以避免誤差積累。每增加一個構(gòu)件的預(yù)拼裝，均要進(jìn)行全面的檢測，以便為后面節(jié)間構(gòu)件的預(yù)拼裝提供依據(jù)。一輪預(yù)拼裝的所有構(gòu)件全面檢測合格后，方可進(jìn)行解體工作。

3、桁片吊裝拼接

3.1 桁片吊裝設(shè)備選擇

桁片吊裝過程中最大桁片重量94.7t，鋼桁梁主桁兩側(cè)桁片就位，根據(jù)桿件重量表，最大單根桿件重量為94.7t，鋼桁梁桁片中心間距10m，吊車回轉(zhuǎn)半徑按照22m 計算，采用一臺650 噸的履帶吊完成吊裝作業(yè)。

3.2 桁片吊裝

根據(jù)鋼桁梁構(gòu)造及桁片、橋面板吊裝過程中穩(wěn)定，計劃先吊裝橋面板，再吊裝兩側(cè)桁片，然后吊裝縱平聯(lián)、橋門架及橫聯(lián)。每節(jié)段桁片組拼完成后，焊接形成整體。桁片吊裝順序自小里程至大里程逐片吊裝。桁片、橋面板在二拼場地組拼完成后，利用650t 履帶吊進(jìn)行吊裝，根據(jù)桁片、橋面板構(gòu)造找出桁片重心位置，然后在重心兩側(cè)約2-3m 位置設(shè)置吊點，吊點兩側(cè)設(shè)鋼板限位吊裝鋼絲繩，鋼絲繩與桁片間設(shè)置圓弧形鋼板防止鋼絲繩與桁片上弦桿直接接觸。吊裝用鋼絲繩設(shè)輔助鋼絲繩，調(diào)整桁片在起吊過程中處于平穩(wěn)狀態(tài)。為滿足桁片在吊裝過程中的變形控制，斜腹桿與下弦桿、斜腹桿與上弦桿設(shè)置臨時型鋼固定，保證在吊裝過程中桁片的自身穩(wěn)定。

3.3 桁片就位

桁片吊至拼裝支架時，提前在拼裝支架上放樣鋼桁梁桁片軸線，桁片落于拼裝支架時候保證下弦軸線位置在誤差允許范圍內(nèi)，然后在桁片節(jié)點位置及大里程端部設(shè)置千斤頂對鋼桁梁進(jìn)行精確調(diào)整，檢測桁片中心距、對角線及預(yù)拱度，滿足規(guī)范要求后，用碼板臨時定位。定位時兩縱基線之間要精確預(yù)留焊接收縮量。

3.4 桁片臨時固定措施

桁片吊裝過程中最大桁片重量94.7t，鋼桁梁主桁兩側(cè)桁片就位時焊縫分段焊接固定桁片，并增設(shè)纜風(fēng)繩，遠(yuǎn)離鐵路側(cè)纜風(fēng)繩和拼裝場地的臺架連接，靠近鐵路側(cè)與預(yù)埋基礎(chǔ)進(jìn)行連接。桁片吊裝至E5 節(jié)點時，桁片自身抗傾覆能夠滿足要求，不再單獨設(shè)置纜風(fēng)繩。

4、鋼桁梁焊接

4.1 焊接特點分析

結(jié)合工程特點來看，該橋焊接存在如下幾個方面的特點，需采用門式多電極焊接專機(jī)、焊接機(jī)器人等先進(jìn)裝備，選擇高品質(zhì)的焊接材料，遴選優(yōu)秀的焊接工人投入項目施工，全面提升項目現(xiàn)場制造和橋位復(fù)雜環(huán)境下的焊接質(zhì)量。該橋焊接存在的特點：（1）焊接工程量大。鋼梁節(jié)段為全焊結(jié)構(gòu)，橋位連接以焊接為主。（2）橋面板疲勞特征明顯，質(zhì)量的穩(wěn)定性和制造過程中的細(xì)節(jié)處理很重要。（3）選用的鋼材質(zhì)量等級高，相應(yīng)的對焊縫質(zhì)量要求也高。（4）厚板焊接過程中控制裂紋等缺陷產(chǎn)生的難度較大。（5）節(jié)段控制焊接變形和減小焊接殘余應(yīng)力的難度較大。

4.2 焊接方案選用原則

根據(jù)本工程的特點及質(zhì)量要求，確定焊接工藝方案的基本原則是：在保證焊接質(zhì)量的前提下，盡量采用焊接變形小和焊縫收縮量小的焊接工藝；為提高焊接質(zhì)量與施工效率，應(yīng)大范圍采用機(jī)械化、自動化的焊接方式，減少手工操作。焊接方案的選用應(yīng)遵循以下幾項原則。

（1）焊接方法以自動焊接為主，包括埋弧自動焊接和氣體保護(hù)焊自動焊接（包括門式焊接專機(jī)），盡量以機(jī)械代替手工操作，減少人為因素的影響，確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

（2）焊接材料的選用應(yīng)與母材相匹配，焊接時嚴(yán)格把握焊縫中的擴(kuò)散氫含量，保障焊縫質(zhì)量滿足全部設(shè)計及規(guī)范規(guī)定。

（3）焊接變形控制措施應(yīng)全面、系統(tǒng)。根據(jù)桿件制造精度要求，預(yù)留合理的焊接收縮量，并嚴(yán)格控制線能量輸入，盡量避免仰位焊接。

（4）根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點制定完善、合理的焊接工藝評定試驗并編制焊接工藝文件。工藝文件編制的依據(jù)主要包含焊接的方法、設(shè)備、材料，坡口的形式，預(yù)熱溫度，層間溫度及工藝參數(shù)等。

4.3 焊接工藝要求

4.3.1 焊接環(huán)境要求

焊接施工對焊接環(huán)境要求較嚴(yán)，當(dāng)發(fā)生下列任一情況時，若未采取有效防范措施，則禁止施焊，不然有可能產(chǎn)生嚴(yán)重后果。具體對焊接環(huán)境的要求有：（1）當(dāng)風(fēng)速大于2m/s 時，使用氣體保護(hù)焊須采取防風(fēng)棚、防風(fēng)罩等防風(fēng)措施。（2）當(dāng)相對濕度大于80%時，工件表面的水汽需采用火焰加熱法去除。（3）施焊時防雨棚未能起到遮擋風(fēng)雨的作用，則需停工。（4）當(dāng)焊件溫度低于5℃時，焊縫兩側(cè)100mm 范圍內(nèi)需按照要求進(jìn)行烘烤加熱。

4.3.2 焊前工藝準(zhǔn)備

在焊接前應(yīng)進(jìn)行如下技術(shù)工藝準(zhǔn)備：（1）焊工須經(jīng)過嚴(yán)格培訓(xùn)，特種作業(yè)人員證件在有效期內(nèi)。（2）焊接材料不得受潮，如受潮需按照規(guī)定進(jìn)行烘焙，并且應(yīng)按照材料管理制度對焊材進(jìn)行發(fā)放、使用和回收。（3）進(jìn)行焊接施工前，需對相關(guān)管理人員、質(zhì)檢人員、施工人員進(jìn)行焊接工藝技術(shù)交底。（4）焊接工藝評定經(jīng)過專家論證，并完成報審手續(xù)，按照焊接工藝編制了施工工藝文件并下發(fā)。（5）焊前坡口面及坡口兩側(cè)的鐵銹、油污、氧化物等要徹底清理干凈。（6）施焊時要采取防風(fēng)、防雨雪等的措施，保證施焊環(huán)境滿足要求。（7）焊前要核對焊接工藝參數(shù)、調(diào)試焊接設(shè)備。

4.3.3 定位焊的要求

定位焊應(yīng)按如下要求進(jìn)行：（1）定位焊的工作應(yīng)該由具有相應(yīng)資格的焊工來承擔(dān)。（2）定位焊及臨時點焊所用的焊接材料應(yīng)與所焊工件相匹配。（3）工藝要求焊前預(yù)熱的，定位焊預(yù)熱溫度應(yīng)在工藝規(guī)定基礎(chǔ)上提高30 ～50℃。（4）定位焊縫要保持均勻，焊腳尺寸及焊縫長度按照工藝文件的要求執(zhí)行，定位焊縫表面不允許有裂紋、未熔合等缺陷。（5）定位焊縫距離工件的端部最少要有30mm。十字焊縫定位焊時，在距離十字焊縫中心位置50mm 內(nèi)不允許有定位焊。

4.3.4 焊接施工流程要求

焊接施工時要嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程的要求進(jìn)行施焊。具體有如下幾項要求：

（1）采用多層多道焊時，焊點接頭禁止處在同一平面上，上層上道的藥皮、飛濺清理干凈后才能施焊下層下道。

（2）采用埋弧焊的對接焊縫端部要安裝引弧板和熄弧板。焊接完成后，引、熄弧板不允許采用錘擊等方法去掉，要采用火焰切割，并且留1 ～3mm 的余量，用砂輪機(jī)打磨至與母材平齊。

（3）當(dāng)溫度達(dá)不到焊接條件時，必須按工藝要求預(yù)熱構(gòu)件后方可焊接施工，預(yù)熱范圍不得小于焊縫兩側(cè)100mm。測溫點在加熱側(cè)的背面，距焊縫50mm 處。焊接施工時需保持層溫不小于預(yù)熱溫度，每道焊縫盡量一次焊完。當(dāng)施焊中斷時，應(yīng)采取相應(yīng)的后熱、緩冷等控溫措施。再次施焊時，按要求預(yù)熱后方能進(jìn)行。

（4）CO氣體純度及氣瓶壓力應(yīng)滿足施焊要求，即純度不低于99.5%，壓力不低于1.0MPa，否則應(yīng)停止施焊，更換氣瓶。

（5）施焊時，焊接順序、操作要點等應(yīng)嚴(yán)格按要求進(jìn)行。

（6）焊縫需氣刨清根時，業(yè)面氣刨深度、寬度應(yīng)均勻。碳弧氣刨時，根部至少應(yīng)有R ≥6mm 的圓弧。

（7）施工過程中出現(xiàn)重大焊接質(zhì)量事故時，焊接施工應(yīng)立刻叫停，并報焊接主管工程師和監(jiān)理工程師，待問題解決后，再繼續(xù)施焊。

4.4 焊接材料

該項目采用耐候橋梁鋼Q370qENH、Q345qDNH，擬選擇焊接材料見表1.

表1 焊接材料的選用

4.5 橋位現(xiàn)場焊接

橋位現(xiàn)場焊接是指成各節(jié)段桁片吊裝就位后，進(jìn)行現(xiàn)場施焊以形成整體鋼桁梁。橋位現(xiàn)場焊接作業(yè)內(nèi)容主要是橫梁上翼緣與下弦水平板之間的焊接、橫梁上翼緣與縱梁上翼緣之間的焊接、平聯(lián)現(xiàn)場全斷面對接。由于現(xiàn)場施焊環(huán)境較差，安裝焊縫為熔透對接焊縫，焊接工作量和焊接難度大，對焊工的技術(shù)水平要求高；再者現(xiàn)場安裝時構(gòu)件剛度大，現(xiàn)場焊接必須保證焊縫的各項力學(xué)性能滿足設(shè)計要求。

4.5.1 橋位現(xiàn)場焊接一般規(guī)定

橋位現(xiàn)場焊接應(yīng)遵循以下規(guī)定：（1）搭建專用的施焊平臺，要求牢固安全、防風(fēng)擋雨。（2）建立健全焊接安全生產(chǎn)等規(guī)章制度。（3）配置方便適用的預(yù)熱設(shè)備及測溫工具。（4）焊接前坡口清理、預(yù)熱等措施符合工藝要求。（5）制定低溫專項焊接施工方案，保證低溫焊接質(zhì)量。

4.5.2 焊接順序

焊接流程應(yīng)秉持減小焊接殘余應(yīng)力與因焊接而產(chǎn)生的附加應(yīng)力的原則，即：應(yīng)從橋中軸線向兩側(cè)對稱施焊橫向焊縫；一端有自由端的長焊縫時，可從另一端施焊，并采用分中、對稱分段向自由端前進(jìn)。

首先應(yīng)焊接整體橋面板與下弦桿頂板的對接焊縫，然后焊接相鄰節(jié)間的橫向?qū)雍缚p。從橋軸線向兩側(cè)對稱施焊。

4.5.3 橋位現(xiàn)場對接焊縫的焊接

橋位現(xiàn)場對接焊縫采用氣體保護(hù)焊焊接且使用背面貼陶質(zhì)襯墊單面焊雙面成形方式。焊接應(yīng)采用實心焊絲CO氣體保護(hù)焊與藥芯焊絲氣體保護(hù)焊相結(jié)合的焊接方法。在此工藝中實心焊絲CO氣體保護(hù)焊進(jìn)行打底焊接，藥芯焊絲進(jìn)行填充蓋面焊接。

4.6 焊接缺陷的修補(bǔ)

對在施工中出現(xiàn)的外觀檢查和無損檢測不合格的焊縫按工藝規(guī)程進(jìn)行返修。

焊接缺陷會影響施工質(zhì)量，故宜采用碳弧氣刨清除焊接缺陷，完全清除后方能進(jìn)行下一步驟。清除焊接缺陷時，應(yīng)將兩端刨成1：5 的斜度，修整表面、磨掉滲碳層，溝槽深度和寬度要均勻，根部要圓弧過渡。焊縫返修時應(yīng)采用與原焊縫相同的焊接方法的原則，當(dāng)焊縫較短時可采用焊條手工電弧焊進(jìn)行返修；對于焊接前需要預(yù)熱的焊縫，碳弧氣刨、返修前要進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱范圍為缺陷周圍不小于100mm 的區(qū)域，預(yù)熱溫度比原預(yù)熱溫度高30℃～50℃。焊接缺陷的修補(bǔ)方法按照表2 進(jìn)行。

表2 焊接缺陷的修補(bǔ)方法

4.7 焊接變形控制措施

因為焊接是熱加工，所以形成焊縫是一個連續(xù)的短期冶金過程。焊接過程中不均勻的受熱會導(dǎo)致焊縫相鄰金屬的相變和塑性變形，施焊后焊縫收縮會導(dǎo)致變形。這種變形是客觀存在的。變形主要通過減少不必要的焊接、調(diào)整焊接順序、焊接方向、剛性約束等來對其進(jìn)行控制。針對本結(jié)構(gòu)的特殊性，在以往經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，擬采取以下焊接變形措施控制焊接變形：（1）設(shè)計合理的焊接接頭坡口型式。（2）制定合理的焊接順序和焊接方向。（3）采用焊接變形小的焊接方法。（4）控制每道焊縫各位置下的焊接劑填充量。（5）對能夠采用業(yè)變形措施的焊縫預(yù)設(shè)合適的業(yè)變形量。（6）在適當(dāng)位置增加工藝隔板或剛性支撐。

4.8 焊接接頭質(zhì)量控制措施

為了保證橋梁的焊接質(zhì)量，焊接接頭的性能應(yīng)滿足各項設(shè)計要求。具體的焊接接頭質(zhì)量控制措施如下：

（1）焊工資格的控制：①培訓(xùn)，考核，資格證。②資格證項目與實際生產(chǎn)對應(yīng)管理。③焊工質(zhì)量監(jiān)管。

（2）焊接設(shè)備控制：①購優(yōu)良可靠的焊機(jī)。②定期檢查維護(hù)焊機(jī)。

（3）焊接材料控制：①合理選用焊接材料。②嚴(yán)格控制焊材技術(shù)條件。③嚴(yán)格倉儲使用管理。

（4）焊接工藝控制：①工藝評定試驗，制定合理焊接工藝。②定期工藝檢查，確保工藝適用性。③制作產(chǎn)品試板檢查工藝的穩(wěn)定性。

（5）焊接環(huán)境控制：①確保施焊環(huán)境符合技術(shù)規(guī)范。②現(xiàn)場不符合時創(chuàng)造局部室內(nèi)環(huán)境。

結(jié)語：

濰萊鐵路右線跨青榮鐵路特大橋31 ～33 號墩設(shè)1-（120+82）m 下承式鋼桁梁，采用免涂裝耐候鋼設(shè)計，并以全焊接替代傳統(tǒng)栓接形式，對焊接質(zhì)量要求嚴(yán)格，焊接工程量大，節(jié)段控制焊接變形和減小焊接殘余應(yīng)力的難度較高。并且桿件種類較多，桿件截面小，細(xì)長桿件居多，焊接變形控制難度較大。綜合考慮工程特點及現(xiàn)場條件，在鋼桁梁桁片組拼、桁片吊裝拼接、鋼桁梁焊接方面提出施工工藝方案與質(zhì)量控制措施，有效提高了施工效率，確保了施工安全，保障了施工質(zhì)量，同時節(jié)約了施工成本，為類似工程施工提供了成熟且可借鑒的經(jīng)驗。