合肥鐵路樞紐南環(huán)線(114.75+229.50+114.75)m鋼桁柔性拱焊接工藝試驗研究

楊 峰,齊金朋

(中鐵四局鋼結(jié)構(gòu)公司,合肥 230022)

1 鋼梁結(jié)構(gòu)設(shè)計簡介[1]

滬漢蓉快速鐵路引入合肥樞紐南環(huán)線新建工程,南淝河和經(jīng)開區(qū)兩座跨越合寧高速公路特大橋的主橋均采用(114.75+229.5+114.75)m三跨連續(xù)鋼桁柔性拱結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)設(shè)計特點如下。

(1)設(shè)計為三跨連續(xù)鋼桁柔性拱結(jié)構(gòu),兩邊跨為平弦有豎桿三角桁式,中跨為平弦與拱桁組合結(jié)構(gòu)。兩片主桁,主桁弦桿及拱肋均采用焊接整體節(jié)點。

(2)主桁上、下弦桿均采用：內(nèi)寬為850 mm或1 100 mm、內(nèi)高為1 060 mm或1 260 mm的箱形截面；弦桿的最大板厚為48 mm；整體節(jié)點的節(jié)點板最大板厚為56 mm。

(3)主桁腹桿的截面基本形式采用H形截面,與主桁節(jié)點采用插入式連接；少量壓力較大腹桿采用箱形截面,與主桁節(jié)點采用四面對(拼)接方式連接。

(4)拱肋采用：內(nèi)寬為1 100 mm、內(nèi)高為1 460～1 860 mm的箱形截面,最大板厚為48 mm。拱桁吊桿采用：內(nèi)寬為860 mm,內(nèi)高為1 100 mm的箱形截面,板厚為16 mm。吊桿上、下與拱肋、主桁上弦的整體節(jié)點采用四面對(拼)接方式連接。

(5)橋面系采用正交異性板整體結(jié)構(gòu),橋面板與下弦桿頂板的伸出肢焊接,橫梁的腹板及下翼板與下弦桿伸出的連接板栓接。

(6)鋼梁材質(zhì)：主桁桿件采用Q370qD、Q370qE(板厚≥40 mm時)鋼；上平縱聯(lián)、橫聯(lián)及橋面系等均采用Q345qD鋼；道砟槽范圍內(nèi)的橋面板采用321-Q345qD不銹鋼復(fù)合板。

2 焊接工藝評定試驗

2.1 焊接工藝評定試驗的目的

為確保鋼梁制造的焊接接頭質(zhì)量滿足設(shè)計與規(guī)范的要求,同時兼顧提高焊接效率及降低鋼梁制造成本的原則,針對本橋鋼梁結(jié)構(gòu)設(shè)計特點、所使用的鋼材及對焊接接頭的質(zhì)量要求,選取鋼梁典型的焊接接頭進(jìn)行焊接工藝評定試驗,用于編制鋼梁的焊接工藝[2]。

(1)選定適合本橋鋼梁Q370qE、Q370qD、Q345qD、321-Q345qD的焊接材料。

(2)針對鋼梁設(shè)計的各種焊接接頭,選擇合理的焊接工藝。其中包括：焊接坡口形式及尺寸、焊接方法、焊接位置、焊接工藝參數(shù)等。

2.2 焊接工藝評定試驗的依據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)

焊接工藝評定試驗以“鋼桁柔性拱設(shè)計圖”和文獻(xiàn)[3，4]為依據(jù)。

2.3 焊接工藝評定項目

2.3.1 全橋焊接接頭的類型

依據(jù)“鋼桁柔性拱設(shè)計圖”將鋼梁焊接接頭歸納為：對接焊縫、熔透角焊縫、坡口角焊縫和T形角焊縫等4種類型。

(1)對接焊縫主要有：鋼板接料的對接焊縫；橋面板的對接焊縫。

(2)熔透角焊縫主要有：下弦整體節(jié)點上的與橫梁下蓋板連接的接頭板與節(jié)點板間的熔透角焊縫；下弦整體節(jié)點內(nèi)側(cè)的大節(jié)點板與橋面上水平板間的四周圍焊熔透角焊縫。

(3)坡口角焊縫主要有：主桁弦桿、腹桿、拱肋的棱角焊縫；主桁弦桿、腹桿、拱肋內(nèi)的縱向加勁肋坡口角焊縫；下弦整體節(jié)點上的與橫梁腹板連接的接頭板與節(jié)點板間的坡口角焊縫；上下弦整體節(jié)點內(nèi)的與腹桿拼接的接頭板與節(jié)點板間的坡口角焊縫；橋面板上的U形肋坡口角焊縫。

(4)T形角焊縫主要有：桿件的主角接焊縫；桿件內(nèi)的隔板角接焊縫；橫梁腹板與下翼板、橋面板間的角接焊縫等。

2.3.2 焊接工藝評定項目

根據(jù)鋼梁結(jié)構(gòu)特點、焊接接頭的類型、鋼梁制造與安裝的工藝方案及本公司鋼梁制造的經(jīng)驗,選取典型焊縫進(jìn)行焊接工藝評定試驗。全橋共做評定試板30組,其中：對接焊縫16組(其中不銹鋼復(fù)合板4組)、熔透角焊縫4組、坡口角焊縫5組和角焊縫5組。

2.4 焊接工藝評定試驗用的材料與設(shè)備

2.4.1 評定試驗用鋼板

評定采用的Q370qD、Q370qE、Q345qD鋼板為本鋼橋制造實際使用的鋼板,均符合《橋梁用低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T714-2008)及文獻(xiàn)[2]的要求。采用的(3+14) mm的321-Q345qD不銹鋼復(fù)合鋼板,符合《不銹鋼復(fù)合鋼板和鋼帶》(GB/T8165-2008)和文獻(xiàn)[3]中BI級規(guī)定的要求。評定用試板的軋制方向應(yīng)與鋼梁實際接頭方向相同。

2.4.2 評定試驗用焊接材料

依據(jù)試驗用鋼板,選擇與其相匹配的焊接材料。焊接材料應(yīng)符合表1要求。

2.4.3 評定試驗用焊接設(shè)備

(1)埋弧自動焊：采用ZD5(D)-1250直流電源,配KZ-1型焊機。

表1 評定試驗用焊接材料

(2)氣體保護(hù)焊：采用KR500、KRⅡ500型焊機。

(3)焊條電弧焊：采用ZX7-500型焊機。

2.5 評定試驗的焊縫質(zhì)量要求

2.5.1 焊縫外觀檢查

焊縫進(jìn)行外觀檢查,不得有裂紋、未熔合、夾渣、焊瘤等缺陷,外觀質(zhì)量符合文獻(xiàn)1中的“表4.9.12”的規(guī)定。

2.5.2 焊縫無損檢驗

(1)對接焊縫和熔透角焊縫全長進(jìn)行超聲波探傷,質(zhì)量等級為文獻(xiàn)[3]中的Ⅰ級。不銹鋼復(fù)合鋼板基層對接焊縫全長進(jìn)行超聲波探傷,質(zhì)量等級為文獻(xiàn)[3]中的Ⅰ級；復(fù)層對接焊縫表面按JB/T4730.5進(jìn)行滲透檢測。

(2)坡口角焊縫全長進(jìn)行超聲波探傷,質(zhì)量等級為文獻(xiàn)[3]中的Ⅰ級。

(3)角焊縫全長進(jìn)行超聲波探傷,質(zhì)量等級為文獻(xiàn)[3]中的Ⅱ級。

(4)U肋坡口角焊縫進(jìn)行磁粉探傷,質(zhì)量等級為JB/T6061的Ⅱ級,斷面檢驗的焊縫有效厚度滿足設(shè)計要求。

2.5.3 接頭力學(xué)性能要求

(1)焊縫強度：焊縫屈服強度和抗拉強度不低于母材標(biāo)準(zhǔn)值。

(2)焊縫金屬伸長率：不低于母材標(biāo)準(zhǔn)值。

(3)接頭韌性：符合《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.2—2005)要求。

(4)冷彎:對接接頭彎曲180°,試樣受拉面上的裂紋總長不大于試樣寬度的15%,且單個裂紋長度不大于3 mm,判為合格。

(5)接頭硬度不大于HV10350。

(6)復(fù)層不銹鋼對接焊縫晶間腐蝕試驗按《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》(GB/T4334—2008)進(jìn)行,試樣在微沸的硫酸-硫酸銅溶液中煮16 h后進(jìn)行彎曲180°試驗,若試樣受拉面上無因晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋,則判為合格。

2.6 評定試驗焊接工藝

2.6.1 評定試板

評定試板的鋼板材質(zhì)、接頭形式、坡口形式及尺寸、焊接位置、焊接方法及焊接材料、代表的鋼梁接頭等列于表2～表5。表中尺寸單位為mm。

表2 對接接頭試板

表3 熔透角接接頭試板

表4 坡口角接接頭試板

表5 角接接頭試板

2.6.2 試板焊前預(yù)熱溫度(表6)

表6 試板焊前預(yù)熱溫度

2.6.3 試板的施焊

部分對接接頭、熔透角接、坡口角接等接頭試板的施焊狀況列于表7～表9。

表7 對接接頭試板的施焊狀況

注：焊接方法“121”為埋弧自動焊；“135”為實芯CO2氣體保護(hù)焊；“136”為藥芯CO2氣體保護(hù)焊。

表8 熔透角接接頭試板施焊狀況

表9 坡口角接接頭試板施焊狀況

2.7 焊評試驗結(jié)果分析

所有接頭試板焊后,依據(jù)文獻(xiàn)[1]取樣進(jìn)行接頭力學(xué)性能試驗、硬度試驗、接頭斷面腐蝕。接頭焊縫力學(xué)性能、硬度試驗的試驗結(jié)果(匯總)列于表10、表11；試板的焊接接頭斷面照片(部分)列于表12,所有焊接接頭熔合良好。

表10 接頭(焊縫)強度、伸長率、硬度試驗結(jié)果

表11 接頭低溫沖擊功 J

2.8 結(jié)論

(1)Q345qD、Q370qD、Q370qE鋼板對接焊縫、熔透角焊縫、坡口角焊縫和角焊縫的焊接工藝評定試驗結(jié)果表明,接頭焊縫外觀及內(nèi)部質(zhì)量滿足設(shè)計與規(guī)范要求；接頭力學(xué)性能滿足文獻(xiàn)[3]及“合肥鐵路樞紐南環(huán)線新建工程(114.75+229.50+114.75)m鋼桁柔性拱鋼梁制造規(guī)則”的要求。

表12 部分焊接接頭斷面照片

(2)橋面復(fù)合鋼板321-Q345qD鋼板焊接工藝評定試驗結(jié)果表明,接頭力學(xué)性能滿足“合肥鐵路樞紐南環(huán)線新建工程(114.75+229.50+114.75)m鋼桁柔性拱鋼梁制造規(guī)則”的要求。

(3)評定試板選定的焊接材料、焊接工藝(包括：坡口形式及尺寸、焊接方法及參數(shù)等)可行,適用于本橋鋼梁制作與安裝的焊接。其評定試板的焊接工藝經(jīng)進(jìn)一步修訂、完善,可作為編制本橋鋼梁制作與安裝焊接工藝的依據(jù)。

[1] 田桂旺，楊 峰，齊金朋.合肥鐵路樞紐南環(huán)線(114.75+229.50+114.75)m鋼桁柔性拱鋼梁制造工藝[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2010(5):83-86.

[2] 夏 陽.新搓浦鐵路中橋鐵路40 m鋼桁梁制造技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2008(11):38-41.

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB10212—2009 鐵路鋼橋制造規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[4] GB/T13148—2008.不銹鋼復(fù)合鋼板焊接技術(shù)條件[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[5] 中華人民共和國鐵道部.TB10002.2—2005 鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[6] Q/725—1323—2010.鐵路(公路)橋梁用不銹鋼復(fù)合鋼板[S].

[7] 李世斌，吳玉柱.香港昂船洲大橋現(xiàn)場焊接工藝綜述[J].橋梁建設(shè)，2009(2):61-64.