南京大勝關(guān)長江大橋鋼梁焊接難點(diǎn)解析

郭紅艷，江恒心，魏振鑫

（國核工程有限公司，上海 200233）

0 前言

南京大勝關(guān)長江大橋（見圖1）是京滬高速鐵路及滬漢蓉鐵路于南京跨越長江的越江通道，同時(shí)搭載雙線地鐵，為六線鐵路橋。

南京大勝關(guān)長江大橋主跨336 m，雙跨連拱為世界同類橋梁最大跨度，且為世界同類級(jí)別跨度最大的高速鐵路大橋；設(shè)計(jì)荷載為六線軌道交通，支座最大反力達(dá)18 000 t，是目前世界上設(shè)計(jì)荷載最大的高速鐵路大橋；設(shè)計(jì)時(shí)速300 km，為高速鐵路大跨度橋梁世界領(lǐng)先水平。大橋采用世界首創(chuàng)的三片主桁的桁架拱橋新結(jié)構(gòu)，以滿足在三種軌道交通的需求下橋梁整體受力的要求。大橋首次采用具有高強(qiáng)度、高韌性及良好焊接性能的新型材料Q420qE，以滿足拱肋較大軸力部位構(gòu)件受力的需要，有效地降低了部分桿件的規(guī)模。

圖1 南京大勝關(guān)長江大橋全景

焊接質(zhì)量是鋼橋質(zhì)量的根本。工程開工前，國核工程有限公司擬定了焊接和制造等幾項(xiàng)創(chuàng)優(yōu)計(jì)劃，對(duì)已有工藝必須加以優(yōu)化和試驗(yàn)，方可大量用于本橋工程。

1 工程概況

南京大勝關(guān)長江大橋是京滬高速鐵路的控制性工程，也是滬漢蓉鐵路及南京城市交通樞紐的重要組成部分。大橋主橋鋼梁由兩聯(lián)連續(xù)鋼桁梁和一聯(lián)連續(xù)鋼桁拱組成，連續(xù)鋼桁梁跨度為2×84 m，連續(xù)鋼桁拱跨度布置為（108+192+2×336+192+108）m，主橋全長1 608 m。主橋立面如圖2所示。

圖2 主橋立面

橋梁采用三片主桁架結(jié)構(gòu)，承載四線鐵路和兩線城市輕軌。邊桁與中桁中心距為15m，雙線滬漢蓉鐵路、雙線京滬高速鐵路分別在桁內(nèi)的上、下游側(cè)通行；在兩邊桁的外側(cè)外挑5.8 m懸臂托架，支撐南京城市輕軌鐵路，橋面總寬41.6m。鋼梁橫斷面如圖3所示。

圖3 橫斷面

2 鋼梁技術(shù)創(chuàng)新成果

2.1 新材料

主橋拱肋重要部位采用Q420qE，其具有高強(qiáng)度、高韌性及良好的焊接性能。

2.2 新結(jié)構(gòu)

主橋?yàn)椴捎萌麒斐兄氐蔫旒芄皹?，采用鋼正交異性板整體橋面、板桁組合結(jié)構(gòu)、變截面桿件以及整體節(jié)點(diǎn)等新型結(jié)構(gòu)。

南京大勝關(guān)長江大橋全橋鋼梁采用Q420qE、Q370qE和Q345qD三種材質(zhì)鋼材制造。結(jié)構(gòu)中存在多種不同材質(zhì)、不同規(guī)格的對(duì)接、熔透角接、坡口角接及角接接頭。為了合理制定針對(duì)不同材質(zhì)、不同類型接頭的焊接工藝，對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。在焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)評(píng)審會(huì)上，得到了由業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理及國內(nèi)知名橋梁焊接專家組成的評(píng)審專家組的一致認(rèn)可，順利通過專家評(píng)審。

3 工程焊接難點(diǎn)[1]

3.1 槽口圍焊縫焊接

南京大勝關(guān)長江大橋在結(jié)構(gòu)上的一大創(chuàng)新就是下弦整體節(jié)點(diǎn)為穿過橋面板的結(jié)構(gòu)形式（見圖4、圖5）。槽口圍焊縫全部采用熔透焊接，焊接應(yīng)力集中大，焊接工作量大、焊接質(zhì)量要求高、焊接變形控制難度大，且熔透焊縫造成的收縮會(huì)導(dǎo)致整體節(jié)點(diǎn)內(nèi)側(cè)間距尺寸直接影響插入腹桿的連接，以及高栓軸力的損失。

為此制定了針對(duì)槽口圍焊縫的專項(xiàng)工藝及相應(yīng)的焊接順序，具體如下(圍焊示意見圖6)：

圖6 圍焊示意

圖4 邊桁下弦桿

圖5 圍焊縫端部坡口

（1）在胎架中拼裝上面板、兩塊豎板和隔板，在焊接隔板合格后，先采用焊條電弧焊焊接端部繞焊過渡區(qū)焊縫J3+J5′，再采用氣體保護(hù)焊焊接箱體外側(cè)焊縫J1，最后焊接內(nèi)側(cè)焊縫J2。

（2）焊縫打磨勻順后對(duì)端部J5′熔透段進(jìn)行超聲波探傷，檢測合格后對(duì)端部150 mm范圍內(nèi)進(jìn)行超聲波錘擊處理，處理后不得再施焊和修磨。

（3）拼焊下面板，翻身氣刨清根后先采用焊條電弧焊焊接圍焊端部J3，再采用氣體保護(hù)焊焊接外側(cè)焊縫J1，最后焊接J2，完成整條焊縫。

焊后對(duì)圍焊縫端部150 mm范圍進(jìn)行超聲波錘擊處理（Ultrasonic Impact Treatment）。超聲波錘擊是國際上最新發(fā)展的高科技焊縫處理技術(shù)，對(duì)改善焊接殘余應(yīng)力狀態(tài)、提高金屬表面強(qiáng)度和硬度、改善焊趾幾何形狀、降低應(yīng)力集中有顯著的效果。根據(jù)鐵道科學(xué)研究所疲勞性能試驗(yàn)的研究經(jīng)驗(yàn)，對(duì)焊趾部位進(jìn)行超聲波錘擊處理，可有效消除焊縫的殘余應(yīng)力，提高接頭的疲勞壽命。

錘擊方法：采用QC25-I型超聲波錘擊設(shè)備進(jìn)行錘擊，錘頭沿著焊趾或焊道移動(dòng)最佳線速度0.5～1 m/min勻速進(jìn)行，每段往復(fù)處理4～5遍。錘擊后錘坑深度0.1～0.2 mm，兩側(cè)焊趾和焊道間錘坑寬度大于等于4 mm，焊趾處錘坑示意如圖7所示。

圖7 超聲波錘擊

3.2 八邊形桿件焊接

南京大勝關(guān)長江大橋拱肋部分節(jié)點(diǎn)位置吊桿為八邊形桿件，該結(jié)構(gòu)桿件最理想的制造方案是將關(guān)于兩豎板中心線對(duì)稱的上下各三塊翼緣板/斜板分別由一塊寬板折彎而成，結(jié)構(gòu)從整體上變成由四塊整板件構(gòu)成的構(gòu)件（見圖8），可減少一半的焊縫數(shù)量，也可更有效地控制桿件的對(duì)稱性。但由于原設(shè)計(jì)為普通箱型桿件，八邊形桿件為后來的變更設(shè)計(jì)（見圖9)，已定制的鋼板寬度無法折彎成理想結(jié)構(gòu)，因此工廠制造時(shí)只有采用八塊鋼板拼裝成要求的八邊形桿件，對(duì)桿件的拼裝、焊接造成很大的難度。

圖8 八邊形理想的構(gòu)件組成

圖9 變更設(shè)計(jì)

八邊形桿件主焊縫的焊接是一大攻關(guān)點(diǎn)。工廠制造時(shí)采用兩兩焊縫同時(shí)施焊，同時(shí)保證每四條焊縫對(duì)稱焊接（具體焊接順序如圖10所示），有效地保證了桿件的整體結(jié)構(gòu)尺寸并控制了焊接變形。

3.3 支座節(jié)點(diǎn)焊接變形控制

中桁下拱肋桿件MS24及邊桁下拱肋桿件SS24

圖10 八邊形桿件焊接順序

位于鋼橋的6#墩位置，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖11所示。

圖11 支座節(jié)點(diǎn)S24構(gòu)造

下拱肋桿件S24長7 800 mm，高4 100 mm，箱體內(nèi)高2 980 mm，最大質(zhì)量78.7 t。節(jié)點(diǎn)板為δ64 mm厚板，底板為δ60 mm厚板，箱體各內(nèi)隔板厚度40～60 mm。與拱肋平聯(lián)、橫梁及橫向聯(lián)結(jié)系連接結(jié)構(gòu)均為焊接式接頭板，接頭板和平聯(lián)、橫梁及橫向聯(lián)結(jié)系桿件采用高栓連接；并且其底座板與支座密貼連接。同時(shí)，根據(jù)架設(shè)需要，在底座板上設(shè)置四個(gè)起頂點(diǎn)。底座板是直接和鋼梁支座相連接的，其受力也是全橋最大的，底座板平面度的要求是本節(jié)點(diǎn)鋼梁的重點(diǎn)之一，而焊接變形是影響底座板平面度的重要因素之一。為減小焊接變形主要采取以下措施：

（1）焊接前，對(duì)各個(gè)端口的腹板外側(cè)節(jié)點(diǎn)板單元進(jìn)行火焰反變形措施，以防止兩相鄰端口的中間部分節(jié)點(diǎn)板變形嚴(yán)重。

（2）對(duì)于腹板單元上底板端開有人孔的情況，在焊接前必須在該處進(jìn)行剛性固定，防止底板的局部上凸變形。

（3）由于鋼板很厚，各連接板均為熔透焊，焊接量大，其變形也很大，因此采用線能量較小的氣體保護(hù)焊來進(jìn)行焊接。

（4）對(duì)于有頂緊后焊連要求的構(gòu)件，必須在頂緊后先進(jìn)行頂緊部位的焊接，再進(jìn)行其他部位的焊接。

通過上述工藝措施并在過程中嚴(yán)格控制，成功保證了S24節(jié)點(diǎn)鋼梁的整體制造質(zhì)量，各類連接板焊縫經(jīng)檢測其質(zhì)量均滿足驗(yàn)收要求，其底板平面度也控制在0.5 mm范圍以內(nèi)，鋼梁的外形尺寸也在制造規(guī)則要求的范圍內(nèi)。

4 焊接變形控制要點(diǎn)[2]

（1）預(yù)留焊接收縮余量。由于本橋存在整體橋面板熔透焊縫，焊接量大，焊縫收縮量大，因而整體節(jié)點(diǎn)開口尺寸的控制完全由預(yù)留的焊接收縮量決定，合理的參數(shù)選擇是本橋制造的核心，參數(shù)選擇采用E-weld3.1ML軟件計(jì)算選?。ㄒ妶D12）。經(jīng)桿件試制，E-weld3.1ML軟件計(jì)算的尺寸公差設(shè)置合理，焊接收縮預(yù)測準(zhǔn)確。但考慮到熔透焊縫不可避免存在返修且圍焊部位容易產(chǎn)生缺陷，也可適當(dāng)增加1.0~1.5 mm收縮量。

圖12 熔透蓋板24 mm時(shí)收縮量計(jì)算

（2）采用多層多道快速焊，降低線能量。

（3）采用合理的焊接順序和施焊方向控制焊接變形：箱型桿件四條棱角焊縫施焊方向一致，水平板兩棱角焊縫盡可能同時(shí)對(duì)稱施焊，防止箱梁扭曲等變形；對(duì)接焊縫反面清根后的施焊方向與正面相反，控制焊縫成形后板件的旁彎。

（4）熔透焊縫反面清根時(shí)也盡量采用小電流氣刨，減小熱輸入，減小收縮量。

（5）反變形法。焊前采用機(jī)械或火焰預(yù)設(shè)一定的變形量，焊后變形正好與之抵消：對(duì)上下橋面板單元件U肋和板肋焊接，采用千斤頂和專用胎架預(yù)制一定弧度，控制板單元焊接后的變形；整體節(jié)點(diǎn)處棱角焊縫，采用火焰熱彎一定角度，保證焊后箱梁尺寸。

（6）加強(qiáng)施焊過程的檢查和監(jiān)督，尤其是對(duì)熔透焊縫反面清根處理及清根后的第一道焊，以確保焊接質(zhì)量，減少焊后返修。

（7）對(duì)稱施焊，減小變形。

（8）減少單面焊，盡量采用雙面坡口焊接，減小焊接填充量，減小變形量，并使兩邊熱輸入量大致相等，有效控制焊后的角變形。

（9）焊后變形矯正。對(duì)變形超標(biāo)的構(gòu)件，可采用熱矯正和機(jī)械矯正兩種方法。機(jī)械矯正時(shí)的環(huán)境溫度不能低于5℃，矯正后的鋼料表面不得有明顯的凹痕和其他損傷；采用熱矯正法時(shí)，矯正溫度應(yīng)控制在600℃～800℃，嚴(yán)禁過燒，自然冷卻到環(huán)境溫度，冷卻過程中不得錘擊使構(gòu)件變形，嚴(yán)禁水冷。

5 焊接質(zhì)量控制要點(diǎn)

為保證南京大勝關(guān)長江大橋的焊接質(zhì)量，公司制定了一系列保障措施，并在生產(chǎn)過程中嚴(yán)格落實(shí)。

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)規(guī)范要求，編制Q420qE、Q370qE和Q345qD鋼對(duì)接和角接接頭焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)方案，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果編制評(píng)定試驗(yàn)報(bào)告并通過專家評(píng)審，以此為依據(jù)編制項(xiàng)目的焊接工藝規(guī)程。

（2）對(duì)用于鋼梁制造的焊接材料的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制、復(fù)驗(yàn)，滿足設(shè)計(jì)圖紙和鋼梁制造規(guī)則要求。

（3）對(duì)電焊工進(jìn)行專門的技能培訓(xùn)，針對(duì)不同的焊接方法和焊接工位對(duì)其進(jìn)行考核并頒發(fā)上崗證，嚴(yán)格執(zhí)行持證上崗制度，不得焊接證件允許以外的焊縫。

（4）認(rèn)真做好焊接生產(chǎn)現(xiàn)場技術(shù)交底工作，指導(dǎo)操作者準(zhǔn)確理解產(chǎn)品的技術(shù)要求和操作方法。

（5）對(duì)待拼焊區(qū)域焊縫周圍進(jìn)行嚴(yán)格的除銹，焊接過程中仔細(xì)清理焊道熔渣，焊接完畢仔細(xì)修磨焊接缺陷。

（6）按要求全橋共計(jì)焊接226組產(chǎn)品試板，經(jīng)檢驗(yàn)合格后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，其內(nèi)外部質(zhì)量良好，所有試板力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)文件和相關(guān)規(guī)范要求。

（7）對(duì)工件及產(chǎn)品試板焊縫的外觀、內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，并規(guī)定重要桿件焊縫打上相應(yīng)的焊工鋼印號(hào)。所有焊縫均按自檢、互檢、專檢程序進(jìn)行檢驗(yàn)，產(chǎn)品出廠合格率100%。

6 結(jié)論

在公司領(lǐng)導(dǎo)的高度重視下，通過公司質(zhì)檢部門和駐廠監(jiān)理的嚴(yán)格把關(guān)，南京大勝關(guān)長江大橋鋼梁生產(chǎn)過程中未出現(xiàn)重大質(zhì)量和安全事故，焊接質(zhì)量得到了監(jiān)理及業(yè)主的一致認(rèn)可。通過南京大勝關(guān)長江大橋的焊接生產(chǎn)，公司鋼桁梁制造技術(shù)再上一個(gè)新臺(tái)階。

：

[1]陳伯蠡.焊接工程缺欠分析與對(duì)策[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]付榮柏.焊接變形的控制與矯正[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.