公路大橋索塔鋼錨箱關鍵制作技術及焊接變形控制

中鐵寶橋集團有限公司（陜西寶雞 721006）何艷萍

1.結構簡介

某長江公路大橋為雙塔雙索面連續(xù)混合梁斜拉橋，主跨926m，索塔高236.5m。斜拉索錨固區(qū)采用鋼錨箱結構，總高度72.9m。鋼錨箱共26節(jié)，每節(jié)鋼錨箱長7.118～8.517m，寬2.40m，高2.30～3.55m。

圖1 鋼錨箱整體布置

鋼錨箱為箱形結構，整體布置如圖1所示。側板主要承擔斜拉索水平拉力，在側板外側焊有豎向加勁板；端板與混凝土塔壁相連，表面焊有剪力釘；索力通過腹板傳遞至豎向拉板上，高度隨斜拉索角度不同而變化；兩塊豎向拉板之間設置橫隔板，上面開有人孔，在斜拉索張拉時作為施工平臺使用。鋼錨箱節(jié)段之間采用高強螺栓連接，鋼錨箱與索塔之間連接的主要構件是剪力釘，剪力釘焊在端板上。鋼錨箱作為斜拉索錨固結構，是重要的受力和傳力構件。其中腹板與側板、側板與端板之間承擔全部索力，為主要受力焊縫，相互間連接焊縫均為熔透焊縫。索力又通過腹板傳遞至豎向拉板上，錨箱腹板、錨板與側板為全熔透焊接。

2.鋼錨箱制造難點

（1）組裝精度 鋼錨箱的幾何尺寸精度受組裝精度的影響很大。由于該錨箱結構形式不規(guī)則、結構復雜、焊縫集中及施焊空間小，所以如何選擇合理的組裝工藝流程，是確保錨箱幾何精度的關鍵因素。

（2）焊接變形 焊接變形是影響鋼錨箱幾何尺寸精度的因素之一。由于該鋼錨箱熔透焊縫多、板厚及施焊空間有限等因素的影響，因此提高熔透焊縫的焊接質量、減少焊縫返修，是保證鋼錨箱幾何尺寸精度的關鍵因素。

（3）機加工精度控制 為了使鋼錨箱節(jié)段之間匹配良好，鋼錨箱整體機加工精度控制也是保證幾何尺寸精度的關鍵因素。

3.鋼錨箱制作工藝

鋼錨箱制造采用“零件→合件→單元→整體→預拼裝”方式生產，即將每個鋼錨箱分為錨腹板單元、隔板單元、承壓板單元等部件制作，然后組焊成鋼錨箱整體，箱體上下端連接板厚度方向預留整體加工量，下端連接板孔先鉆出，上端連接板孔暫不鉆制，待預拼裝時配鉆該端孔群。用大型鏜銑床加工鋼錨箱兩端面，并進行預拼裝，安裝臨時匹配件，并配鉆上端連接板及拼接板孔群。檢測合格后進行涂裝并對端面進行保護。

4.錨腹板單元制作和變形控制

錨腹板單元結構如圖2所示。

圖2 錨腹板單元

（1）制作工藝 ①錨板、腹板、錨墊板及加勁板用數(shù)控切割機精密切割下料。②機加工腹板周邊焊接邊及坡口，重點控制錨板相鄰焊接邊的角度及幾何尺寸精度。③采用數(shù)控下料后用壓力機對其進行壓彎，內卡樣板檢測，確保彎曲角度。④組焊錨板合件，修整焊接變形后用銑床加工錨板及錨墊板外表面，以保證組裝整體時錨板與腹板能夠密貼。⑤在專用組裝胎型上組裝錨腹板單元。

（2）錨腹板單元焊接工藝 第一，由于錨腹板為全焊接結構，熔透焊縫占全部焊縫的70%；同時考慮到焊接效率、外觀質量和焊接勞動強度等因素，所有熔透焊縫采用熱輸入小的CO2氣體保護焊方法，采用四川大西洋藥芯焊絲E501T—1，φ1.2mm。

第二，焊接接頭設計。錨板和腹板的磨光頂緊坡口角焊縫采用單面V形坡口；內側加勁板與腹板單面熔透角焊縫，加勁板開45°坡口，背面貼永久鋼襯墊；外側加勁板與腹板坡口角焊縫采用對稱雙V坡口；錨墊板與承壓板采用K8單面圍焊。

（3）錨腹板焊接變形控制措施 第一，先焊接上腹板、下腹板與錨板的內側K8角焊縫1a，焊接位置為平角位。再焊接內加勁板與錨板的對接焊縫與角焊縫組合焊縫2a，并焊接一次完成(見圖3)。

圖3

第二，焊接上腹板、下腹板與錨板的對接焊縫與角焊縫組合焊縫，焊接道數(shù)2道，焊縫厚度不超過8mm。焊接熱輸入控制在工藝要求的下限。

第三，按照圖4規(guī)定的部位，將錨板預變形至4mm，火焰矯正范圍為上下腹板表面至其下50mm的范圍。預變形達到要求后再組裝反變形加勁板。反變形加勁板數(shù)量要求為錨管部位各3個，中間部位2個，每個側面共8個。反變形加勁板與上下腹板單側焊接，焊腳尺寸K10，焊縫長度120mm，與錨板不焊接。

圖4 錨腹板單元預變形示意

第四，焊接內加勁板與下腹板的焊縫2b，焊接焊縫厚度不能超過工藝要求厚度的2/3，焊接位置為平角位；焊接上腹板與錨板的焊縫1b，焊接焊縫厚度不能超過工藝要求厚度的2/3，焊接方向以豎向基準線對稱從兩端向中間施焊，焊接位置為平角位。焊接熱輸入為工藝要求的下限，焊縫的端部要考慮端部包角的要求，包角焊縫（A、B兩點和腹板與錨板焊縫端部的過焊孔部位）打磨后的半徑≥20mm。

圖5 錨腹板單元焊接順序示意

第五，腹板單元翻身180°，焊接內加勁板與上腹板的焊縫2b，焊接焊縫厚度不能超過工藝要求厚度的2/3，焊接位置為平角位；焊接下腹板與錨板的焊縫1b，焊接焊縫厚度不能超過工藝要求厚度的2/3，焊接方向以豎向基準線對稱，從兩端向中間施焊，焊接位置為平角位。焊接熱輸入為工藝要求的下限，焊縫的端部要考慮端部包角的要求，包角焊縫打磨后的半徑≥20mm。

第六，重復兩次以上過程，焊接完成腹板與錨板、腹板與加勁板的焊縫，焊接熱輸入始終控制在工藝要求的下限。

第七，焊接完成后用火焰切割解除反變形加勁板，嚴禁用錘擊的方法。然后檢查焊縫，清除焊縫表面的焊豆和反變形加勁板的焊縫等，補焊和打磨各種缺陷，同時打磨焊縫端部的包角焊縫，形成勻順圓角R20mm。

采用以上工藝后，有效地控制了錨板與腹板的焊接變形。待整體焊接完成后，對錨板垂直度、平面度進行檢測。

5.鋼錨箱整體制作和變形控制

（1）鋼錨箱整體制作工藝 第一，為了保證錨腹板準確定位，在側面拉板上精確畫出基準線、錨腹板組裝位置線后，在組裝位置線上安裝定位托板，公差要求在0.5～1.0mm之間。

第二，根據(jù)組裝位置線定位錨腹板單元，當錨腹板放置到位后用垂球檢測其垂直度，然后用馬板進行定位，再組裝另一側拉板。焊接前，在錨腹板與側拉板之間安裝臨時支撐，支撐間需加力頂緊。

第三，以基準線為基準，用經緯儀、水準儀配合定位組裝端部承壓板單元（簡稱端板單元）。

第四，組焊加勁板及同時配裝上下端連接板，修整焊接變形。

（2）鋼錨箱整體焊接工藝 第一，所有熔透焊縫采用熱輸入小的CO2氣體保護焊方法，采用藥芯焊絲E501T—1，φ1.2mm。

第二，焊接接頭設計。橫隔板單元與側板的焊縫為K15雙面角焊縫；側板與端板、錨腹板單元的單面熔透角焊縫中側板開45°坡口，背面貼永久鋼襯墊；承力板與端板坡口角焊縫，由于結構限制，故只能開單面坡口焊接。

（3）鋼錨箱整體焊接變形控制 為了控制箱口尺寸及扭曲變形，在焊接端板與側面拉板對接焊縫時，先焊接2道，焊縫厚度不超過8mm，然后將端板超出側面拉板部位進行火焰矯正預變形4mm，再組裝反變形加勁板，反變形加勁板與側拉板采用單側焊接，焊腳尺寸為K10，焊縫長度為120mm。此外，在箱口四周距離板邊緣200mm處加箱口控制馬板（見圖6）后，焊接剩余焊縫。

圖6 箱口控制馬板

（4）鋼錨箱整體機加工 為保證鋼錨箱制作質量，確保鋼錨箱上下相鄰節(jié)段之間的斷面接觸率，鋼錨箱整體組焊完成后采用數(shù)控落地鏜銑床對其進行整體端面機加工，保證端面加工精度。

6.鋼錨箱質量控制措施

（1）焊接質量控制措施 第一，焊接工藝評定是制定焊接工藝的前提條件，根據(jù)鋼錨箱的結構形式，共進行了8種接頭形式的焊接試驗，其中對接接頭2種，角接接頭3種，熔透角接接頭2種，圓柱頭焊釘1種。

第二，合理的焊接工藝規(guī)程是焊接質量的根本保證。焊接工藝規(guī)程不但確定了焊接方法、坡口形式、焊接參數(shù)，同時制定了有利于控制焊接變形的焊接順序、焊接方向等工藝措施。

第三，嚴格執(zhí)行焊工管理制度、焊材發(fā)放制度、工藝管理制度、焊縫檢測制度等各種與焊接有關的規(guī)章制度，從各個方面保證焊縫質量處于受控狀態(tài)。

第四，對不同部位的焊縫采用不同的檢驗手段。側拉板對接焊縫采用超聲波和X射線探傷，錨板和錨墊板周圈焊縫采用磁粉探傷，其余坡口角焊縫均采用超聲波探傷進行檢測。

（2）幾何尺寸工藝控制措施 第一，完善的工藝方案和完備的工藝裝備，是保證制造精度的基本支持條件。

第二，有效的焊接變形控制措施是保證幾何精度的重要手段。在鋼錨箱的制作過程中，采取預留收縮量，焊接彈性馬板、預置反變形、調整焊接順序和焊接方向等措施，有效控制了焊接變形，保證了幾何尺寸精度。

第三，鋼錨箱整體機加工工藝，保證了節(jié)段匹配安裝和橋位線型。

7.現(xiàn)場安裝檢測數(shù)據(jù)

附表是鋼錨箱在橋位架設完成后，第三方檢測單位反映的數(shù)據(jù)。從附表不難看出，各個項點控制良好，所有數(shù)據(jù)均滿足索塔鋼錨箱制造驗收規(guī)則要求。

鋼錨箱現(xiàn)場安裝監(jiān)測記錄

8.結語

因鋼錨箱為斜拉索錨固結構，同時也是主要受力和傳力構件，所以鋼錨箱幾何尺寸、接口匹配及總高度都有嚴格要求。

在鋼錨箱生產中，采取以上制作工藝，很好地保證了設計要求的各項指標。從監(jiān)控單位反饋的檢測結果看出，鋼錨箱的各主要技術指標均滿足現(xiàn)場安裝要求，證明以上制造工藝措施得當、合理。