鋼橋焊縫細(xì)節(jié)設(shè)計常見誤區(qū)

（中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721006）

鋼橋焊縫細(xì)節(jié)設(shè)計常見誤區(qū)

張劍峰

（中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721006）

隨著鋼橋建造技術(shù)的進(jìn)步及國家大力推廣公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁政策的實(shí)施，鋼橋梁設(shè)計的合理性對降低成本和相關(guān)政策的落地有一定的影響。目前，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程實(shí)施過程中存在諸多設(shè)計不合理的細(xì)節(jié)需要進(jìn)行優(yōu)化，如盲目加大焊縫尺寸，盲目提高焊縫等級，對結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的工藝性考慮不足等。針對常見的誤區(qū)進(jìn)行探討，在設(shè)計階段和圖紙工藝性審查階段將不合理的要求和細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，使鋼橋細(xì)節(jié)設(shè)計更合理、可靠。

鋼橋；焊縫；細(xì)節(jié)設(shè)計；誤區(qū)

0 前言

鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有自重輕、工廠化制造、質(zhì)量穩(wěn)定、便于實(shí)現(xiàn)裝配化施工等優(yōu)點(diǎn)，被世界橋梁界所推崇，法國、日本、美國等國家的鋼結(jié)構(gòu)橋梁占比分別為85%、41%和35%[1]。由于受經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平制約，截止2015年底，我國公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁占比不足1%。隨著我國鋼鐵產(chǎn)能過剩和鋼橋建造技術(shù)的進(jìn)步，2016年交通運(yùn)輸部實(shí)施公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁推廣應(yīng)用政策將推動未來一段時間鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)高潮。

合理的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計既要重視整體設(shè)計，也要重視結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)設(shè)計，盡量采用簡潔的構(gòu)造形式。設(shè)計時除了考慮結(jié)構(gòu)的使用性能外，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)制造的工藝性，才能獲得符合設(shè)計要求的產(chǎn)品質(zhì)量。但在長期的工程實(shí)踐過程中，部分設(shè)計人員存在一些認(rèn)識上的誤區(qū)，例如盲目加大焊縫尺寸、盲目提高焊縫等級、對結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的工藝性考慮不足等，導(dǎo)致在建造過程中存在很多問題，給工程的質(zhì)量、成本和安全帶來不良影響。

1 對焊接接頭的可達(dá)性考慮不周

焊接接頭的可達(dá)性包括焊接操作的可達(dá)性和焊接檢驗(yàn)的可達(dá)性。焊接接頭必須要有足夠的空間，滿足焊工能夠到達(dá)待焊部位，能清楚地觀察焊縫位置、無障礙地操作焊槍進(jìn)行焊接，這是焊接接頭最基本的要求之一。當(dāng)然，不同的焊接方法和焊接設(shè)備要求的可達(dá)性條件也不相同?？蛇_(dá)性與組裝順序又密切關(guān)系，有時調(diào)整組焊順序可有效改善結(jié)構(gòu)的可達(dá)性。

某項(xiàng)目索塔鋼錨箱施工圖設(shè)計要求承力板與端壁板熔透焊接，如圖1所示。由于兩承力板之間的距離較小，僅為300～360 mm，拼裝完成后形成一個封閉空間，焊工和操作機(jī)均無法達(dá)到該部位。該結(jié)構(gòu)索力通過承壓板傳遞給承力板，再由承力板與錨腹板的熔透焊縫傳遞給錨腹板。經(jīng)計算，承力板與錨腹板的熔透焊縫完全滿足受力要求，但設(shè)計認(rèn)為不保險，要求承力板與端壁板熔透焊接，實(shí)施時在承力板上開孔，但開孔后焊接操作難度仍然很大，部分區(qū)域仍無法焊接，經(jīng)檢測，可達(dá)性差的部位焊縫存在很多缺陷。近年來，在橋梁的索塔鋼錨梁結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計院進(jìn)行了全面受力分析，將該部位斷開不連接（見圖2），這樣傳力路徑很明確，在工藝上能確保關(guān)鍵焊縫的質(zhì)量，提高了結(jié)構(gòu)的可靠性。

圖1 某橋錨箱焊接可達(dá)性示意

圖2 索塔鋼錨梁構(gòu)造示意

2 忽視焊接接頭的可檢測性

焊接接頭具有較大的不均勻性，接頭中通常存在一定數(shù)量的缺陷，如裂紋、氣孔、夾渣、未熔合等，這些缺陷會降低焊縫強(qiáng)度，引起應(yīng)力集中，嚴(yán)重時會破壞結(jié)構(gòu)。為此，在焊接完成后需對焊縫進(jìn)行外觀檢查和內(nèi)部無損檢測，以確保焊縫質(zhì)量。超聲波和射線照相是探測被檢物內(nèi)部缺陷的主要方法，超聲波探傷具有操作簡單、快速、（對裂紋、未熔合）檢測靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)的焊縫檢測中。在采用超聲波檢測時，探頭需要沿焊縫長度和寬度方向進(jìn)行掃查，如圖3所示，檢測面要求的寬度根據(jù)選用探頭的角度和鋼板的厚度不同而有所變化，通常掃查寬度應(yīng)在150～200 mm才能滿足要求。

圖3 超聲波探傷掃查示意

大型斜拉橋錨固構(gòu)造部位以及鋼桁梁節(jié)點(diǎn)板，在結(jié)構(gòu)上需要采用圓弧過渡處理以減小突變部位的應(yīng)力集中。如圖4所示，錨拉板熔透焊接于鋼梁的頂板上，設(shè)計時焊縫兩端采用圓弧過渡，焊接完成后將端部打磨勻順至與鋼梁頂板平齊。如果按圖4施工將會導(dǎo)致端部圓弧區(qū)域焊縫無掃查面，無法進(jìn)行無損檢測。通常焊縫的端部殘余應(yīng)力較大，焊接缺欠也相對較多，是檢測的重點(diǎn)區(qū)域。某單位在該處增加引板，這樣的處理方法在超聲波檢測時超聲波將被引板界面反射，根本無法檢測到焊縫。在實(shí)際加工時將該部分區(qū)域加寬整體下料，以滿足檢測寬度，待焊接檢驗(yàn)合格后沿圓弧線進(jìn)行切割，并對切割面打磨光滑，如圖5所示。雖然增加了鋼材用量，但也保證了端部焊縫的質(zhì)量。

圖4 錨拉板與鋼梁連接構(gòu)造細(xì)節(jié)

3 焊縫尺寸寧大勿小

鋼結(jié)構(gòu)上的焊縫根據(jù)傳遞荷載的不同分為工作焊縫和聯(lián)系焊縫。工作焊縫與被連接的構(gòu)件是串聯(lián)關(guān)系，承擔(dān)傳遞全部載荷的作用；聯(lián)系焊縫與被連接構(gòu)件是并聯(lián)關(guān)系，它傳遞較小的載荷。正確的焊縫設(shè)計是確保鋼橋安全性的關(guān)鍵，通常在設(shè)計時必須計算工作焊縫強(qiáng)度，而聯(lián)系焊縫的強(qiáng)度不需要計算，對于既有工作應(yīng)力又有聯(lián)系應(yīng)力的焊縫，則只計算工作應(yīng)力[2]。但在部分項(xiàng)目中，設(shè)計者對焊縫沒有信心，或?qū)缚p的受力情況沒有進(jìn)行認(rèn)真計算，懷著焊縫尺寸寧大勿小的心理，見焊縫就熔透的極端情況也經(jīng)常出現(xiàn)。

圖5 錨拉板端部圓弧處加寬示意

對于桁梁結(jié)構(gòu)桿件均按節(jié)點(diǎn)鉸接計算桿件內(nèi)力，除特殊情況考慮桿端次應(yīng)力外，桿件均按軸向受拉或受壓計算。對于全斷面拼接時，焊縫的軸向應(yīng)力與板件一樣，此時翼緣板和腹板間的剪應(yīng)力很小，加大焊縫尺寸并不降低主應(yīng)力。在非全斷面拼接時，腹板上的軸向力通過與翼緣板的焊縫傳遞給翼緣板和節(jié)點(diǎn)板，此時在拼接區(qū)域腹板與翼緣板的焊縫傳遞較大的剪切應(yīng)力。

日本港大橋?qū)饨呛缚p尺寸大小進(jìn)行過深入研究，其成果值得借鑒。日本港大橋?qū)U件分成中間部位和節(jié)點(diǎn)接頭部位，如圖6所示，外側(cè)半V型坡口焊縫高度為，并且在桿件全長中采用一樣的坡口深度。節(jié)點(diǎn)和接頭部位在箱內(nèi)側(cè)焊接角焊縫，焊腳高度為對受壓構(gòu)件的中間部位，考慮板件的初始變形采用內(nèi)側(cè)焊接角焊縫，用最小焊縫能夠滿足應(yīng)力時，焊縫高度為7 mm，一道焊成[3]。

京滬高鐵南京大勝關(guān)橋取最大的非全斷面拼接H形腹桿進(jìn)行計算分析。焊腳尺寸時，焊縫的正應(yīng)力為93 MPa，拼接范圍最大剪應(yīng)力為57 MPa，遠(yuǎn)小于容許剪應(yīng)力；將焊腳尺寸增大到20 mm時，正應(yīng)力基本沒有變化，拼接區(qū)剪應(yīng)力為37 MPa，雖然比容許應(yīng)力更小，但沒有必要加大焊縫。這些情況說明，H形桿件角焊縫不必開坡口，焊腳尺寸采用，棱角焊縫坡口尺寸用3 mm是偏保守的合理值[4]。

圖6 港大橋焊縫構(gòu)造細(xì)節(jié)示意

若盲目加大焊縫尺寸將會帶來很多不利的影響，例如產(chǎn)生較大變形。在某鋼箱梁懸索橋施工時，錨箱部位的承力板為40mm厚鋼板，斜底板為10mm薄鋼板（見圖7），前期設(shè)計要求承力板與斜底板熔透焊接，工程首件按熔透焊接制造，焊接完成后斜底板嚴(yán)重變形，經(jīng)溝通將該焊縫改成K8角焊縫，焊接變形大幅減小，受力也滿足要求。

圖7 某懸索橋錨箱構(gòu)造示意

4 過分擔(dān)心焊接殘余應(yīng)力的影響

焊接是一個熱加工過程，在焊接熱輸入的影響下焊縫及熱影響區(qū)金屬發(fā)生塑性變形和相變，這種塑性變形和相變是不可逆的，焊接結(jié)束后保留在接頭中，于是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形。孫口黃河橋整體節(jié)點(diǎn)經(jīng)過焊接殘余應(yīng)力測試，測試結(jié)果表明，最大的殘余應(yīng)力已超過鋼材的名義屈服點(diǎn)。焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響非常復(fù)雜，很多設(shè)計者和業(yè)主對其感到不安，曾有業(yè)主要求對某鋼箱梁進(jìn)行整體退火以消除殘余應(yīng)力，這是不現(xiàn)實(shí)也沒有必要的，對于薄壁結(jié)構(gòu)而言，應(yīng)力釋放和再平衡后反而會產(chǎn)生無法修復(fù)的熱變形。

鋼結(jié)構(gòu)作為塑性結(jié)構(gòu)，具有較好的變形能力，同時，焊接殘余應(yīng)力具有自平衡的特點(diǎn)，焊接應(yīng)力隨著反復(fù)加載和卸載，其應(yīng)力峰值會逐漸減小。通常只對有發(fā)生脆性斷裂危險的厚截面結(jié)構(gòu)、厚度超過一定限度的壓力容器、對加工精度要求較高的結(jié)構(gòu)和有應(yīng)力腐蝕危險的結(jié)構(gòu)才考慮消除焊接殘余應(yīng)力[5]。對于橋梁鋼結(jié)構(gòu)，如果消除焊接應(yīng)力，會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生無法恢復(fù)的變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失去功能而報廢。國外的大型橋梁結(jié)構(gòu)從來不做消除應(yīng)力處理，工程實(shí)踐也證明，不消除焊接應(yīng)力沒有任何問題。當(dāng)然，在設(shè)計和制造加工環(huán)節(jié)還是應(yīng)該采取措施，減小焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響。

5 結(jié)論

目前國家大力推進(jìn)公路鋼橋應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的專業(yè)性，很多設(shè)計人員對其了解不足，往往參考既有工程錯誤實(shí)例進(jìn)行設(shè)計，給加工制作帶來很多問題。為了更好地提升鋼結(jié)構(gòu)橋梁建造品質(zhì)、降低建設(shè)成本、提高生產(chǎn)效率，應(yīng)從設(shè)計階段統(tǒng)籌考慮鋼結(jié)構(gòu)橋梁的工廠化制造等問題。本研究針對經(jīng)常見到的問題進(jìn)行探討，期望在設(shè)計階段或圖紙工藝性審查階段將不合理的要求和細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，使鋼橋細(xì)節(jié)設(shè)計更趨合理、可靠，具有較好的工藝性、經(jīng)濟(jì)性，便于工廠制造和現(xiàn)場安裝。

[1]郭俊國.高速公路建設(shè)發(fā)力鋼鐵業(yè)可借“東風(fēng)”[N].中國冶金報，2017-02-07[2].

[2]陳祝年.焊接工程師手冊（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：1266.

[3]（日）阪神高速道路公團(tuán).日本港大橋[M].北京：中國鐵道出版社，1981：289-293.

[4]趙廷衡.橋梁鋼結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2011：146-149.

[5]中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊（第3卷）焊接結(jié)構(gòu)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：138-139.

Common errors of weld detail design of steel bridge

ZHANG Jianfeng
（China Railway Baoji Bridge Group Co.，Ltd.，Baoji 721006，China）

With the improvement of steel bridge construction technology and the promotion of highway structural steel bridge，the rational design of steel bridge is conducive to cost reduction and quality assurance.As many improperly designed details are currently existed in steel bridge construction，blind increase of weld size，blind increase of weld grade，lack of technical consideration of structural details,etc..This paper analyzes the common errors to hope to optimize these unreasonable requirements and details in design stage and drawing review stage，so that the detail design of steel bridge can be more rational and more reliable.

steel bridge；weld；detail design；misunderstanding

TG457

B

1001-2303（2017）09-0081-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.17

本文參考文獻(xiàn)引用格式：張劍峰.鋼橋焊縫細(xì)節(jié)設(shè)計常見誤區(qū)[J].電焊機(jī)，2017，47（09）：81-84.

2017-05-09

張劍峰（1977—），男，高級工程師，學(xué)士，主要從事鋼橋梁焊接技術(shù)研究和管理工作。Email：472513050@qq.com。