鋼結(jié)構(gòu)吊橋腐蝕問題的焊接加固改造研究

中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司 浙江杭州 311122

1 序言

因為鋼結(jié)構(gòu)吊橋一般安裝在河流之上，所以其周圍的環(huán)境一般都比較潮濕，如果不加保護將會被腐蝕。這種腐蝕可以是一般均勻的厚度損失，或是集中點蝕的形式，最終取決于暴露在何種環(huán)境下和前期的防腐蝕工作。腐蝕嚴重的鋼結(jié)構(gòu)會破壞橋梁的完整性功能，是影響橋梁運行安全的關(guān)鍵因素，因此出現(xiàn)腐蝕問題必須高度重視，應(yīng)定期對橋梁進行必要的修繕[1]。

2 鋼結(jié)構(gòu)吊橋存在的主要問題

中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司設(shè)計的某客運站鋼結(jié)構(gòu)吊橋建成后已運行14年，在維護時發(fā)現(xiàn)面板下方縱向及橫向工字鋼腐蝕較為嚴重，腐蝕嚴重部位均是被潮水經(jīng)常淹沒，初步原因分析為海水干濕交替環(huán)境以及歷年來維護不到位所致。

全面的安全檢測結(jié)果為：①鋼吊橋面板輕度腐蝕，平均腐蝕約7%。②鋼吊橋主梁上面板基本無腐蝕，下翼緣板腐蝕 2%～6%，腹板腐蝕約19%，主梁整體腐蝕約23%。③鋼吊橋縱向工字鋼梁腐蝕較為嚴重，基本呈現(xiàn)工字鋼下翼緣板銹穿現(xiàn)象，平均腐蝕約44%，如圖1所示。④鋼吊橋橫向小梁腹板局部腐蝕較為嚴重，平均腐蝕約23%，如圖2所示。⑤鋼吊橋主梁桁架結(jié)構(gòu)基本無腐蝕。

鋼吊橋的主梁、縱向小梁、橫向小梁及面板均有不同程度的銹蝕及銹損（爛），根據(jù)腐蝕檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)復(fù)核主梁承載能力已不能滿足原通車要求，鋼吊橋結(jié)構(gòu)的運行已存在嚴重安全風險。

圖1 縱向小梁腐蝕情況

圖2 橫向小梁腐蝕情況

3 橋面及小梁系統(tǒng)更新改造方案

（1）方案描述 原鋼吊橋整體均存在不同程度的腐蝕情況，主梁、橋面腐蝕較為嚴重，小梁系統(tǒng)等腐蝕嚴重，鋼吊橋整體更新改造可使鋼吊橋各性能恢復(fù)到原設(shè)計參數(shù)。整體更新改造將按照原鋼橋所有接口及配合尺寸，對鋼吊橋進行重新設(shè)計制造，鋼吊橋設(shè)計按GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和JTG D64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁規(guī)范》重新設(shè)計。鋼吊橋承載能力按照JTG D60—2004《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中公路-1級標準設(shè)計。

鋼吊橋主梁采用箱型梁加桁架結(jié)構(gòu)；縱向小梁采用工字鋼形式，橫向小梁采用倒T字形，鋼吊橋主體材料采用Q355D。鋼吊橋整體由工廠制作，分節(jié)運輸至現(xiàn)場后焊接成整體。

（2）橋面及小梁系統(tǒng)更新改造主要參數(shù) 詳見表1。

表1 橋面及小梁系統(tǒng)更新改造主要參數(shù)

4 橋梁改造焊接工藝研究

4.1 焊接工藝制定思路

該橋鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝方案制定主要前提原則是通過對設(shè)計圖樣審查和研究，在保證焊接接頭全覆蓋和經(jīng)濟性的要求下，制定出一套切實可靠的焊接工藝評定方案。焊接要求以國內(nèi)外常用的AASHTO/AWSD1.1《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》、AASHTO/AWSD1.5《橋梁焊接規(guī)范》來綜合從嚴進行焊接工藝評定的試驗。

鋼材的焊接性主要包括工藝焊接性和使用焊接性。工藝焊接性是指在一定焊接工藝條件下，能否獲得致密、無缺陷焊接接頭的能力。它又分為熱焊接性和冶金焊接性，主要包括組織性能和氣孔、夾渣、裂紋等缺陷。使用焊接性是焊接接頭的工作條件和設(shè)計上提出的具體要求，包括常規(guī)力學性能、低溫韌度、屈服強度等，所有這些重要的因素都要在焊接工藝評定中實現(xiàn)并符合要求。

4.2 焊接工藝方案制定

該橋的主體鋼結(jié)構(gòu)采用Q355D橋梁鋼，接頭形式為對接、角接兩種，焊縫情況為全焊透和非全焊透。焊接方法選用埋弧焊、氣體保護焊和焊條電弧焊。

焊接材料應(yīng)選用熔敷金屬含氫量低，以及焊接工藝性能和冶金性能好的焊條、焊劑和焊絲。焊接時，焊縫成分和性能主要是由焊絲和焊劑共同決定的。埋弧焊焊接電流大，熔深大，母材熔合比高，母材成分的影響也大；CO2氣體保護焊時，電弧的熱作用使CO2氣體中分解出原子氧，其具有強烈的氧化性能；藥芯焊絲氣體保護焊時，粉芯里有大量的穩(wěn)弧劑，在焊接時具有造渣少、效率高、飛濺少等特點。埋弧焊選用H08MnA和H08Mn2E焊絲，SJ101q焊劑；氣體保護焊實芯焊絲采用ER50-6，藥芯焊絲采用YJ502Q；焊條電弧焊選用E5015焊條。

根據(jù)以往項目經(jīng)驗和相關(guān)資料數(shù)據(jù)研究，本著在保證質(zhì)量的前提下，盡量節(jié)約成本并提高焊接效率的原則，針對本項目Q355D橋梁鋼平焊縫位置焊接難度較低的情況，可主要采用埋弧焊焊接，焊接生產(chǎn)效率高，焊縫質(zhì)量好、焊接成本低；在仰對接、仰角接焊縫等難焊的位置，雖然采用藥芯焊絲價格比實芯焊絲貴，但其性能較好；焊條電弧焊由于對焊工的操作技術(shù)要求高，要頻繁更換焊條和清理焊道熔渣，生產(chǎn)效率低，本項目維修周期要求盡量短，故不采用焊條電弧焊方式。

4.3 焊前技術(shù)措施

該橋的焊接工藝評定采取如下技術(shù)措施：

（1）焊前準備 焊接坡口面及其兩側(cè)母材表面的油污、鐵銹、氧化皮和其他影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)，必須清理干凈。

（2）焊接參數(shù)的確定 預(yù)熱具有降低焊接熱影響區(qū)的冷卻速度，避免淬硬組織的形成，防止冷裂紋并改善熱影響區(qū)的塑性等優(yōu)點。延長焊接區(qū)在100℃以上溫度的停留時間，有利于焊縫金屬中擴散氫的逸出，降低氫致裂紋形成的危險。該橋根據(jù)規(guī)范要求當材料厚度≥40mm時，應(yīng)采取預(yù)熱措施，預(yù)熱溫度為100～150℃。

4.4 焊接參數(shù)

選擇合適的焊接參數(shù)，對提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率十分重要，本試驗施焊過程中的焊接參數(shù)見表2。

4.5 焊接殘余應(yīng)力處理

目前國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)消除焊接殘余應(yīng)力的方法主要有：整體高溫回火處理、局部高溫回火處理、機械拉伸法（過載法）、溫差拉伸法及超聲波沖擊法（振動）[1]。本次焊接應(yīng)力消除采用超聲波沖擊法。

對于橋梁腐蝕較為嚴重的位置進行焊接返修后，針對Q355D工字鋼、T形鋼的焊接，分別在每條焊縫上設(shè)置3個焊接應(yīng)力測點，超聲波沖擊前后的應(yīng)力測試結(jié)果見表3。表3中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負；σ x（X向殘余應(yīng)力）為測點垂直焊縫長度方向的應(yīng)力；σ y（Y向殘余應(yīng)力）為測點平行焊縫長度方向的應(yīng)力。

表2 施焊過程中的焊接參數(shù)

表3 超聲波沖擊前后焊縫的殘余應(yīng)力

超聲波沖擊前，焊縫存在著相當大的焊接殘余應(yīng)力，σ y大部分在 300MPa 以上，遠大于σ x；經(jīng)過超聲波沖擊后，殘余應(yīng)力均大幅下降達到50%以上。殘余拉應(yīng)力的減少和消除使焊縫能更好地發(fā)揮其承載能力，這證明了超聲波沖擊能在一定程度上均化焊接殘余應(yīng)力，明顯改善了焊縫區(qū)域的受力狀態(tài)，基本上不需要采用高溫回火來改善局部焊接應(yīng)力集中的狀況，在該橋長期疲勞受力的基礎(chǔ)上，能夠保持持久的運營狀態(tài)。

5 橋梁改造焊接工作

5.1 焊前準備

1）焊工在焊前應(yīng)首先熟悉圖樣、焊接工藝文件，施焊前領(lǐng)取施工任務(wù)單，明確各自擔任的焊接工作的施焊方法、技術(shù)要求和驗收標準，作好焊前技術(shù)準備。

2）焊工在焊前應(yīng)復(fù)查組裝質(zhì)量、構(gòu)件的組裝尺寸、定位焊質(zhì)量和焊接區(qū)的處理情況，如不符合要求，應(yīng)修整合格后方可施焊。

3）施焊前，清除焊接區(qū)域內(nèi)的氧化皮、油污、鐵銹和漆皮等雜質(zhì)，使焊件露出金屬光澤。同時根據(jù)施工圖樣要求檢查坡口角度和平整度，對受損和不符要求的部位進行打磨和修補處理。

4）焊工在施焊前，應(yīng)在試板上按規(guī)定調(diào)整好焊接電流，不得直接在焊件上操作。

5.2 焊接過程

（1）預(yù)熱 本次焊件材料為Q355D工字鋼、T形鋼，當厚度≥40mm時，焊前預(yù)熱溫度≥100℃，預(yù)熱區(qū)域為焊縫每側(cè)距焊縫中心≥2t（t為板厚），且≥50mm；當厚度＜40mm時，不需要預(yù)熱。

（2）焊接實施 氣體保護焊使用SOONREE焊機，將氣體流量調(diào)試好，送氣30s，把輸氣管內(nèi)的空氣排放干凈；在焊件上施焊，打底焊層高度不超過4mm，填充焊層高度3～5mm；蓋面焊時，焊接熔池邊緣超過坡口棱邊0.5～1.5mm，防止咬邊。埋弧焊焊件兩端放置引弧板和引出板，焊件表面焊劑保持必要的高度；焊件厚度≤8mm，焊絲伸出長度20～25mm，焊劑層厚度25～30mm；焊件厚度為8～16mm，焊絲伸出長度25～30mm，焊劑層厚度30～35mm；焊接時焊絲與焊縫中心在整個過程中都保持一致，按照焊接參數(shù)施焊，盡可能保證每條焊縫一次焊完。

（3）焊后處理 焊后將焊縫表面的熔渣、飛濺等雜質(zhì)清除干凈；變形的焊件用機械或在嚴格控制溫度下加熱的方法矯正；焊后消除應(yīng)力可按照JB/T 6046—1992的規(guī)定進行。

5.3 焊后檢查

焊接完畢，焊工應(yīng)清理焊縫區(qū)的熔渣和飛濺物，并檢查焊縫外表質(zhì)量。

1）外觀檢查：在焊接完成24h后進行100%外觀檢查。用肉眼、低倍放大鏡、檢測量具檢查所有焊縫表面有無裂紋、夾渣、焊瘤、燒穿和針狀氣孔等缺陷，并檢查焊縫幾何尺寸以及成形情況是否符合JB/T 5943—2018中的有關(guān)規(guī)定。

2）內(nèi)部檢查：外觀檢查合格后應(yīng)由專職檢查人員做內(nèi)部檢查，以檢查焊縫內(nèi)部質(zhì)量。

3）檢驗標準：按照設(shè)計要求和規(guī)范要求檢查驗收。

5.4 焊接注意事項及要求

1）凡遇有大風或雨時，要采取有效防護措施。風力＞5級應(yīng)設(shè)防風措施，否則不得施焊。

2）嚴禁在焊縫以外的母材上引弧，必要時設(shè)置專項引弧板和引出板。

3）焊接工作完畢后，焊工應(yīng)清除熔渣并進行自檢。

5.5 安全注意事項

1）在鋼結(jié)構(gòu)施焊過程中應(yīng)始終貫徹執(zhí)行“安全第一、預(yù)防為主”的方針。

2）施焊場地應(yīng)無易燃易爆物品，并配備消防器材。

3）使用的焊機應(yīng)一機一閘，并配備漏電保護安全接地等，使用焊機閘刀應(yīng)側(cè)面操作。

4）施焊的焊工應(yīng)具有勞動部門頒發(fā)的安全操作許可證。

6 結(jié)束語

綜上所述，需要結(jié)合項目實際工況，制定合理的鋼吊橋返修方案，焊接鋼結(jié)構(gòu)橋梁做好施工前期準備工作，擬定具體焊接工藝方案。在實際施工過程中，施工人員應(yīng)掌握其焊接及安裝要點，嚴格遵循施工流程，以保證橋梁的整體質(zhì)量。