鋼板梁翼緣與腹板角焊縫分析與探討

張劍峰，李軍平

中鐵寶橋集團有限公司 陜西寶雞 721006

1 序言

鋼板梁在早期鐵路鋼橋中應(yīng)用非常普遍，形成了跨度24m、32m、40m標準梁圖集。從經(jīng)濟性考慮，單孔鋼板梁橋的跨徑一般在40m以下，連續(xù)鋼板梁橋的跨徑可達到60m。鋼-混組合梁充分發(fā)揮了鋼的抗拉性能和混凝土的抗壓性能，同時具有裝配化施工便捷的優(yōu)勢，在國家大力推廣公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的大背景下得到了迅速發(fā)展。中小跨度橋梁廣泛選用鋼板組合梁的結(jié)構(gòu)形式。

作為主要承載的鋼板梁是由翼緣板和腹板通過焊接形成的工形結(jié)構(gòu)，為典型的受彎構(gòu)件。目前，板梁翼緣板和腹板的焊縫連接設(shè)計種類較多，有貼角焊縫連接、部分熔透角焊縫連接、全熔透角焊縫連接，國內(nèi)要求全熔透焊接的工程實例較多，而國外工程中采用貼角焊縫連接，本文針對該焊縫的現(xiàn)狀進行分析和探討。

2 翼緣板與腹板連接焊縫的作用及計算

正確的焊縫設(shè)計是確保結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)接頭的受力情況來確定焊縫尺寸。根據(jù)荷載情況及梁的跨度、梁高、鋼材強度等條件確定主梁截面后，應(yīng)根據(jù)不同工況對翼緣板與腹板的角焊縫進行計算和驗算。

對于鋼板梁而言，通常翼緣抗彎、腹板抗剪；在梁彎曲時，相鄰截面作用在截面的彎曲正應(yīng)力存在差值，因此翼緣和腹板之間將產(chǎn)生水平剪力，如圖1所示。為防止翼緣和腹板之間由于水平剪力的作用而出現(xiàn)滑移，需要采用焊縫將翼緣和腹板進行連接，保證翼緣和腹板共同工作。

圖1 翼緣焊縫的水平剪應(yīng)力

工形截面梁彎曲剪應(yīng)力在腹板上按拋物線規(guī)律分布，腹板邊緣的豎向剪應(yīng)力為[1]

式中V——計算截面的剪力設(shè)計值（N）；

S——翼緣截面對梁中和軸的面積矩（m4）；

Ix——梁截面慣性矩（m4）；

tw——腹板厚度（mm）。

根據(jù)材料力學剪力互等定理，在翼緣與腹板連接處的水平剪應(yīng)力大小為τf=τ。

由此，所需焊縫的焊腳尺寸為

式中hf——焊縫焊腳尺寸（mm）；

f——焊縫的強度設(shè)計值（MPa）。

在美國公路橋梁設(shè)計規(guī)范中，規(guī)定翼緣對腹板角焊縫的設(shè)計可以不考慮平行于焊縫軸向的正應(yīng)力，主要還是計算其剪應(yīng)力和局部壓應(yīng)力。

經(jīng)過上述計算，大部分鋼板梁結(jié)構(gòu)中腹板與翼緣采用K10～K12的貼角焊縫即可滿足強度要求。對于焊腳尺寸K＞12mm的焊縫，一般在工藝上開坡口，焊接坡口角焊縫，以減小焊縫填充量，同時減小焊接變形。對于支座區(qū)域腹板與下翼緣板的焊縫一般做成等強連接，同時設(shè)置支座加勁肋來傳遞支座反力。

對于此類焊縫的疲勞校核，法國巴黎焊接研究所通過大量的試驗證明，當T形接頭根部未熔透（Ⅲ）處且P≤0.4t時，承受疲勞載荷的T形接頭不會從根部未熔透（Ⅲ）處發(fā)生疲勞失效，如圖2所示。為此，對于受力上需要采用等強連接的角焊縫，當腹板與翼緣板的連接焊縫可采用全熔透焊或焊縫厚度大于腹板厚度的部分熔透角焊縫時，全熔透連接與等強連接的部分熔透角焊縫既沒有強度上的優(yōu)勢，也無疲勞上的優(yōu)勢，應(yīng)采用部分熔透角焊縫。

圖2 T形接頭疲勞裂紋敏感區(qū)

20世紀80年代，中國鐵道科學研究院對此類焊縫進行了專題研究：“縱梁或上承式板梁上翼緣與腹板角焊縫熔透與否對疲勞性能的影響”，對該研究進行了大量試驗，結(jié)果表明，板梁或縱梁上翼緣和腹板的縱向角焊縫，在250kN（25t）特種荷載作用下經(jīng)500萬次應(yīng)力循環(huán)未發(fā)生疲勞裂紋，因此認為該角焊縫尺寸只需按法向壓應(yīng)力和焊縫斷面剪應(yīng)力進行驗算，無須熔透[2]。該課題成果應(yīng)用在國內(nèi)大型板梁項目上，此類焊縫未出現(xiàn)疲勞裂紋。

3 國內(nèi)外工程實例

鋼板梁翼緣板和腹板的焊縫連接有不開坡口貼角焊縫連接、開坡口部分熔透連接和全熔透連接三種方式，如圖3所示。20世紀70年代以來，鋼板梁和槽形結(jié)合梁廣泛應(yīng)用于鐵路橋梁，對于24m、32m、40m梁，翼緣與腹板的焊縫設(shè)計均為K8～K12貼角焊縫，工藝上采用埋弧焊，以獲得較好的根部熔合效果，如圖3a所示。

圖3 幾種翼緣與腹板焊縫示例

近年來，國內(nèi)鋼板組合梁的翼緣與腹板的連接最初多采用熔透焊縫連接，大部分項目在施工過程中，設(shè)計院根據(jù)受力情況對其進行優(yōu)化，使其工藝性更合理。例如，國內(nèi)某35m跨連續(xù)組合梁的主梁腹板與翼緣焊縫最初均設(shè)計為全熔透角焊縫，在生產(chǎn)過程中焊接變形較大，在對該焊縫進行應(yīng)力檢算后優(yōu)化為雙面K12角焊縫，在工藝上采用埋弧焊進行焊接以獲得較大熔深，在支座區(qū)設(shè)置支座加勁肋傳遞支反力，如圖4所示。

圖4 國內(nèi)某35m跨連續(xù)組合梁焊縫示例

在國外的項目中大多采用貼角焊縫，寶橋公司制造一個美國鐵路鋼板梁，跨度為38m，梁高2.9m，翼板厚度3in（76.2mm），腹板厚度7/8in（22.2mm），其翼緣與腹板的連接焊縫為雙面3/8in（K10）角焊縫，如圖5所示。另一個公路鋼板組合梁（為多主梁結(jié)構(gòu)），跨度為40m，翼緣板厚31.75mm，腹板厚12.7mm，其翼緣與腹板的連接焊縫設(shè)計為雙面K8角焊縫，如圖6所示。

圖5 國外某鐵路鋼板梁焊縫實例（英制：in）

圖6 國外某公路組合梁焊縫實例

在日本《鐵道構(gòu)造物等設(shè)計標準及解說-鋼橋、結(jié)合梁橋》中規(guī)定，對于腹板厚度＜15mm的板梁橋中，翼緣與腹板采用等強的普通角焊縫連接，焊縫的有效厚度之和大于腹板厚度；當腹板厚度＞16mm時，等強連接的焊縫尺寸很大，不但不經(jīng)濟，還會產(chǎn)生較大的變形和殘余應(yīng)力，需根據(jù)應(yīng)力檢算結(jié)果確定焊縫尺寸，此時推薦采用開K形坡口的部分熔透角焊縫連接。在日本《鋼橋構(gòu)造細節(jié)設(shè)計指南》中認為，腹板與翼緣的焊縫剪應(yīng)力一般較小，應(yīng)力驗算可以省略，可直接按確定焊腳尺寸，其中K≥6，t1為腹板厚度（mm），t2為翼緣板厚度（mm）。在支點等剪力較大處也可能出現(xiàn)不能滿足受力要求的情況時，需增設(shè)加勁肋或加大焊縫尺寸。

4 熔透焊接存在的問題

受國內(nèi)鋼廠熱軋H型鋼規(guī)格限制，對于大型鋼板梁均采用焊接制造。翼緣板與腹板的T形角焊縫，如果要熔透焊需要雙面操作，在正面焊接完成后翻身，反面焊前清除根部影響熔透的坡口根部尖角區(qū)，俗稱清根工藝，如圖7所示。清根對焊工的操作技能要求較高，清根不好將導(dǎo)致熔透效果變差，焊縫合格率降低，目前的清根工藝普遍采用人工碳弧氣刨作業(yè)。

圖7 熔透焊縫氣刨清根過程

碳弧氣刨清根是利用電弧熱量熔化金屬，熔化的金屬在高壓風的作用下剝離鋼板，形成順風方向的金屬熔化物飛濺和煙塵，焊接作業(yè)環(huán)境急劇變差，且噪聲很大，如圖8所示。碳弧氣刨時產(chǎn)生大量的混合煙塵（Fe3O4、Mn、Cu、炭黑等）以及有毒氣體（臭氧和氮氧化物），其中因為碳弧氣刨所用碳棒都采用瀝青作為黏結(jié)劑，作業(yè)時產(chǎn)生的有毒氣體造成較嚴重的環(huán)境污染[3]，不利于操作人員的健康。

圖8 氣刨清根現(xiàn)場

另外，碳弧氣刨作為缺陷清除和反面清根的主要手段，氣刨操作工藝對焊接質(zhì)量有較大影響，氣刨時應(yīng)避免夾碳等缺陷的產(chǎn)生，氣刨后要打磨去除滲碳淬硬層及殘留熔渣后方可進行焊接。在自動化焊接工序中增加人工氣刨操作，勞動效率低下，環(huán)境污染大，不利于工業(yè)化和自動化生產(chǎn)。

5 過度焊接的危害

對于受彎梁，腹板與翼緣的連接，如果采用大填充量的坡口角焊縫和熔透焊縫，焊后將使翼緣板產(chǎn)生較大的翼緣板角變形（見圖9）和梁的豎向彎曲變形。由于鋼板梁的鋼板厚度和尺寸規(guī)格都較大，所以此類構(gòu)件一般無法采用機械進行矯正，目前工廠普遍采用火焰熱矯正，如圖10所示。熱矯正是通過火焰對鋼板進行局部加熱，加熱區(qū)的鋼材受熱膨脹，同時被周圍材料限制，于是產(chǎn)生不均勻的擠壓塑性變形，在冷卻過程中高溫時產(chǎn)生的塑性變形無法恢復(fù)，于是產(chǎn)生較大的收縮變形，從而將先前的焊接變形進行矯正的過程。加熱區(qū)的鋼材在冷卻過程中又受到周圍制約不能自由收縮，于是又產(chǎn)生加大的殘余拉應(yīng)力。對于厚板的熱矯形溫度都較高（一般應(yīng)控制在600～800℃，對于高強度鋼的溫度控制更嚴格），加熱深度較大，加熱的區(qū)域也很寬，否則矯形效果較差。如果加熱溫度超過規(guī)定值，則容易產(chǎn)生“過燒”現(xiàn)象，從而改變鋼材性能，使其性能有一定的降低。

圖9 翼緣彎曲角變形示例

圖10 厚板工形熔透焊后熱矯形

焊接和熱矯正兩個熱加工工序使結(jié)構(gòu)存在較高的殘余應(yīng)力，降低了構(gòu)件的疲勞強度和穩(wěn)定性。為此，在焊縫尺寸保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，對焊縫幾何尺寸要求寧大勿小的做法并不可取，會帶來不利的影響。

6 結(jié)束語

鋼板梁上下翼緣與腹板的焊縫及支座區(qū)域的焊縫在受力上存在差別，應(yīng)根據(jù)受力情況合理確定焊縫幾何尺寸。

1）對于鋼板組合梁而言，其與正交異性鋼橋面板有本質(zhì)上的不同，鋼板梁的翼緣板與腹板的連接焊縫疲勞應(yīng)力較小。在采用普通貼角焊縫（K12以下）不能滿足強度時，推薦采用部分熔透的對接與角接組合焊縫；不推薦全熔透焊縫，以利于工廠機械化、自動化生產(chǎn)，提高焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

2）下翼緣板與腹板連接焊縫受到由彎曲正應(yīng)力差值引起的剪應(yīng)力，焊接貼角焊縫即可滿足要求；上翼緣板與腹板的焊縫同時承受正應(yīng)力、剪應(yīng)力和局部荷載下的壓應(yīng)力，且正應(yīng)力和局部壓應(yīng)力為同方向壓應(yīng)力，根據(jù)計算結(jié)果可適當加大焊縫尺寸或熔深，焊接角焊縫或部分熔透的角焊縫即可。

3）在支點區(qū)域下翼緣板與腹板的連接焊縫受力較大，需要等強連接，即焊縫有效厚度大于腹板厚度；在設(shè)置支點加勁肋時，加勁肋應(yīng)與下翼緣板頂緊焊接或等強焊接。