懸索橋空間纜雙鞍槽主索鞍制造技術(shù)

蘇 蘭 石紅昌 李澤銳 黃安明

(德陽天元重工股份有限公司，四川618000)

西安建材北路跨灞河懸索橋[1-2]包括主橋、引橋、人行天橋三部分，主線橋梁全長1054.18 m，主橋為空間雙索面自錨式懸索橋，主索鞍采用鑄件和鋼板組焊結(jié)構(gòu)，為降低吊裝運輸重量，主索鞍需要分塊制作，組拼件調(diào)至塔頂后采用螺栓連接成為整體。主索鞍結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1 主索鞍結(jié)構(gòu)特點

懸索橋采用主跨和邊跨均為空間纜的結(jié)構(gòu)形式，同時主塔采用鋼塔，橋面寬度達56 m，其主索鞍結(jié)構(gòu)特殊，是國內(nèi)載荷最大的空間纜懸索橋[3]。

為了克服空間纜在塔頂處由主纜產(chǎn)生的水平分力對塔產(chǎn)生的附加應(yīng)力，主索鞍采用一鞍雙槽的設(shè)計理念。采用整體式索鞍，增強了索鞍對水平分力的承載能力。主索鞍設(shè)計兩個對稱鞍槽。

主索鞍鞍槽設(shè)計理念，區(qū)別于常規(guī)空間纜索鞍鞍槽既有平彎亦有豎彎的結(jié)構(gòu)，采用在主纜通過平面內(nèi)設(shè)計僅有豎向彎曲的鞍槽滿足線形需要，該設(shè)計理念屬國內(nèi)首創(chuàng)。

主索鞍鞍體的輪廓尺寸達7.5 m×5.6 m×4.8 m(長×寬×高)，主索鞍邊跨鞍體重126 t，主跨鞍體重119 t，組合后整體重245 t。

1—鞍頭 2—鞍座 3—上承板 4—下承板 5—安裝板圖1 主索鞍結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Configuration of main cable saddle

2 主索鞍制造技術(shù)

主索鞍鞍體制造工藝流程包括鞍頭鑄造、鞍頭與鞍座焊接、熱處理、機加工、裝配、試驗、涂裝等。本文主要介紹主索鞍鞍頭鑄造、鞍頭與鞍座焊接及熱處理三方面制造技術(shù)。

2.1 主索鞍鞍頭鑄造

由于鑄件外形結(jié)構(gòu)尺寸大，鞍頭底部厚大，使鋼水難以實現(xiàn)順序凝固，造成組織拉應(yīng)力大，對鑄件毛坯產(chǎn)生危害。

鞍頭截面尺寸變化大，交叉節(jié)點較多，鞍槽結(jié)構(gòu)屬于U字型開口結(jié)構(gòu)，開口容易出現(xiàn)鑄造變形，同時筋板位置尺寸難以控制。

索鞍鞍頭的鞍槽、主筋板、側(cè)筋板的壁厚變化大，主筋板和鞍槽、鞍槽和側(cè)筋板的交接部位形成了帶狀熱節(jié)，其補縮難以兼顧，順序凝固控制困難，易出現(xiàn)疏松、縮孔、氣孔、夾渣等質(zhì)量缺陷。

鑄造缺陷的產(chǎn)生很大程度上是由于鑄造工藝方案不夠合理和完善產(chǎn)生的，為避免由于工藝方案的不足導致在鑄造生產(chǎn)中出現(xiàn)問題，鑄造前采用專業(yè)鑄造模擬軟件，依照索鞍毛坯鑄造方案，進行鋼水凝固及充型過程的計算機模擬，最終確定最優(yōu)的鑄造方案。

鞍頭鑄鋼件的鑄造方案示意圖見圖2，針對索鞍鞍頭鑄鋼件澆注補縮距離較長的問題，擬采取設(shè)置雙層澆道系統(tǒng)，并適當增設(shè)補貼的方式予以解決。

為了確保鑄件質(zhì)量，采取鞍槽口朝上的澆鑄方案，采用組芯地坑造型、雙層澆道澆注的鑄造工藝方案，在鞍頭槽部設(shè)置大冒口，加強對鞍頭底部等厚大部位的補縮，在U型槽口底部放置外冷鐵。通過計算機模擬鑄件冷卻過程，檢測鑄造方案中冒口布置位置、大小是否合理，并調(diào)節(jié)冷鐵的布置位置及數(shù)量，使鋼水凝固按照控制意圖形成順序凝固，從而減小內(nèi)部組織應(yīng)力。澆鑄系統(tǒng)設(shè)計為底注式澆注，既能減緩鋼水流動速度，使鋼水平穩(wěn)澆鑄，又可逐步將型腔中的氣體排出，同時使鋼水中的夾雜物上浮至冒口，減少鑄件中氣孔等缺陷的產(chǎn)生。

1—冒口 2—防變形拉筋 3—直澆道 4—橫澆道圖2 鞍頭鑄造方案示意圖Figure 2 Casting scheme of saddle head

澆注前需將鋼水精煉純凈，減少非金屬夾雜物及有害氣體N、O、H的含量，盡量降低鋼中S、P含量，鋼液充分脫氧；同時選擇合理的型砂配比及砂型的密實度，使砂型具有良好的透氣性，在筋板交叉處的熱節(jié)部位放置冷鐵，加快熱節(jié)部位的冷卻速度，防止由于附近薄壁冷卻快于熱節(jié)點，造成先冷部位收縮對后冷部位的拉伸，在鑄鋼件脫模后盡快進行消應(yīng)熱處理，防止鑄鋼件由于鑄造應(yīng)力大造成開裂。

通過采取上述技術(shù)控制措施，可有效減少和防止鑄鋼件出現(xiàn)氣孔、疏松、縮孔和夾渣等鑄造缺陷。

2.2 主索鞍鞍頭與鞍座的焊接

由于主索鞍鞍頭與鞍體間的焊縫須按照GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測 超聲檢測 技術(shù)、檢測等級和評定》標準進行超聲檢測[4]，達二級合格；所有焊縫按GB/T 26951—2011《焊縫無損檢測 磁粉檢測》、GB/T 26952—2011《焊縫無損檢測 焊縫磁粉檢測 驗收等級》標準進行磁粉檢測[5- 6]，達2級要求，所以焊縫質(zhì)量控制是重點。

同時索鞍外形尺寸大，結(jié)構(gòu)焊縫不規(guī)則，焊縫相對集中，焊縫坡口大，焊接量大?？v向收縮和橫向收縮較大，焊接應(yīng)力和變形大。所以必須通過科學、合理的焊接工藝方案，以保證主索鞍的結(jié)構(gòu)尺寸。

為確保焊縫探傷質(zhì)量，在焊接過程中采取以下控制措施：

(1)設(shè)計合理的便于實現(xiàn)全熔透焊接的焊縫坡口型式。

(2)鞍體裝配時按工藝要求預留適當間隙，以保證焊接時熔透，同時又可減少反面清根工作量。

(3)正式產(chǎn)品焊接前依據(jù)GB/T 19869.1—2005《鋼、鎳及鎳合金的焊接工藝評定試驗》標準進行焊接工藝評定[7]，確定焊接工藝參數(shù)。

由于主索鞍為鑄焊結(jié)構(gòu)，鞍頭采用ZG270- 480H鑄鋼[8]鑄造，鞍座采用Q345R鋼板[9]焊接，所以焊接工藝評定的施焊對象應(yīng)包括：鋼板與鋼板的焊縫的焊接工藝評定；鑄鋼與鋼板的焊縫的焊接工藝評定。

鋼板間焊縫的焊接工藝評定，應(yīng)保證焊縫的力學性能達到GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》的規(guī)定。

鑄鋼件與鋼板間焊縫的焊接工藝評定，應(yīng)保證焊縫的力學性能達到GB/T 7659—2010《焊接結(jié)構(gòu)用碳素鋼鑄件》的規(guī)定。

由于索鞍鞍體結(jié)構(gòu)復雜，不易實現(xiàn)自動化焊接，所以首選CO2氣體保護焊進行焊接，CO2氣保焊具有焊接時電弧穿透能力強、抗氫氣孔能力強、熔敷率較高、焊縫成形美觀、易進行全位置焊接等優(yōu)點，其焊接質(zhì)量容易得到控制和保證。

主索鞍鞍體焊接選用與母材強度相當?shù)暮附硬牧?，并綜合考慮焊縫金屬的強度、韌性等性能符合標準要求，選擇ER55-G焊絲[10]，選用的焊絲中含有足夠的脫氧元素Si和Mn，且含碳量較低，焊接過程中可有效防止CO氣孔的產(chǎn)生。

為保證主索鞍焊后的結(jié)構(gòu)尺寸采取以下措施：

(1)制定科學合理的裝焊順序。主索鞍結(jié)構(gòu)尺寸大、重量大，主筋板、端板、側(cè)筋板、邊筋板分別與鞍頭、底板形成焊接結(jié)構(gòu)，各件之間的主要焊縫分別為鋼板與鋼板間的熔透焊縫，鋼板與鑄鋼間的熔透焊縫，接頭形式主要為T型接頭和對接接頭，鋼板件數(shù)量多，焊縫比較集中，且主筋板厚度達160 mm，焊接時接頭的焊接應(yīng)力及構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力都很大，且各主要焊縫均為熔透焊縫，焊接收縮大，構(gòu)件焊后尺寸不易保證，在充分考慮和分析了主索鞍結(jié)構(gòu)后，采用了圖3所示的裝焊順序進行主索鞍的裝配和焊接，產(chǎn)品裝焊過程見圖4，既保證了各零部件間焊縫的可操作性，又能保證焊縫質(zhì)量。

圖3 主索鞍裝焊順序示意圖Figure 3 Assembly and welding sequence of main cable saddle

(2)焊接時先焊深坡口一側(cè)，施焊中除底層及面層外均采取錘擊方式進行消應(yīng)。

(3)焊接中適時翻身，以避免和減小鞍體的焊接變形，忌將一側(cè)坡口焊完再焊另一側(cè)焊縫。

(4)在適當?shù)牟课患雍阜雷冃喂に嚴睿附硬僮鲿r由偶數(shù)名焊工同時對稱施焊，對于長度大于1 m的焊縫，采用分段退焊法，盡量減小焊接變形。

2.3 鞍體熱處理

因鞍體結(jié)構(gòu)尺寸達7.5 m×5.6 m×4.8 m(長×寬×高)，邊跨鞍體重126 t，主跨鞍體重119 t，板厚達160 mm，索鞍外形尺寸大，結(jié)構(gòu)焊縫不規(guī)則，焊縫相對集中，焊縫坡口大，焊接量大，焊后應(yīng)力大，需及時進行消應(yīng)處理，避免由于應(yīng)力過大導致開裂。焊接完成后工件應(yīng)進行保溫緩冷，防止產(chǎn)生冷裂紋，整個焊接過程中采取分階段兩次中間消應(yīng)熱處理，以消除焊接應(yīng)力，焊接完成后再整體進行焊后消應(yīng)熱處理。

工件進行焊后熱處理目的是：消除或降低焊接殘余應(yīng)力；軟化焊縫區(qū)的淬硬組織，提高焊接接頭韌性；促使殘余氫逸出；提高結(jié)構(gòu)的幾何穩(wěn)定性、增強接頭抵抗應(yīng)力腐蝕的能力，主索鞍完成焊接及焊后熱處理后的照片見圖5。

3 結(jié)語

建材北路跨灞河懸索橋采用了主跨和邊跨均是空間纜的結(jié)構(gòu)形式，其主索鞍結(jié)構(gòu)特殊，輪廓尺寸大，單半鞍體重120 t左右，是國內(nèi)載荷最大的空間纜懸索橋，主索鞍鞍槽設(shè)計理念是國內(nèi)首創(chuàng)。其主索鞍制造過程涉及鞍頭鑄造、鞍頭和鞍座的焊接，焊后熱處理等制造環(huán)節(jié)，通過分析該橋的結(jié)構(gòu)特點，借鑒以往懸索橋索鞍的制造經(jīng)驗，制定出合理的制造工藝，解決了生產(chǎn)制造中的難題，經(jīng)檢驗，產(chǎn)品符合設(shè)計要求，該懸索橋已與2021年6月30日全線通車。