重慶東水門長江大橋中縱梁焊接技術

中鐵寶橋集團有限公司 （陜西寶雞 721006） 裴雪峰 賈玉青 黃河珍

1.工程概況

重慶東水門長江大橋起于南岸區涂山路（龍門浩小學），跨越長江后經湖廣會館平接渝中區陜西路，主橋為（222.5+445+190.5）m雙塔單索面鋼桁梁斜拉橋，鋼梁全長858m。該橋采用上下層布置的公軌兩用橋梁，下層為雙線軌道交通，線間距6m，上層為雙向四車道汽車交通，上層橋面寬24～39.2m。鋼桁梁采用無豎桿整體節點三角桁架，上下層橋面系為正交異性整體鋼橋面板。鋼桁梁主體材質采用Q345qD、Q420qD，鋼梁總重約23000t。

主橋橋型布置、鋼桁梁典型截面如圖1、圖2所示。

圖1 重慶東水門長江大橋橋型布置

圖2 鋼桁梁典型截面

2.中縱梁結構簡介

上層橋面兩主桁間全橋通長設置中縱梁，部分中縱梁中設置錨箱，作為索梁連接的主要構件，索力通過設置錨箱的中縱梁傳遞給上層橋面板，然后傳遞到主桁結構。中縱梁為焊接箱型截面，截面寬820mm，高1000mm，分為無索區中縱梁、帶耳板結構中縱梁及帶錨箱結構中縱梁。

帶錨箱結構中縱梁材質為Q370qE，由頂板、底板、節點板（腹板）、隔板、錨箱單元、接頭板、加勁肋等件組成。本橋鋼錨箱構造獨特，傳力簡捷，區別于以往鋼桁梁內置式錨箱，錨箱與中縱梁節點板采用插入式連接，錨箱承力板與中縱梁節點板間為十字焊縫坡口焊，降低了焊接對操作空間的要求。承力板與節點板間實現了雙面焊接，消除了內置式錨箱承力板與節點板間單面焊帶來的焊接變形及應力集中的問題，更加有利于確保此處的焊接質量。

帶錨箱結構中縱梁結構形式如圖3所示。

圖3 帶錨箱中縱梁結構

3.焊接難點分析及對策

（1）易產生焊接裂紋 中縱梁鋼板材質為Q370qE，淬硬傾向大，焊后殘余應力增大，易產生焊接裂紋，對焊接工藝的要求很高，因此焊前預熱及創造良好的施工環境是制造的關鍵。

（2）焊接變形大 中縱梁構造復雜，連接方向多，焊縫密集，且頂板與腹板在中間錨固區7000mm范圍內為全熔透，焊接變形大，作為主要傳力部位，焊接質量要求很高。

（3）空間定位精度要求高 錨箱與中縱梁節點板采取插入式連接，空間定位精度要求高，其焊接變形直接影響錨箱組裝精度，進而影響鋼桁梁橋位安裝及成橋線形。

針對以上焊接難點，分別從焊接工藝的選擇、焊接變形控制以及焊接質量控制等幾方面進行探討，確保中縱梁制造達到設計和規范要求。

4.焊接工藝及變形控制

（1）焊接工藝評定 中縱梁的焊接除了按設計圖紙的要求外，必須遵循《鐵路鋼橋制造規范》（TB10212—2009），同時還應對主要和重要的焊接接頭進行焊接工藝評定試驗和工藝性能試驗。焊接工藝評定試驗程序如圖4所示。

圖4 焊接工藝評定試驗程序

（2）焊接材料的選用 根據焊接工藝評定試驗結果，中縱梁選用的焊接材料如附表所示。

中縱梁選用的焊接材料

（3）焊接要求及焊接坡口形式 本工程設計焊接要求如圖5所示，結合設計要求及焊接工藝評定試驗結果，中縱梁焊接采用坡口形式如圖6所示。

圖5 設計焊接要求

圖6 中縱梁焊接坡口形式

（4）焊接工藝流程及焊接變形控制措施 節點板與腹板不等厚對接焊縫的焊接：不等厚對接較厚板按照要求開過渡斜坡，與薄板勻順過渡。焊接采用埋弧焊進行，兩端部均加引、熄弧板，保證端部焊接質量。正面焊接前為防止焊漏，可在背面墊焊劑墊，背面第一道焊接前清根，保證熔透。焊接過程可采取多次翻身，雙面交替施焊，減小焊接變形。

頂板縱向加勁肋的焊接：縱肋焊接采用“實芯焊絲混合氣體保護焊+船位雙向反變形”方案，結合其結構形式、熱量輸入、應力分布及變形趨勢，確定反變形量，設計制作反變形胎架。根據不同的板單元寬度、厚度，橫向設置不同的反變形，板單元置于胎架上后周邊用夾具壓緊，然后焊接，可實現板單元焊后基本無變形，頂板單元焊接示意如圖7所示。

圖7 頂板單元焊接示意

所有焊縫焊接時都保持焊接方向一致，根據加勁肋數量以及焊縫焊接時產生側向彎曲的傾向安排合理的焊接順序，減小扭曲變形和側向彎曲變形。

頂板、腹板（節點板）、隔板組成的槽型焊接：①隔板與頂板、腹板焊縫，采用CO2氣體保護焊，先焊接節點板位置隔板，盡量對稱施焊，并保證焊縫外觀質量。②焊接腹板與頂板內側焊縫，該焊縫在拉索7000mm區域為熔透焊縫，其余部位為不熔透坡口焊縫，坡口過渡區施焊前先用碳弧氣刨將坡口變化處刨出過渡坡，并對刨槽表面進行打磨，使坡口變化處過渡勻順。在槽型兩端頭部位增設工藝隔板以控制焊接變形引起的扭曲和旁彎。槽型結構如圖8所示。

箱體的焊接：為減小焊接變形對箱口尺寸帶來的影響，焊接前對節點板部位進行預彎（見圖9），采用埋弧焊焊接下蓋板與腹板焊縫、頂板與腹板外側焊縫。箱體總成焊接時，在端口和內部適當位置增設剛性工裝框架或剛性臨時支撐，增加結構的整體剛度，有效地控制了焊接變形。

圖8 槽型結構

圖9 節點板預彎示意

頂板與腹板熔透焊縫區域外側焊接前進行清根。四條焊縫的焊接方向保持一致，并盡量對稱施焊，同時用CO2氣體保護焊焊接端隔板以外箱形內側角焊縫。

裝拉索橫梁內（外）隔板、小橫梁外隔板、錨箱底板等，根據組裝順序進行焊接，均采用CO2氣體保護焊。

錨箱單元件的焊接、錨箱單元與中縱梁箱形焊接：錨箱的焊接是中縱梁焊接的重點和難點。錨箱承力板與兩節點板在該部位形成十字接頭焊縫，受力復雜，且采用深坡口部分熔透焊接，施焊空間狹小，焊接難度大，焊接變形難以控制。為使部分焊縫能夠自由地收縮，從而分散焊接變形，降低矯正焊接變形的難度，確保鋼錨箱的焊接質量，錨箱整體焊接分兩步進行。先是錨箱單元的焊接（見圖10），再進行錨箱單元與中縱梁箱形的整體焊接（見圖11）。

總體焊接順序原則如下：先焊接焊縫金屬填充量多、收縮量大的焊縫，后焊接焊縫金屬填充量少、收縮量小的焊縫；先焊接主要焊縫，后焊接其他焊縫，如鋼錨箱中主要受力焊縫為節點板與錨箱承壓板間的“十字”形焊縫，在鋼箱梁總成時，此焊縫先焊；采用對稱焊接，使結構件的受熱均勻，減小結構件的焊接變形。所有焊縫均采用焊條電弧焊或CO2氣體保護焊完成，并選則優秀焊工進行焊接，確保焊縫外觀、內部質量，提高焊縫沖擊韌性值。

圖10 錨箱單元的焊接

圖11 錨箱整體的焊接

5.焊接質量控制

帶錨箱中縱梁板厚較大，其中錨箱承力板板厚40mm，端部承壓板厚100mm，節點板厚40mm，頂板錨固區板厚50mm。中縱梁的焊接主要為厚板的焊接，控制好厚板的焊接質量，是保證中縱梁質量的關鍵。厚板的焊接特點：①需填充的焊縫金屬量大，相對而言，焊接變形量大。②達到了三維散熱條件，焊接過程中熱量的散失較快，特別是錨箱承力板和節點板之間的“十字”接頭表現更明顯，出現層狀撕裂和冷裂紋的傾向增加。因此，對中縱梁焊接采取了以下控制措施。

（1）原材料的控制 層狀撕裂主要是軋層非金屬夾雜物與基體金屬脫聚而致，即層狀撕裂的主要影響因素是鋼材的軋層夾雜物，而常見的是硫化物。因此，在厚鋼板訂貨時，要求控制S含量低于0.010%，提高厚板Z向性能，防止產生層狀撕裂。冷裂紋是指在室溫附近出現的裂紋，最常見的冷裂紋是氫致裂紋，此裂紋是擴散氫在三向應力區聚集引起的。制定焊接材料供貨技術條件，要求焊接材料的低溫沖擊韌性好，同時還要求焊接材料的擴散氫含量≥5mL/100g，減少焊縫金屬中擴散氫的含量，避免出現氫致裂紋。嚴格焊接材料的入庫、保管、烘干、發放、回收等管理，特別是針對藥芯焊絲的保管和使用提出具體規定。

（2）優化設計焊接坡口 對焊縫坡口形式進行優化設計，使各種接頭易于焊接，減少裂紋、氣孔、夾渣、未熔合等焊接缺陷出現的可能性。錨箱承力板和節點板間“十字”接頭焊縫采用雙面坡口焊接，減少焊接變形，降低焊接殘余應力峰值。

（3）焊前預熱 預熱的主要目的是為了減小焊縫的冷卻速度，增大熱循環的低溫參數t100，使之有利于氫的充分擴散和逸出，防止厚板焊接產生冷裂紋。預熱溫度根據焊接性試驗確定，采用電加熱或火焰進行預熱。

（4）焊接過程的控制 焊接操作時采用窄焊道，多層多道焊進行焊接，每層焊縫在保證焊接質量的情況下要求盡量厚一點；使用小電流施焊，減小焊接變形。

（5）焊接順序的控制 除按總體的焊接順序焊接外，“十字”接頭部位采用內外兩側焊縫同時同向的焊接順序進行。

（6）層間溫度的控制 層間溫度的作用與預熱溫度一致，厚板焊接時應連續作業，要求保持層間溫度不低于預熱溫度。

（7）人員及設備的控制 盡量采用定人、定設備、定工位制度，減少因人員操作技能的差異而引起的隨機變形。

（8）焊后處理 每焊接完一段焊縫后，在清理焊接熔渣及飛濺時，順便對焊縫進行錘擊，以便消除部分焊接內應力。接頭焊接完工后，主要角焊縫還應進行超聲波沖擊處理，以降低焊接殘余應力峰值。

6.結語

本工藝已經過試制評審并進行了批量生產，證明了本工藝的可行性、合理性，也為公司以后類似鋼桁梁的制作提供了參考。（20131106）