洛陽伊河橋鋼箱梁角接焊縫淺析與優化

王曉輝，丁秀麗，宗小艷

(中鐵寶橋集團有限公司，陜西 寶雞 721006)

1 工程概況

1.1 項目簡介

洛陽新區跨伊河橋為洛陽市連接伊河南北兩岸交通的重要通道，主橋跨徑布置為70.5 m+175 m+70.5 m=316 m。主橋鋼箱梁設計為平行雙索面自錨式懸索橋，橫向兩側分別采用兩個單箱室鋼箱連接形成單側主縱梁;兩側主縱梁通過連接橫梁、次縱梁及橋面板連接形成鋼箱梁;主縱梁外側設懸臂梁，作為人行通道。鋼箱梁標準斷面如圖1所示。

1.2 制造方案簡介

本橋受地理位置及施工環境制約，鋼箱梁按“工廠制造板單元→橋位拼裝場制造塊體(包括主縱梁整體、橫聯整體、懸臂整體)→橋面進行鋼箱梁整體拼裝”的思路制作。

2 焊縫優化原則

根據本橋鋼箱梁結構特點，結合設計規范、施工技術規范，綜合考慮施工影響因素，對本橋角接焊縫優化時，遵循以下原則:

(1)經設計單位核算并認可，能夠滿足鋼箱梁結構受力要求，達到橋梁使用安全要求。

(2)符合國家、行業標準規范規定。

圖1 鋼箱梁標準斷面示意

(3)有利于焊接質量提高和質量控制。

3 主縱梁角接焊縫淺析與優化［1－2］

主縱梁是本橋鋼箱梁的主要結構，其制作尺寸精度及焊接質量直接關系到鋼箱梁的應力分布及使用壽命。

3.1 主縱梁鋼箱角接焊縫

本橋主縱梁單箱室鋼箱的四個角部焊縫設計采用全熔透與角焊縫組合;鋼箱錨箱區橫隔板與周邊板采用全熔透與角焊縫組合;鋼箱非錨箱區橫隔板與周邊板采用部分熔透與角焊縫組合。主縱梁鋼箱角接焊縫如圖2所示。

圖2 主縱梁鋼箱角接焊縫示意

(1)鋼箱四角角接焊縫:主縱梁鋼箱作為主要傳力結構，四角角接焊縫均采用熔透焊縫有利于增強焊縫連接強度和提高焊縫疲勞性能。由于腹板板厚僅16 mm，采用雙面坡口不利于加工，根據焊接工藝評定試驗結果將其優化為帶2 mm鈍邊的單面V形坡口，先焊接箱內側再清根，后焊接箱外側。

(2)錨箱區隔板角接焊縫:錨箱區隔板與鋼箱間錨箱相鄰，設計采用熔透焊縫可增強錨箱部位整體剛性，同時有利于應力傳遞與分散。隔板板厚均為16 mm，根據焊評試驗結果采用帶2 mm鈍邊的單面V形坡口實現熔透要求。

(3)非錨箱區隔板角接焊縫:非錨箱區隔板作為鋼箱的骨架結構，可以提高鋼箱整體剛性及抗扭曲能力，焊縫連接區應力較小，只需滿足連接構造要求即可。根據以往鋼箱梁隔板連接要求，將非錨箱區隔板連接焊縫優化為K10貼角焊縫，能夠減小焊接變形，降低焊縫殘余應力，有利于鋼箱結構尺寸的控制。

3.2 主縱梁錨箱角接焊縫分析與優化

錨箱是鋼箱梁的主要受力構件，其結構空間較小、應力分布復雜，本橋設計時角接焊縫均采用全熔透與角焊縫組合。錨箱主要角接焊縫如圖3所示。

圖3 錨箱主要角接焊縫示意

(1)主承力角接焊縫:錨箱連接板、錨箱鋼板2、錨箱鋼板3形成的框架為主要承力結構，其連接焊縫均采用熔透焊接，以保證結構受力要求。根據焊評試驗結果，連接板與其底板采用2 mm鈍邊的單面V形坡口實現熔透;錨箱連接板、鋼板2及鋼板3之間熔透焊縫采用6 mm間隙的單面V形坡口、背面貼鋼襯墊實現熔透焊接。

(2)次承力角接焊縫:根據錨箱鋼板1所處結構位置，板厚方向受正壓力，其與鋼板2、3連接區應力較小，且采用熔透焊縫坡口過渡區較大影響外觀，將其連接焊縫優化為頂緊組裝并采用單面K10貼角焊縫連接;錨箱錨管設置僅為構造的需要，不需考慮受力要求，為此將其與鋼板1的熔透焊縫優化為周圈單面K6貼角焊縫。

4 橫聯角接焊縫淺析與優化

橫聯結構主要由橫梁、次縱梁及橋面板等構件組成，之間連接焊縫如圖4所示。

圖4 橫聯結構連接焊縫示意

4.1 橫梁角接焊縫

根據設計要求，橫梁的腹板與底板采用全熔透與角焊縫組合，腹板與橋面板為部分熔透與角焊縫組合，橫梁腹板與橋面板U形肋連接部位采用角焊縫。焊縫連接結構分析與優化如下。

(1)橫梁底板與腹板焊縫。橫梁底板的設置主要是為了提高橫梁的抗彎能力及整體剛性，其連接焊縫只要保證基本構造要求即可。參考以往類似結構中的焊縫要求，可將橫梁腹板與底板連接焊縫優化為貼角焊縫。

(2)橫梁腹板與橋面板焊縫。橫梁與橋面板連接焊縫由U形肋分割為若干小段，無法連續施焊，坡口焊縫起熄弧位置極易產生缺陷，且為橋位仰焊位置，焊接質量很難保證;橫梁與橋面板焊縫所處位置也不利于焊縫質量的無損檢測;在歐標ENV1993－1997《鋼結構設計》中規定:“橫梁與橋面板焊前間隙小于等于1 mm，連續雙面貼角焊:0.5×橫梁腹板厚度t”;參考類似橋梁鋼結構焊縫形式，將橫梁腹板與橋面板連接焊縫優化為貼角焊縫(腹板厚度為16 mm時，采用雙面K12角焊縫;厚度為14 m時，采用雙面K10角焊縫)。

(3)橫梁腹板與橋面板U肋焊縫。根據目前國內外專家對橋面板性能的研究報告，橫梁腹板的U形肋槽口根部開設R35過焊孔不利于焊縫的連續性，造成角點部位的應力集中，在反復的輪壓動載作用下，極易產生疲勞破壞。根據研究結論，將橫梁U形肋槽口根部過焊孔優化為7 mm×7 mm倒角，此處焊縫連續施焊不斷弧，能保證焊縫的連續性，提高焊縫抗疲勞性能。

4.2 次縱梁角接焊縫

次縱梁設計為倒“T”型梁，次縱梁腹板與橋面板、底板均采用T形全熔透與角焊縫組合連接。次縱梁連接焊縫結構分析與優化如下。

(1)次縱梁腹板與橋面板焊縫。次縱梁橫橋向位于兩個U肋中間，由于作業空間限制，次縱梁腹板與橋面板的焊縫實現熔透要求困難，其焊接質量不易保證;次縱梁腹板與橋面板焊縫所處位置不利于焊縫無損檢測;在歐標ENV1993－1997《鋼結構設計》中規定“熔透焊接表面大致與材料表面平行且引起的收縮變形與鋼材的軋制方向垂直易產生層狀撕裂”。參考類似結構焊縫連接要求，將次縱梁腹板與橋面板焊縫優化為K10貼角焊縫，以保證焊縫質量。

(2)次縱梁腹板與底板焊縫。次縱梁底板僅為增強其自身的抗彎能力，腹板與底板的焊縫受力要求不高，采用不必要的熔透焊縫既增加焊接工作量，還會產生應力集中。根據結構要求，將腹板與底板連接焊縫優化為K10貼角焊縫。

4.3 次縱梁與橫梁角接焊縫

此部位設計時，次縱梁由橫梁斷開，并與橫梁腹板進行T形全熔透與角焊縫組合連接。

次縱梁與橫梁腹板采用熔透焊接，容易產生較大的焊接殘余應力，由于受反復輪壓活載作用，此連接焊縫處易產生疲勞破壞和層狀撕裂。為此，在橫梁腹板的次縱梁位置開設槽口，保證次縱梁連續通過橫梁腹板，并將次縱梁腹板、底板與橫梁腹板采用K8的雙面角焊縫連接，可以較好地提高連接性能。

5 懸臂角接焊縫淺析與優化

懸臂腹板與其底板、橋面板、主縱梁腹板設計要求采用全熔透和角焊縫組合連接。懸臂結構角接焊縫示意如圖5所示。

圖5 懸臂結構角接焊縫示意

懸臂角接焊縫結構分析與優化如下。

(1)懸臂腹板與底板、橋面板焊縫。懸臂結構形式與橫梁結構類似，此結構作為人行通道活載較小，對結構連接焊縫性能要求相對較低，根據以往類似部位焊縫連接形式，將其優化為貼角焊縫(腹板厚度為16 mm時，雙面K12角焊縫;腹板厚度為14 m時，雙面K10角焊縫)。

(2)懸臂底腹板與主縱梁腹板焊縫。此焊接部位存在拉壓應力及剪應力，在反復的活載作用下可能會產生疲勞破壞。按照設計要求此處采取熔透焊縫，考慮施工的可操作性，采用6 mm間隙的單面V形坡口、背面貼陶質襯墊實現熔透焊接。

6 結論

通過角接焊縫結構分析與優化，改善了焊縫結構承載力，提高了焊縫抗疲勞能力，有利于焊接作業，減小焊接熱變形，可更好地保證焊接質量。通過在本橋鋼箱梁制造中的應用，證實優化的焊縫結構形式具有較強的施工性，能夠有效控制鋼箱梁制造尺寸，大大提高產品制造效率，可以在同類產品中推廣。

［1］TB 10212 －2009，鐵路鋼橋制造規范［S］.

［2］ENV1993 －1997，歐洲鋼結構設計規范［S］.