斷裂控制鋼結(jié)構(gòu)制造工藝

◎李莉 陳正 王銘浩

斷裂控制鋼結(jié)構(gòu)制造工藝

◎李莉 陳正 王銘浩

本文根據(jù)新西蘭鐵路007項(xiàng)目273橋制造經(jīng)驗(yàn)，介紹美標(biāo)斷裂控制（FCM）的制造要求下，如何通過合理的工藝措施實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的質(zhì)量目標(biāo)。本文可供美標(biāo)斷裂控制的鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目參考。

工程概況

新西蘭鐵路007項(xiàng)目273橋?yàn)橐灾贝膯尉€簡(jiǎn)支板梁橋，全橋共4跨，中心跨度24m。橋梁采用栓焊結(jié)合連接方式，主要部件包含主梁、橫梁、道砟面板、邊板、抗震托架、其他附屬件。該項(xiàng)目為美標(biāo)斷裂控制(FCM)橋梁項(xiàng)目，主要桿件為FCM，約占全橋85%，焊接質(zhì)量要求極高。

斷裂控制桿件的特殊要求

FCM是指斷裂控制的關(guān)鍵部件，如果不能控制好這部分部件的質(zhì)量就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)橋梁的坍塌，《AWS D1.5美國橋梁焊接規(guī)范》中第12章有詳細(xì)規(guī)定。

在原材料方面，具有斷裂控制件（FCM）要求的板材必須符合規(guī)范中相應(yīng)的規(guī)定，詳細(xì)制定鋼板訂貨技術(shù)條件，要求質(zhì)保書格式等。焊材除了常規(guī)要求外，其合格證應(yīng)該列出擴(kuò)散氫的數(shù)值或者藥皮的水分含量。

在制造廠的施工詳圖中，每個(gè)斷裂控制件（FCM）處對(duì)應(yīng)的焊縫必須標(biāo)注出FC標(biāo)記及WPS編號(hào)用以區(qū)分焊縫類型。材料表中也應(yīng)將對(duì)應(yīng)的板件材質(zhì)注明成FCM。

在焊接管理方面，斷裂控制桿件焊接時(shí)對(duì)焊條、焊劑的使用及回收要求極為嚴(yán)格（在制造過程中為有效保證273橋工期，其桿件焊接時(shí)每次均使用新焊劑）。斷裂控制項(xiàng)目需編制專項(xiàng)焊接工藝及返修焊工藝規(guī)程。除非工程師另有要求，用作裝配的定位焊必須在焊縫接頭內(nèi)部，嚴(yán)禁在母材非焊接部位引弧，不得在斷裂控制件（FCM）上焊接臨時(shí)構(gòu)造。

在零件加工方面，具有斷裂控制要求的鋼材嚴(yán)禁冷彎，嚴(yán)禁冷矯正，嚴(yán)禁過熱矯正。冷彎、冷矯易產(chǎn)生微裂紋及表面硬化；而過熱會(huì)導(dǎo)致鋼板的強(qiáng)度、韌性、延展性的丟失，具有斷裂控制要求的鋼材的熱矯正溫度≤650℃。

綜上所述，在斷裂控制要求的鋼結(jié)構(gòu)制造中必須采用相應(yīng)的原材及焊接工藝，并在制造過程中盡量減少原材的物理化學(xué)性能改變。

方案規(guī)劃

根據(jù)斷裂控制桿件的特殊要求，工藝方案制定的核心理念即在制造過程中避免采用使材料發(fā)生應(yīng)力集中及物理化學(xué)性能改變的制造措施。

273橋?yàn)樗ê附Y(jié)合板梁橋，U形橫梁與主梁之間、道砟板單元之間、邊板之間通過高強(qiáng)螺栓連接，U形橫梁及角連接件與道砟板之間焊接。

主梁采用上蓋板及腹板后出孔及對(duì)稱組焊工藝，減少半成品尺寸精度偏差及焊接變形，以便控制熱矯正工作量。U型橫梁上蓋板采用熱物理頂壓工藝，腹板數(shù)控等離子切割，左右端板數(shù)控鉆孔，組焊成U形橫梁。角連接件焊接成型后卡樣鉆孔、銑長(zhǎng)圓孔。

工藝方案分析

針對(duì)斷裂控制的特殊要求，對(duì)273橋的主梁、橫梁、道砟面板單元等FCM桿件逐一分析，給出每種桿件形式下較為合理具體的制造方案，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量目標(biāo)。

主梁。主梁的制造精度對(duì)保證全橋幾何尺寸、線形、連接關(guān)系起至關(guān)重要的作用。主梁由上下蓋板、腹板、加勁肋組成，腹板有20排螺栓孔群。

主梁影響焊接變形控制的主要因素如下：

a.火焰切割變形。鋼板不對(duì)稱受熱易產(chǎn)生旁彎等變形。

b.主梁為斷裂控制桿件，焊前預(yù)熱溫度高，但工件較大，電加熱器使用受限，焊前采用火焰預(yù)熱。

c.主角焊縫采用埋弧自動(dòng)焊接，其熔深較大且焊縫較長(zhǎng)（24m左右），焊縫縱向收縮較大。

圖1 橋跨主要構(gòu)件示意圖

圖2 部件主要連接關(guān)系示意圖

d.焊接順序。

針對(duì)以上不利因素，采取措施如下：

a. 主梁蓋板、腹板采用雙嘴對(duì)稱切割下料，避免鋼板單側(cè)受熱不均，減小切割變形；

b.火焰預(yù)熱時(shí)避免近距離慢速度移動(dòng)的集中加熱方法，必須提高火頭大幅度移動(dòng)加熱器，使工件緩慢升溫，加熱均勻。及時(shí)使用測(cè)溫筆，測(cè)溫點(diǎn)距離焊縫中心75mm。

c.主梁蓋板下料后按0.35～0.4/m預(yù)留焊縫收縮量后一端再預(yù)留配切量。

d.主梁先施焊下蓋板側(cè)主角焊縫，再焊接上蓋板側(cè)主角焊縫。同一焊縫采用2臺(tái)埋弧焊機(jī)從梁長(zhǎng)方向的中間向兩端對(duì)稱施焊。加勁肋與腹板角焊縫應(yīng)從下蓋板側(cè)向上蓋板側(cè)施焊，且從梁的中間向兩端對(duì)稱施焊。

在組裝區(qū)布置主梁組裝胎型。胎型設(shè)跨中線，腹板對(duì)中線先行就位；胎型設(shè)支撐架，承托腹板并保持水平；兩端設(shè)液壓千斤頂，推動(dòng)蓋板縱向移動(dòng)；兩側(cè)設(shè)雙向液壓千斤頂，保證蓋腹板頂緊，控制外形尺寸及拱度。

U型橫梁。273橋的U型橫梁上蓋板與腹板及上端板、腹板與上端板、下蓋板與左右端板間焊縫均為熔透焊縫，U形左右兩肢窄而長(zhǎng)，焊接方式復(fù)雜，制造難度高。

橫梁影響焊接變形控制的主要因素如下：

a. U形左右兩肢窄而長(zhǎng)，腹板薄（12mm），上邊緣焰切單面坡口，鋼板單側(cè)受熱不均，鋼板冷卻后頂端張口尺寸收縮；

b.上蓋板壓型后與腹板的匹配精度。

c.上蓋板與腹板間熔透焊縫，下蓋板與腹板間角焊縫，焊縫收縮不一致。

d.橫梁上連接孔群對(duì)半成品制造精度的限制。

e.橫梁左右端板伸出端因其與下蓋板間熔透焊縫易產(chǎn)生變形導(dǎo)致與主梁腹板無法密貼。

針對(duì)以上不利因素，采取措施如下：

a. U形腹板采用空氣等離子切割，切割時(shí)預(yù)留兩肢上口收縮量，伸出肢外側(cè)兩端預(yù)留配切量。試切后焰切上邊緣坡口，待冷卻后測(cè)試上張口尺寸。

b.針對(duì)上蓋板壓型設(shè)計(jì)專用的物理頂壓胎型，使用與工件完全相同的實(shí)驗(yàn)件測(cè)試胎形是否合理。壓型后檢查兩肢間相對(duì)偏差。因斷裂控制件嚴(yán)禁冷彎，上蓋板壓型時(shí)需采用火焰加熱壓型區(qū)。壓型后與腹板匹配，定位時(shí)配合火焰修整。

c.控制焊接順序。先焊接橫梁腹板與下蓋板間主角焊縫增加腹板剛度，再焊接腹板與上蓋板間熔透焊縫。

d. U型橫梁主焊縫焊接完成后采用火焰矯正（溫度≤650℃）至尺寸合格。探傷完成后在專用地樣胎上劃線焰切腹板伸出肢預(yù)留量。控制其他部件組焊精度及順序。

e.橫梁左右端板鉆孔后將伸出端做反變形處理，避免焊后變形。

組裝時(shí)利用工裝卡擋等保證N5上表面與橫梁蓋板頂面平行且與兩端腹板焰切邊垂直，但不得在工件上焊接任何臨時(shí)部件。

道砟面板單元。單個(gè)道砟面板單元由兩個(gè)橫梁、道砟板、兩個(gè)角連接件（DA）焊接組成，每跨共包含10個(gè)道砟面板單元。因橫梁腹板與端板均與主梁采用高強(qiáng)螺栓連接，橫梁與道砟板間焊接定位尺寸非常關(guān)鍵，因而通過先連接固定橫梁與主梁，后鋪設(shè)道砟板塊的整體試拼裝來保證尺寸精度。

因?yàn)榈理陌鍐卧ㄒ粔K面板焊接兩個(gè)U型橫梁及兩個(gè)角連接件）本身結(jié)構(gòu)形式的特殊性，制造精度對(duì)橋梁構(gòu)件間連接造成的影響如下：

圖3 橫梁腹板程切示意圖

圖4 第一跨道砟面板與角連接件組焊示意圖

a.兩道橫梁間的組裝間距與主梁腹板孔群間距不一致；

b.兩個(gè)角連接件與道砟板間位置尺寸組焊后存在偏差。

c.橫梁位置與角連接件間相對(duì)位置存在組焊偏差，無法保證橫梁與主梁腹板連接的同時(shí)，兩個(gè)道砟面板單元間兩相鄰角連接件的連接。

d.公差累積導(dǎo)致端部道砟板單元之間及道砟板單元之間無法精確連接。

針對(duì)以上影響因素，采取措施：

a. 嚴(yán)格控制制造工藝（預(yù)留足夠長(zhǎng)度配切量、組裝預(yù)加適當(dāng)反變形），保證全橋數(shù)量的角連接件（DA）單件精度；

b.先確保每個(gè)道砟板與兩端角連接件間的組焊精度以及保證兩相鄰角連接件間的螺栓連接。在平臺(tái)上以縱向中心線為定位基準(zhǔn)，按布置圖所示位置及尺寸依次排布整跨道砟面板，檢驗(yàn)合格后與平臺(tái)卡固，兩件角連接件（DA）為一組，背靠背夾雙層填板保證密貼后與面板進(jìn)行定位焊，注意DA與面板板邊距離≥10mm，解體后完成焊接。

c.利用試拼裝定位橫梁與道砟板組裝位置尺寸。先將橫梁與主梁螺栓連接固定，在橫梁上表面鋪設(shè)道砟板并將面板間彼此連接，調(diào)整尺寸精度至合格，將橫梁與道砟板間定位焊。試拼裝解體后焊接橫梁與道砟板間角焊縫，根據(jù)規(guī)范要求焊縫端部（橫梁與道砟面板連接的拐角處）30mm范圍內(nèi)甩焊。

d. 道砟板鋪設(shè)時(shí)，先定位中間板塊，逐步依次向兩端布置道砟板，避免累積誤差。

道砟面板單元本身為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，尤其是兩個(gè)橫梁端部懸出且細(xì)長(zhǎng)，在拆卸、吊裝、運(yùn)輸?shù)仍蛉菀桩a(chǎn)生一定變形，影響橫梁端部上下口尺寸，所以單元制造過程中要采用相應(yīng)的支撐來增加其剛度，防止永久變形的產(chǎn)生而影響橋梁的整體架設(shè)。

新西蘭鐵路007項(xiàng)目273橋已成功驗(yàn)收交付并架設(shè)完成。根據(jù)此工藝方案，在該橋制造中實(shí)現(xiàn)了焊接變形控制目標(biāo)，減少了熱矯正量，完成了斷裂桿件的質(zhì)量目標(biāo)，可為同類型斷裂控制要求的項(xiàng)目提供參考。

（作者單位：中鐵山橋集團(tuán)有限公司）