大型鋼箱梁V形腿焊縫施工順序優化研究

焦凌峰

（貴州貴安建設投資有限公司，貴州 貴陽 550025）

大型鋼箱梁V形腿焊縫施工順序優化研究

焦凌峰

（貴州貴安建設投資有限公司，貴州 貴陽 550025）

車田河大橋為一座雙層鋼箱連續梁橋，采用了桁架+V形腿結構形式，整體結構復雜，現場焊接施工工程量大，焊接殘余變形對整體結構的受力影響不容忽視。為了減小焊接殘余變形對橋梁完建后整體應力的影響，改善受力狀態，采用有限元方法，先對車田河鋼箱梁橋V形腿焊接施工進行了熱源校核，并優化了焊縫施工順序，最后計算了焊接后的V形腿整體變形情況。結果表明，優化焊縫施工順序，可以減少V形腿構件中的焊接殘余變形，希望這個研究結果可為類似工程的順利進行提供有益的參考。

鋼橋；V形腿焊接；焊接順序；殘余應變

1 背景闡述

鋼箱梁橋具有自重小、結構設計成熟、造型優美和施工效率高等特點，被許多市政工程采用[1-3]。貴安新區歆民路車田河大橋采用了V形腿+桁架連續箱梁方案，歆民路在K4+020～K4+140段連續跨越規劃車田河景觀帶和濱湖路，橋位處車田河規劃寬度為40 m左右，兩側河岸為景觀步行道，歆民路與河道大致正交。

在K3+988.240～K4+148.160范圍設置橋梁，橋梁分兩聯，第一聯跨徑布置（32+56+32）m的鋼結構V構橋，其中，6 m中跨跨越車田河，邊跨跨越河岸景觀步行道；第二聯為30 m簡支鋼箱梁，跨越濱湖路。橋梁全長159.92 m，分為左右兩幅修建，單幅橋寬21.25 m。邊跨主梁為正交異形板，鋼箱梁高度為1.8～1.94 m，頂板形成橋面橫坡，底板水平。頂板寬21.1 m，底板寬度15.66 m，斷面為單箱6室形式，兩側懸臂寬度分別為3 m和2.5 m。對于箱室寬度，邊室為1.58 m，中室為3.11 m。

針對鋼材的焊接殘余變形，許多學者從不同方面進行了各種有益的探索，劉曉雪[4]研究了焊接殘余應力和變形的建模技術，認為網格尺寸的大小、焊接速度、熱源加熱半徑、散熱邊界條件對模擬結果均有一定的影響；齊海波等[5]研究了不同焊接順序對干燥盤焊接殘余變形的影響，采用分段移動熱源法對同向、對向和反向3種焊接方案共15種焊接順序的殘余變形進行了數值模擬。結果表明，不同的焊接順序對殘余變形的影響比較大，需格外重視。針對焊接殘余變形的控制方法，肖昌輝[6]采用了超聲沖擊處理技術，在熔池附近的焊縫背面實時施加超聲沖擊，使焊縫正面局部脹形產生雙向拉伸塑性變形，與冷卻收縮時產生的拉伸塑性變形疊加，從而抵消升溫時產生的壓縮塑性變形，達到消除焊接殘余應力和變形的目的。趙利華等[7]采用多層優化計算方法，優化分析了側梁焊接時的隨焊沖擊碾壓參數，得到與焊接工藝相匹配的最優方案。計算結果表明，最優方案能夠降低殘余變形量60%左右，最優隨焊沖擊碾壓對于減小焊接殘余變形效果明顯。

從已有的研究成果看，數值建模分析方法是研究焊接殘余變形的有效途徑，具有成本低、周期短的特點，對現場施工具有重要指導作用。在實際工作中，優化焊接順序可以有效減小焊接殘余變形。本文采用有限元軟件SYSWELD，模擬了車田河大橋的V形腿焊接施工情況，以熱源校核為基礎，優化了焊縫施工順序，分析了采用優化順序的V形腿整體焊接殘余變形，并提出了切合實際的施工控制措施。

2 V型腿焊接熱源校核

焊接模擬需要保證熱源與熔池的形狀一致。V形腿結構的主要焊縫包括V形腿上的四圈16條焊縫，每條焊縫均為對接焊縫，V形腿焊縫均為4道焊。如圖1所示，焊縫用灰色表示。

圖1 V形腿縫位置示意圖

根據相關工藝方案，結構的焊接主要采用埋弧焊，并多層多道焊接。按照給定的焊接工藝方案，在焊接過程中，先焊接V形腿焊縫。V形腿是從下至上焊接，再焊桁架焊縫，桁架焊縫是從V形腿往中間焊接，具體焊接參數如表1所示。

表1 結構焊接工藝參數

計算時，采用的模型為2塊尺寸為（200×300×30）mm的板相互對接。為了方便結果的對比，板的尺寸、坡口的形狀和尺寸及焊接工藝的設定與實際焊接時相一致，模型的前處理工作完成后，進行溫度場計算。計算時，采用雙橢球熱源模型，并不斷調整熱源模型的相關參數，最終得到與實際熔池形狀相一致的熱源形態。計算得到的V形腿各焊接道次熱源截面如圖2、圖3所示。

圖2 熱源行走圖

圖3 熔池形狀圖

從圖2和圖3中可以看出，模擬出的熱源滿足熔池邊界準則，測量出來的熔池截面積和實際熱源滿足實際焊接時的熱源截面積大小。因此，建立的雙橢球熱源體積熱源可以作為此構件埋弧焊計算的熱源模型。在接下來計算V形腿焊縫焊接的熱彈塑性時，均采用此雙橢球體積熱源進行。

3 V型腿焊接施工順序優化研究

為了更好地說明焊接順序，為V形腿節與節之間的焊縫編號，使用箭頭表示焊接方向。由于整體梁結構為箱型梁，在截面看來是個矩形，因此，矩形4條邊可以看作是焊縫。具體焊接順序方案如圖4所示。第一種焊接順序工藝為4條焊縫焊接方向和焊接順序均為逆時針依次焊接；第二種焊接順序工藝總體順序也是逆時針方向，但焊縫1和焊縫3的焊接方向與第一種焊接順序工藝相反，為焊接方向對角焊接；第三種焊接順序工藝焊接方向為逆時針方向，但焊接順序變為對邊焊接，即與第一種焊接順序工藝中第二條焊縫和第三條焊縫調換位置焊接。

圖4 焊接順序設計方案

按照給定的焊接順序對V型腿結構進行模擬計算，計算時采用固有應變法，以WELD-PLANNER軟件為工具，通過軟件中工藝過程的設定步驟安排焊接順序。優化焊接順序時，采用的模型為截取的V形腿一段，其中包括一圈焊縫。之后采用這個模型按照不同焊接順序方案進行計算后得到V形腿的均向云圖，結果如圖5、圖6、圖7所示，并提取了各方向上的最大焊接變形量，3種順序變形量對比情況如圖8所示。

圖5 順序1焊接總變形

圖6 順序2焊接總變形

圖7 順序3焊接總變形

圖8 三種順序變形量對比

從圖5、圖6、圖7這3種焊接順序下模型的變形量中可以看出，結構在這3種不同順序方案下的總焊接變形分布存在一定差異，其中，焊接順序2得到的總變形和分變形量均為最小，順序1得到的總變形量最大，順序3得到的總變形居中，但各方向的分變形量與焊接順序1類似。與焊接順序1和3相比，順序2方案下的焊接總變形量分別減小了20.0%和6.2%.由此可見，焊接順序2為最優焊接順序，評估V形腿焊接總體變形時，采用順序2進行對接焊縫施工模擬。

4 V形腿焊接施工殘余變形分析及控制措施

4.1 V形腿整體結構焊接變形分析

V形腿整個構件的焊接殘余變形與單個斷面的對接焊殘余變形存在一定差異，其原因在于多條焊縫之間可能存在殘余變形的局部疊加或者局部相消。在焊接V形腿梁結構之前，按照從下至上的結構裝配，并置于工裝夾具上進行約束。焊接時，先焊接下部焊縫，從下向上依次對V形腿梁上的環焊縫進行焊接，焊完一組后再焊下一組。在焊接過程中，采用優化后的焊接順序2。由于焊縫比較長，采用分段逐段焊的方式焊接。

為了與原尺寸對比觀察，將總變形放大50倍顯示，如圖9所示，以便總體查看具體總體變形最大部位。

圖9 總體變形放大50倍

從圖9中可以看出，V形腿結構在焊接完成后，整個構建均存在不同程度的變形。最大變形位置是梁上板對接焊縫處，最大變形量為6.292 mm，相對變形比較小，主要變形位置均位于焊縫及其附近區域。

4.2 焊接變形控制措施

4．2．1 焊接過程主要控制措施

施焊時，應按照監理工程師的要求和相關工藝文件的規定焊接產品試板，產品試板的厚度、軋向、坡口尺寸應與所代表的接頭一致，并與之采用相同的工藝方法和參數同時施焊。產品試板應做好標記，在經監理工程師驗收合格后方可取下移送試驗部門取樣試驗。

梁段間環縫為橫橋向對接焊縫，是主要傳力焊縫，要求100%熔透和100%無損檢測。由于橋上施工條件比較差，焊縫拘束度又很大，所以，應從考試合格的焊工中挑選經驗豐富、焊接水平較高的焊工施焊。

橋上焊接施工的環境溫度宜在5℃以上，相對濕度不大于80%，風力不大于5級。如果在露天或雨天施焊，應采取有效的防風、防雨、防潮措施。

定位焊可采用手工焊或CO2氣體保護焊，定位焊時，執行橋上連接焊接工藝的相關規定。當定位焊出現裂紋或其他嚴重缺陷時，應先查明原因再清除缺陷，并補充定位焊。

焊接前，要全面檢查接口的錯邊、間隙和坡口尺寸；要用砂輪清除表面的鐵銹，清除范圍為焊縫兩側各50 mm，除銹后24 h內必須焊接，以防接頭再次生銹或被污染，否則，應重新除銹后再施焊。

在鋼箱內采用CO2氣體保護焊時，焊工要佩戴防護面罩，必須配備通風防護安全設施，以免焊接時產生的CO影響焊工的身體健康和威脅他們的生命安全。

同一鋼箱梁的兩端不要同時焊接，一端焊接時要保證另一端能自由伸縮。

4．2．2 焊接輔助措施

在V形腿節段吊裝就位并調整對接坡口到位后，先固定節段的相對位置。本工程采用了臨時馬板措施固定各節段的相對位置，示意圖和現場施工情況如圖10所示。馬板在對接坡口焊縫施工完成后，采用切割機割除。

圖10 馬板示意圖和現場施工圖

5 結束語

歆民路車田河大橋整體結構較為復雜，全橋分段多，V形腿結構分段比較多，考慮到工廠預制和運輸要求，必須在施工現場對預制分段進行焊接施工，然后吊裝就位。在分段焊接成整體結構的施工過程中，焊接殘余變形是不容忽視的，過大的焊接變形可能會導致V形腿結構受力條件惡化，局部出現過大應力集中，引發橋梁整體質量問題。本文采用有限元方法對焊接熱源進行了校核，并分析了各種對接焊縫施工順序下的對接焊縫殘余變形情況，提出了優化的焊縫施工順序，這對控制焊接殘余變形具有重要意義。最后對V形腿整體結構的焊接施工變形進行了分析，并提出了相應的控制措施，經過對現場實際施工情況的考核，明確優化焊接順序對控制焊接殘余變形效果明顯，有良好的技術效果，有力保證了車田河大橋的焊接質量。這次施工可為日后類似工程的順利進行提供有益的參考。

［1］袁霖宇.成都市二環路高架橋特殊鋼箱梁設計研究［D］.成都：西南交通大學，2014.

［2］甘立全.城市高架橋大型鋼箱梁整體吊裝技術［J］.市政技術，2014，32（S2）：149-152.

［3］童激揚，黃南育，曾憲雙.武漢沙湖南環路跨楚河橋鋼箱梁分節段頂推安裝技術［J］.世界橋梁，2012，40（3）：28-32.

［4］劉曉雪.焊接殘余應力和殘余變形分析的建模技術研究［D］.大連：大連交通大學，2007.

［5］齊海波，李江飛，梁丙辰，等.焊接順序對多焊縫干燥盤焊接殘余變形的影響［J］.焊接學報，2016，37（3）：67-70.

［6］肖昌輝.實時超聲沖擊消除焊接殘余應力和變形的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

［7］趙利華，張開林.高速動車側梁焊接殘余變形的控制［J］.天津大學學報，2012，45（4）：361-366.

焦凌峰，安質部部長，主要從事項目安全質量管理工作。

〔編輯：白潔〕

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