朱庆菊，等：哈尔滨松花江大桥索塔钢锚梁焊接变形的控制措施 哈尔滨松花江大桥索塔钢锚梁焊接变形的控制措施 朱庆菊 徐向军 魏云祥 （中铁山桥集团有限公司，河北秦皇岛摘要：哈尔滨松花江大桥为独塔双索面钢斜拉桥，斜拉索在主塔上半段采用钢锚梁进行锚固，因此，钢锚梁承力 板是本桥索塔重要受力构件。索塔钢锚粱采用焊接箱形结构设计，大多为厚板，要求开坡口焊接。由于焊接是一 个不均匀的加热和冷却过程，桥梁铜结构制作过程中不可避免地产生焊接应力和焊接变形。因此，钢锚梁承力板 与锚垫板之间连接面的角度控制成为钢锚梁制作的难点。从索塔钢锚梁的生产实践中，归纳总结了其控制焊接变 形的主要措施。 关键词：斜拉桥；钢锚梁；焊接变形；控制措施 一“一～ ＿～一㈣墓 一～∽～一引 姆～一．一～ ～一 一～一～ ０６６２０５） ＣｏＮＴＲｏＬＬＩＮＧ ＭＥＡＳＵＲＥ ｏＦ ＷＥＬＤＩＮＧ ＤＥＦｏＲＭＡＴＩｏＮ ｏＦ ＣＡＢＬＥ ＡＮＤ ＴｏＷＥＲ ＳＴＥＥＬ ＡＮＣＨｏＲ ＢＥＡＭ ｏＦ ＳｏＮＧＨＵＡＪＩＡＮＧ ＲＩＶＥＲ ＢＲＩＤＧＥ ＩＮ ＨＡＲＢＩＮ Ｚｈｕ ＱｉｎｇｊＵ Ｘｕ Ｘｉａｎｇｊｕｎ Ｗｅｉ Ｙｕｎｘｉａｎｇ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｈａｎｈａｉｇｕａｎ Ｂｒｉｄｇｅ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．】 ｔｄ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６２０５，Ｃｈｉｎａ） 一．耋州 ～ 嶝 ～一 ～＿一ｌ ～一一一一一一～ ＿～一耋 一 一 近几年，我国钢桥建设得到了突飞猛进的发展。 而斜拉桥不仅具有优美的造型，而且可以实现主梁 结构多样性以及大跨径、特大跨径的桥梁，从而成为 １ 松花江大桥索塔钢锚梁的设计要求 生产中控制焊接变形所采用的主要措施。 我国钢桥梁发展中的主要方向之一。斜拉桥由索 塔、主梁、斜拉索三部分组成。随着冶金技术的不断 哈尔滨松花江大桥是一座独塔双索面斜拉桥。 其主梁跨度（２６８＋２０８）ｍ，全长４７６ ｉｎ，全宽为 ３９．３ ＩＴＩ，总质量约７ ０００ ｔ，主要材质为Ｑ３４５ｑ－Ｅ钢， 局部采用有Ｚ向受力要求的Ｑ３７Ｏｑ—Ｅ钢。本桥钢 进步，新钢种研发的不断深入，使得钢材质量日趋稳 定，钢材产量也持续增长。尤其是对焊接技术可靠 性的进一步认识，焊接技术在钢桥建设上得到了广 泛的应用。因此，无论是斜拉桥的主梁，还是其斜拉 主梁由主纵梁、横梁、小纵梁及两侧挑梁组成；其中， 主纵梁为箱形断面，其外腹板上焊接钢锚箱。斜拉 索一端锚固在箱形主纵梁外腹板上的钢锚箱上，另 一索在索塔上的锚固区，越来越多地采用焊接钢结构。 由于焊接过程中不均匀的加热膨胀和冷却收 端锚固在索塔钢锚梁上。钢锚梁设置在上塔柱 中，作为斜拉索在索塔塔柱上的锚固结构。因此，钢 缩，被焊构件在焊完冷却后不可避免地产生焊接残 余变形（以下简称焊接变形）。哈尔滨松花江大桥是 ２００９年年初中铁山桥集团中标的又一座独塔双索 锚梁是全桥最关键的传力部件，其质量好坏直接关 面斜拉桥，其索塔钢锚梁为焊接钢箱结构，钢锚梁的 立面、平面以及节段示意分别见图１一图３。本文以 第一作者：朱庆菊，女，１９７６年出生，高级工程师。 Ｅｍａｉｌ：１００９８３９０００＠ｑｑ．ｃｏｒｎ 此为背景，介绍索塔钢锚梁的设计要求及其在车间 收稿日期：２ＯｌＯ一０９ １５ ５５ 加工制作 系到大桥的安危。哈尔滨松花江大桥主塔钢锚梁共 ３６对，每对钢锚梁长４．５ ｒｎ，宽１．１ ｍ，高１．２５ ｒｎ， 质量６．９８～８．８６ ｔ，总质量约２７０ ｔ，主要材质为 力板问角焊缝均要求开坡口熔透焊接，进行超声波 探伤，工级焊缝合格。因此，钢锚梁承力板与锚垫板 之问连接面的角度为钢锚梁的控制重点。国内几座 Ｑ３４５ｑ—Ｅ钢，且承力板要求Ｚ向性能为Ｚ２５级。组 成钢锚梁的主要构件有：锚梁承力板、锚垫板、锚下 斜拉桥的索塔钢锚梁高度、节段数量、材质以及用钢 量统计见表１。 加劲肋、锚梁加劲肋、隔板、顶板、底板，构件之间全 部采用焊接连接。根据拉索索力大小，锚梁承力板 采用３０ ｍｍ与３５ ｍｍ两种板厚，为Ｚ２５的Ｚ向板。 钢锚梁承力板与底板间主角焊缝、锚头内隔板与承 』 ＿ｚ２７，一 — 晒／ ５／ 、 、Ｂ２ ＼ 、Ｂ２ ＼ 、Ｂ２ 善 —Ｚ）４／ ＼ 蠹 三ｊ／ 蓦 １／ ＼ 、Ｂ２ 、Ｂ２ ＼ 、Ｂ２ ＼ 、Ｂ２ ＼ 、Ｂ２ 图２钢锚梁平面尔意 Ｚ２０ 未 卜 —Ｚ１９／ １８ ＼ 、Ｂ１ ＼ 、Ｂ１ 鐾 曩 Ｚ１７ Ｚ】６ × Ｚ】５ ＼ Ｂ１ ＼ Ｂ】 ＼ 、嚣 Ｚ１４ Ｚ１３ ＼ Ｂｌ 、Ｂ１ ＼ Ｂ１． 景 ＺＩ２ Ｚ１】 Ｚ１（） ７ 》 ， ＼ ￣Ｂ１ ：＼ 、Ｂ１ ＜ ＼ 《 、 、Ｂｌ ｑＢＯ ＼ 图１钢锚梁立面 图３钢锚粱节段示意 表１ 国内斜拉桥索塔钢锚梁的统计 为主，而以埋弧自动焊和焊条电弧焊为辅，尤其是焊 ２松花江大桥索塔钢锚梁的焊接方法、焊接材料和 焊接设备 条电弧焊的应用越来越少。因此，除了参考其他桥梁 的焊接评定试验结果，针对本桥钢锚梁的实际施工条 件，进行了全面的焊接工艺评定试验。由于药芯焊丝 桥梁钢结构的焊接方法由以焊条电弧焊和埋弧 自动焊为主，发展到实心焊丝Ｃ０２气体保护焊的应 用，到现在以药芯焊丝和实心焊丝Ｃ（）２气体保护焊 ５６ ｃＯ２气体保护焊不仅比埋弧自动焊线能量小，焊接变 形小，焊后修整量也小，而且焊接生产效率高、便于操 钢结构 ２０１１年第３期第２６卷总第１４４期 朱庆菊，等：哈尔滨松花江大桥索塔钢锚梁焊接变形的控制措施 作、具有良好的焊缝外观成型、焊接飞溅小，囚此，成 内隔板（４０ ｒａｍ）与承力板问角焊缝要求熔透，焊接 为目前钢结构焊接生产中的主要焊接方法之一。 丁艺上采用背面钢衬垫，单面Ｖ形坡口焊接；加劲 该桥索塔钢锚梁的焊接方法主要采用ＣＯｚ气体 板板厚２５，３０ ｍｍ，也要求开坡口焊接。坡口深度 保护焊，焊接材料采用药芯焊丝ＧＦＬ－７１Ｎｉ（夺１．２）。具 大，焊接变形也大，因此，索塔钢锚梁焊接变形的控 体包括承力板与底板『白Ｊ主角焊缝、锚下ＪＪｆＪ劲板与承力 制是焊接生产的重点和难点。 板问熔透角焊缝采用ｃ（ 气体保护焊，采用ＧＦＩ，７１Ｎｉ ３．１ 选用线能量小的焊接方法 （中１．２）焊丝焊接；其他焊缝如果Ｃ２（）２气体保护焊有困 焊接线能量是指熔焊时由焊接能源输入给单位 难，叮采用焊条电弧焊，ＣＯ２气体保护焊采用ＥＲＳ０ ６ 长度焊缝上的热量，用ｑ 表示。根据焊接线能量的 或ＧＦＩ，７１Ｎｉ（ １．２）焊丝，焊条电弧焊采用ｑ５０７Ｑ（姐） 计算公式： 焊条；定位焊采用焊条电弧焊或Ｃ（ 气体保护焊，采用 ５０７Ｑ（（ｂ４）焊条或ＥＲ５０ ６（ｑ，１．２）焊丝。在车间生产 ｑ ｒｉＩＵｑｖ一一■＿ —（１） （１ Ｊ 巾，制定了《哈尔滨松花江大桥钢锚梁焊接工艺规程》， 式中：ｒ／为线能量系数，与焊接方法有关，无单位，本文 成功指导了索塔钢锚梁的焊接生产。 采用药芯焊丝ＣＯ 气体保护焊取７７—０．８；Ｊ为焊接电 Ｃ（）。气体保护焊焊接设备采用ＫＲ５００、 流，Ａ；Ｕ为电弧电压，Ｖ； 为焊接速度，ｍｍ／ｓ；ｑ 为 ＫＲＩＩ ５００等电源；焊条电弧焊使用的焊接设备为 线能量，Ｊ／ｍｍ。由式（１）町以计算出不同焊接位置时 ＺＸ７—５００等。焊接设备均为直流反极性接法。 的焊接线能量。 药芯焊丝（ 气体保护焊和埋弧自动焊的工艺 ３焊接变形的控制措施 参数及线能量对比见表２。从表２可以看出，Ｃ（）２气 由于焊接是一个 均匀的加热和冷却过祥，桥 体保护焊无论在平位还是立位焊接，其线能量均小于 梁钢结构制作过程中不可避免地产生焊接应力和焊 埋弧自动焊。一般情况下，线能量大时，母材被加热 接变形。箱形钢锚梁采用焊接结构设计，大多为厚 的高温区范围大，冷却速度慢，使焊接接头塑性变形 板（最厚为锚垫板，板厚８０ ｍｉｌ１），要求开坡口焊接。 区增大，焊接变形也大，矫正也更困难，因此，应优先 其ｌ｝１，钢锚梁承力板采用厚度为３０ ｍｍ和３５ ｍｍ 选用ＣＯ。气体保护焊。 的Ｚ向板，与底板之间要求开坡门熔透焊接；锚头 表２ ＣＯ：气体保护焊工艺参数 ３．２ 对称结构对称焊接 ３．３锤击焊缝 钢锚梁的焊接严格遵守组装和焊接的先后顺 钢结构焊接后不可避免地产生残余应力和变 序，并且按照对称结构对称焊接的原则，使其焊接变 形，尤其是厚板的熔透角焊缝，不仅焊缝金属填充量 形相反而互相抵消，从而减少焊接变形的矫 工作。 大，而且背面焊前需要进行碳弧气刨清根处理，焊接 实际生产中钢锚梁的焊接顺序为：底板、隔板、承力 残余应力和变形就更大。因此，在斜拉桥索塔钢锚 板组成槽形，在梁长度方向由中问向两端对称焊接 梁的制作巾通常采用锤击焊缝的处理方法。锤击不 隔板与底板、腹板间角焊缝，从纵梁中间的隔板向两 仅能有效地降低和消除焊缝的残余应力，避免焊缝 边的隔板对称焊接，每个隔板的两边角焊缝应尽量 应力集中，使焊接应力均匀布置，从而提高焊接接头 对称焊接；组装顶板成箱形，焊接箱形外侧的４条主 的疲劳性能，避免疲劳开裂，而且能促进热影响区拉 角焊缝；组焊水平加劲肋、竖向加劲肋，从梁长度方 伸残余应力的释放，明显减小焊接变形，从而避免在 向的中间向两端对称焊接；组装锚下加劲板，焊接其 运行过程中由于残余应力的释放，使构件产生变形， 与承力板问熔透角焊缝；组焊加劲板以及端封板；焊 影响构件尺寸的稳定性，最终影响结构的安全性及 接其他焊缝。 使用寿命。 ５７ 加工制作 在桥梁钢结构制作中常用的锤击方法有电锤锤击 到相当于俯锤时锤体自重产生的力度，且锤坑均匀覆 盖锤击部位。超声锤击的区域为焊缝及焊趾两￣ｌ＃ｌ－延 不小于４ ｍｍ区域。根据锤击部位不同，分别将锤头对 法和超声锤击法。虽然超声锤击法提高疲劳强度的机 理与电锤锤击法基本一致，但超声锤击法设备轻巧，可 控性好，使用方便，噪声极小；而且超声锤击单位时间 内输入能量高，工作效率高，适用于各种接头，是更为 准焊缝、焊趾，保持锤击枪与焊缝、焊趾垂直，锤头与水 平板面夹角为６Ｏ。～７ｏ。，锤击后锤坑深度为０．１～Ｏ．２ ｍｍ。超声锤击区域、锤击枪角度、焊趾处锤坑示意见 图４。锤击完成后要对锤击区域进行检查。通过目测 检查锤过的焊缝表面应被光亮的均匀麻点覆盖，焊趾 部位应出现光亮、圆滑、匀顺的凹弧沟。 理想的锤击方法。苏通长江公路大桥索塔钢锚梁的锚 板与侧面拉板之间的熔透角焊缝当时采用了电锤锤击 法，而现在越来越多地采用超声锤击法。 超声锤击时尽量保持锤击枪与焊缝垂直，力度达 击枪 叶上一 ≥，Ｉ ｉ＝＝ ≥４ ．寸上Ｊ Ｉ ■ 焊趾 ｛＿ ａ一锤击枪角度．ｂ锤击区域；ｃ焊趾处锤坑 图４锤击区示意 ３．４焊前预热 母材由于焊接而被不均匀加热的程度，这样有利于 焊前预热是减小焊接应力和焊接变形的有效方 法。焊前预热可以减小构件焊接区域的温差，降低 减小焊接变形。哈尔滨松花江大桥索塔钢锚梁的焊 前预热温度和道问温度见表３。 表３焊前预热温度和道间温度 注：１）用点温计测温；２）板厚组合巾只要有１块钢板达到以ｆ：要求，必须预热；３）测温点距焊缝ｎ ５ｏ～８０ ｉｌｌｌｌｌ。 ３．５焊接变形的矫正措施 采取的焊接变形的预防、控制和矫正措施，主要包括 在钢结构制作中采取的预防和控制焊接变形的 措施大大减少了焊接变形的产生，尽管如此，焊接变 形的产生还是不可避免的。目前，生产实践中焊接 选用线能量小的焊接方法、对称结构对称焊接、锤击 焊缝和焊前预热等焊接变形的预防和控制措施，以 及冷矫和热矫等焊接变形的矫正措施。虽然这些措 变形的矫正措施主要有冷矫和热矫。构什采用冷矫 时应缓慢加力，室温不宜低于５℃，冷矫总变形率不 得大于２ ；采用热矫时，加热温度应控制在６００～ ８００℃范围，自然冷却至环境温度，严禁过烧，不宜 在同一部位多次重复加热，降至室温以前，不得锤击 构件或用水急冷。无论冷矫还是热矫，矫正后的杆 件表面不得有凹痕和其他损伤。 ４结 语 施使得索塔钢锚梁的制作Ｊｉｌｌ－Ｉ：尺寸符合设计文件的 各项要求，并在生产实践中得到了反复的应用和不 断的改进，但是有些措施成本高，效率低，甚至影响 制约着产品生产进度。闪此，有限元法等高效率、低 成本的焊接变形预测方法是值得深入研究的课题。 参考文献 ［１］ＴＢ ｌ０２１ ２ ２００９铁路钢桥制造规范Ｅｓ３． Ｅ２３ ＧＢ ５３１３ ８５厚度方向 能钢板ＥＳ３． Ｅ３３ 易伦雄．大胜关长江大桥工程特点与关键技术ＥＪ３．钢结构 ２００７，２１（５）：７８ ８Ｏ． 本文归纳总结了在索塔钢锚梁的焊接生产中所 ５８ 钢结构 ２０１１年第３期第２６卷总第１４４期