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[原创] 超厚板焊接的探索与实践 [复制链接]

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weixinyu 发表于 2017-9-5 17:28:03 |显示全部楼层 |          |
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超厚板焊接的探索与实践 ——孟加拉帕德玛大桥主桁典型杆件制造技术研究

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       孟加拉帕德玛公铁两用大桥主桁设计为全断面焊接结构,具有钢板厚、坡口复杂、熔透焊缝多、焊接变形大等特点。

       目前,国内公铁两用桁梁桥大多是栓焊结合,国际桥梁采用全焊接结构较多,但是大量采用70mm以上钢材的桥梁比较罕见。该桥的制造将推动桥梁向全焊接、超厚板方向迈进。

       本文结合孟加拉帕德玛公铁两用大桥主桁杆件结构和工艺特点,以下弦典型节点为例,对该桥主桁杆件制造工艺方案及制作过程中下料、零件加工、组装、焊接等关键工序进行了介绍,为今后此类全断面焊接结构的超厚钢板的杆件制造,提供了借鉴经验。


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整体节点全焊钢桁梁

       孟加拉帕德玛大桥主桥由7联共41孔、跨度为150m的板桁组合梁组成,其桥式布置为6×(6×150)+(5×150)=6150m。每跨均为150m的钢桁梁-预应力混凝土桥面板组合结构连续梁,上层是双向4车道公路,下层为单线铁路。

       该桥主梁为整体节点全焊钢桁梁结构,主桁采用无竖杆的三角桁式,横向两片桁布置。主桁为全焊接整体节点结构,桁高12.75m,主桁中心距12m。该桥上层公路桥面采用混凝土板结构,通过剪力钉与上弦杆相连接,其宽度为20.65m。每孔两端上弦节点处设连接横梁,下层铁路桥面采用纵、横梁结构,横梁在节点处与下弦杆连接,横梁之间横向设置4根纵梁。

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图1 孟加拉帕德玛公铁两用大桥钢桁梁局部布置图(单位:mm)

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钢板厚 坡口杂 焊缝多

       该桥钢桁梁杆件主要采用箱形断面,且主桁节点均采用全焊接整体节点结构,即杆件之间全部采用焊接连接。国内大型公铁两用桥大部分为栓焊结构,可借鉴的为合福铁路铜陵长江公铁两用斜拉大桥,该桥主梁为桁架式,桁片内采用焊接,桁片之间为栓接。该桥钢梁杆件制造总体方案为上、下弦节点为整体节点结构单独作为杆件,同上下弦直杆、斜竖杆、横梁一起在厂内制造、涂装,运输至孟加拉。

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图2 孟加拉帕德玛公铁两用大桥横断面图(单位:mm)


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       主桁杆件有以下特点:

       1. 钢板厚度大,顶板、底板、腹板厚度达70mm的随处可见,联与联处下弦底板板厚为100mm,而隔板板厚为90mm。与国内同类型的大桥相比,厚板占比重较大,对比情况见下表所示。

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孟加拉帕德玛大桥与国内已建成同类型大桥所用钢板厚度对比表

注:此表板厚包括下限,不包括上限。

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       2. 坡口复杂,特别是在节点处一般有3~4种不同形式的坡口。有的节点,同一块板的同一条边上达到5种坡口形式,不同的坡口由大到小、由主到次均需加工1:4的过渡坡。

       3. 熔透焊缝多。该桥主桁所有对接处、节点连接处、箱形主角焊缝等位置均要求熔透。

这些特点都给杆件的制造及焊接变形的控制带来很大的困难和挑战。特别是箱形杆件组焊成整体后,刚度很大,变形后极难修整,再加上该桥采用的超厚钢板,一旦变形,修整难上加难。尤其是扭曲变形,矫正已经变得不可能了。因此,对于可能产生变形的工艺工序尤其是扭曲变形,需严加控制,并采取相应措施,以达到有效的控制杆件变形的目的。经过认真分析结构特点并结合传统工艺,制定工艺流程如图3所示。

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图3 孟加拉帕德玛公铁两用大桥整体工艺流程图

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       该桥主桁上、下弦几点结构相似,本文以下弦典型节点制作过程为例介绍工艺方案。


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下料

       钢板在下料切割前,采用赶板机进行钢板赶平,以消除钢板内应力。对于超出赶板机赶平能力的超厚钢板,需火焰修整消除钢板的残余变形(尤其是局部硬弯)和扩散轧制内应力,减少切割过程中的变形,防止进厂的钢板因弯曲、翘曲等因素影响切割质量。

       全桥杆件半成品的下料精度,主要通过数控火焰切割机、数控等离子切割机来保证,数控水下等离子切割机加工出的零件变形量小、效率高。对于次要零部件或不带有曲线边缘的零部件,可采用火焰切割。

       该桥主桁节点板、隔板等均为不规则形状,需采用数控切割机精确下料,采用合理的切割顺序及增加必要的补偿量,保证其几何形状和尺寸精度。精确预留后续焊接的收缩量,实现无余量切割。在切割机上配置跟踪器,在切割过程中,当钢板受热变形时,割嘴能始终与钢板保持一致的距离,从而保证了板件的几何尺寸。


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图4 典型下弦节点图


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零件加工

       1. 节点板

       节点板的加工精度直接关系到主桁连接关系,加工节点板需进行精确画线,包括腹杆轴线、弦杆轴线、底边加工线等,并预留焊接收缩量。同一杆件的两块节点板叠合在一起加工,确保两块板的高度相同。

       2. 隔板单元

       隔板是保证杆件的高度、宽度、箱形尺寸、控制箱形杆件扭曲的重要零件,相当于箱形杆件组焊的内胎,因此要机械加工的方法严格控制隔板的高度、宽度、板边垂直度及相邻两边夹角90°为宜。加工时根据隔板坡口形式的不同预留焊接收缩量,同一箱形或者与之相邻的相同坡口的隔板,必须叠合在一起加工,加工时严格控制隔板相邻边垂直度及对角线差。

       3. 上水平板

       加工上水平板时以接料缝为基准分中画十字中心线,以中心线画加工线,机加工两边及四边坡口,画线时预留焊接收缩量。

       4 .下水平板

       加工下水平板划十字中心线,以中心线划加工线,机加工两头、横梁接头坡口,划线时预留焊接收缩量,如图5所示。

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图5 下水平板加工精度要求示意图

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图6 在下水平板上组装三块隔板和两侧节点板成槽形。焊接隔板与下水平板、节点板间角焊缝①,然后焊接节点板与下水平板间内侧焊缝②。焊接过程中可以配合火焰修整,防止焊接变形过大。修整时钢板温度不得超过650℃。

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       5. 其他零件

       加劲、接头板包括:横梁接头板、斜杆接头板。有连接关系的边,均需机械加工,确保杆件工地顺利连接。主要焊缝的坡口也需机械加工,保证相邻坡口错边≤1mm,确保工地对接及焊接质量。

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组装、焊接、修整

       因该桥杆件均为超厚钢板,且全熔透坡口较多、坡口样式复杂,焊接过程中变形也不尽相同,所以该桥杆件制造采用组装、焊接、修整工序同步进行,以防杆件制造完成后变形较大难以修整。组装、焊接、修整必须在平台或者专用胎架上进行,防止或减少在加热过程中杆件自重产生变形。如果条件允许,同类型焊缝应对称施焊。

       1. 组隔板

       工艺流程及要点:

       ①画线、组对、焊接:以人孔横纵向分中为基准,画肋板组装位置线组对。

       ②修整、修磨:保肋板与隔板的垂直度≤2mm,隔板平面度≤3mm。

       ③探伤。


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图7 组装两块隔板,然后焊接隔板与下水平板、节点板间熔透角焊缝③


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图8 组装两块隔板,然后焊接隔板与下水平板、节点板间熔透角焊缝④。


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图9 组装两块隔板,然后焊接隔板与下水平板、节点板间熔透角焊缝⑤。

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       2. T肋单元组焊

       工艺流程及要点:

       ①画线、组对、焊接:盖板分中画线,以T肋腹板有过焊孔一头为基准组对。

       ②修整、修磨:矫正后允许变形范围满足规范要求。

       ③探伤。

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       3. 组槽形及箱内加劲

       工艺流程及要点:

       ①画线:平台上,校核下水平板横纵向中心线,以横纵向中心线为基准画隔板、隔板单元组装位置线。对照施工图,辨别竖板的坡口、方向标记,校验一侧竖板系统线,将系统线返至另一面并用低应力样冲标记,在杆件外表面竖板侧打写杆号、方向标记。

       ②组对:确保靠横梁接头侧隔板面在一条直线上,保隔板与下水平板的垂直度≤1mm。确保两竖板的横向中心线以下水平板的横向中心线对齐,偏差≤0.5mm,采取必要的工艺措施组对,确保两竖板间组装尺寸公差要求:箱口宽+2 +1,下水平板与竖板的垂直度≤1mm。

       ③焊接:注意焊缝变化区域,槽形焊不得翻身,采取合理的施焊顺序保支座处下水平板的平面度。


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图10 组装支撑加劲肋,然后焊接加劲肋与下水平板、节点板间焊缝⑥。


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图11 组装支撑加劲肋,然后焊接加劲肋与下水平板、节点板间焊缝⑦。


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图12 组装两块隔板,然后焊接隔板与下水平板、节点板间角焊缝⑧。

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       4. 组上水平板成箱形

       工艺流程及要点:

       ①画线、组对:以下水平板和两侧竖板的横向立体围线为基准,分中组对,确保尺寸公差要求:箱口总宽+20、高+2+1,对角线差≤2mm。

       ②焊接:竖板与水平板间的焊缝要求同向对称施焊,边焊边修。

       ③修整、修磨:两端箱口对角线差≤2mm,旁弯≤3mm,扭曲≤3mm,支座范围下水平板平面度≤1mm。

       组装上水平板,将杆件旋转90°,焊接上水平板与隔板间角焊缝⑨。然后焊接一块节点板与上水平板间内侧角焊缝⑩。焊接过程中配合火焰修整,防止焊接变形过大。

       将杆件旋转180°,焊接另一块节点板与上水平板间内侧角焊缝。然后焊接下水平板与节点板间箱外焊缝。焊接过程中配合火焰修整,防止焊接变形过大。

       将杆件旋转180°,焊接下水平板与节点板间箱外焊缝13。焊接过程中配合火焰修整,防止焊接变形过大。

       将杆件旋转90°,焊接上水平板与节点板间箱外焊缝14。焊接过程中配合火焰修整,防止焊接变形过大。


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       5. 组斜杆接头、横梁接头及箱外侧加劲肋

       工艺流程及要点:

       ①画线、组对:以竖板系统线为基准,画腹板接头板及隔板位置线,组对腹杆接头板窄端(无坡口端)朝向箱形侧,保腹杆端箱口几何尺寸:箱口宽+20、高+20、对角线差≤2mm。以竖板及下水平板节点中心线为基准画T肋、横梁接头板组装位置线,采取必要的工艺措施,保横梁接头端两个箱口几何尺寸:箱口总宽+20、高+2+1、两端箱口对角线差≤2mm。

       ②焊接:焊缝要求同向对称施焊。

       ③修整、修磨:对角线差≤2mm。

       ④探伤。

       组装斜杆接头板,将杆件旋转90°,焊接斜杆接头板与上水平板间熔透角焊缝15。然后焊接斜杆接头板与一块节点板间焊缝16。

       将杆件旋转180°,焊接斜杆接头板与另一块节点板间焊缝17。

       组装下横梁接头板,然后焊接熔透角焊缝18。焊接过程中配合火焰修整,防止焊接变形过大。

       组装外侧支座加劲肋和下横梁接头板内的隔板,然后焊接熔透角焊缝19和其他角焊缝20、21和22。焊接过程中配合火焰修整,防止焊接变形过大。


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图13 整体节点翻身焊接示意图

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其他措施

       1. 分析研究焊缝构成,制定了合理的焊接顺序,提高焊缝一次合格率,减少焊缝修补。

       2. 使用专用翻转胎具及吊具,保证杆件在起吊、翻身、打调时平稳安全,防止因吊运、翻转不当造成杆件塑性变形。

       3. 对于熔透角焊缝,采用焊接线能量小的焊接方法,并开双面坡口,平位焊接,从两侧同向对称施焊。

       4. 焊接过程中,严格控制道间温度,并注意观察焊接变形情况,及时配合火焰修整进行矫正。

       5. 采用焊接自动化技术,稳定控制焊接质量,避免人工技能差别的影响。同时由于机械化、自动化程度高,显著提高工效,缩短生产周期,降低制造成本。

       针对孟加拉帕德玛大桥杆件制造特点和工艺难点,通过以上工艺的技术研究,以及关键工序、关键环节的控制和不断完善,有效地控制了主桁杆件的尺寸精度和变形,确保了杆件质量。经过孟加拉工地现场拼装及加载试验验证,主桁杆件的质量完全符合要求,提升了我国钢结构桥梁制造的国际影响力,为同类桥梁设计和施工提供参考。


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作       者:祁红伟 李久成 李铭

作者单位:中铁山桥集团有限公司


编辑:王硕$ I' {9 W5 P, D0 D

美编:欣钰

审校:廖玲

《桥梁》2017年第二期 总第76期

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