超厚板焊接的探索与实践

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

       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。

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)

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。

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。

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。

       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。

图3 孟加拉帕德玛公铁两用大桥整体工艺流程图

       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。

图5 下水平板加工精度要求示意图

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℃。

       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。

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。

       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

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

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编辑：王硕

美编：欣钰

审校：廖玲

《桥梁》2017年第二期 总第76期