合江长江一桥拱桁钢结构现场焊接工艺

王建军，冯 智，韩 玉，秦大燕

（广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530011）

0 引言

钢管混凝土拱肋是钢管混凝土拱桥的主承重结构，拱肋桁架钢结构焊接是桥梁总体质量控制的关键环节之一，如控制不好极易留下质量隐患，导致施工缺陷，并进而影响结构使用的耐久性和安全性［1］。拱肋桁架钢结构现场焊接的环境复杂多变，控制难度较大，必须进行针对性的分析，采取合理的工艺，才能保证焊接质量和结构安全。

1 背景工程介绍

合江长江一桥主拱主跨径530m，为世界最大跨径的钢管混凝土拱桥，净矢跨比为1／4.5，拱轴系数为1.45。拱脚截面径向高16.0m，拱顶截面径向高8.0m，拱桁宽4.0m。每个拱桁由4根φ1 320钢管组成，壁厚按位置不同而变化，分别为22mm、26mm、30mm、34mm。管内灌 C60混凝土的钢管混凝土弦管。横联钢管为φ762×16mm，竖向腹管为φ660×12mm。大桥总体布置图见图1。

大桥拱桁钢结构总重量达到7 270t，分成40个节段进行现场吊装和焊接，虽然已经尽量进行大节段制作（最大节段重量达192t），但是现场焊接的工作量仍然不小。

图1 合江长江一桥设计总体布置图

2 焊接工艺评定

在进行钢结构的正式焊接前，首先进行焊接工艺评定，依此确定焊接使用焊材、焊缝坡口形式以及基本焊接工艺。

工艺评定选用与产品材质一致的板材，以碳、磷、硫偏上限含量为依据进行试验。为使焊接工艺评定试验具有代表性，试验中尽可能模拟焊接坡口、根部间隙等参数的极限值。进行工艺评定试验前，对焊材进行复验，选用合格材料用于试验。焊接工艺评定详细内容见表1。

表1 焊接工艺评定内容表

3 焊接方法及相关要求

合江长江一桥钢结构的腹杆、横联管与主拱肋弦杆间相贯线焊缝采用药芯焊丝气体保护焊接，钢管纵环焊缝及格子梁采用二氧化碳气体保护焊加自动埋弧焊的焊接方法。

根据焊接工艺评定试验结果确定焊接材料，并遵循“低组配”原则，使用CHT－711φ1.2型药芯焊丝和H10Mn2φ5.0型埋弧焊丝，根据工艺评定结果确定的焊接方法见表2。

表2 主要项目的焊接方法表

不同焊缝划分、间距、接头板件接长等须满足相关规范规定。

针对拱桁钢结构现场焊接特点，结合以往工程经验和规范要求，确定了工程焊接的一般方法，关键措施包括：

（1）焊接前必须清理焊缝区域范围内的污染和杂物。

（2）按规范要求需进行焊接前预热的，通过焊接工艺评定试验确定预热温度、细化相关预热要求。

（3）定位焊焊接长度、间距等参数参照规范及以往工程经验确定，避免出现夹渣、裂纹、焊瘤、气孔等缺陷；如果存在开裂现象，在查明原因后采用碳弧气刨清除原焊缝，再进行重新定位；定位工装通过气割割除，首先保留一定的余量，然后铲除余量后进行磨平；定位焊采用二氧化碳气体保护半自动焊或者手工电弧焊。

（4）在埋弧自动焊过程中出现断弧现象的，进行断弧处刨坡后搭接焊处理。

（5）对接焊缝焊接时，在焊缝两端装设引、熄弧板，引、熄弧板的材质、坡口形式与母材保持一致。

（6）通过点温度计进行焊接过程中的温度监控。

（7）严格控制角焊缝的转角处包角。

（8）风速＞2m／s情况下的气体保护焊，或风速＞8m／s时的手工电弧焊，必须采取挡风措施，以免焊缝出现气孔。

当需要进行焊缝返修时，参照以下方法进行：

（1）焊脚尺寸和焊缝咬边不达标时，通过手工电弧焊进行补焊，然后用砂轮机进行修磨达到匀顺。

（2）焊缝内部出现缺陷的，通过砂轮机或碳弧气刨清除，再采用二氧化碳气体保护焊或手工电弧焊来返修焊接。

（3）焊波、余高及焊缝咬边超标时，使用砂轮机进行修磨以保证匀顺。

（4）返修焊缝质量要求与原焊缝相同。

（5）焊缝同一部位返修不允许超过两次。

4 提高焊缝抗疲劳、耐久性措施

在大桥方案比选阶段，交通运输部主持的风险评估中包括2个IV级风险：（1）钢管混凝土施工及质量方面；（2）焊缝缺陷严重。对于焊缝缺陷，一大顾虑是担心在钢管拱施工阶段焊缝产生缺陷未被发现处理，在运营阶段由于荷载疲劳等影响出现破坏等损伤，最突出表现就是节点疲劳破坏。

为避免由于焊接施工导致的疲劳破坏，在施工管理上采取如下措施：

（1）严格按焊接工艺评定施工。

（2）严格焊工考试、持证上岗。

（3）严格控制焊接施工条件。

（4）采取焊后修磨措施：焊缝焊接完成后用砂轮机对其进行打磨，将焊缝的咬边、毛刺、余高超标部分修磨匀顺；对拱肋斜腹管与弦管的相贯焊缝等应力较大部位，用高转速的砂轮机将焊缝趾部打磨，打磨深度0.5～0.8mm（见图2）。

在设计文件中，对特殊部位的焊缝，特别注明要求对焊缝进行焊后修磨，且要求该焊缝的施工工人必须达到三级焊接水平，对焊缝修磨工艺必须在施工组织设计及钢结构加工制造设计文件中，立专项内容论证说明其实施工艺，验收表格中，应增添专项栏目进行记录，焊缝修磨不合格者，不能进入下道工艺，必须返工整理。特别要求修磨部位主要是桥面格子纵横梁下翼缘与腹板焊缝的倒角处、纵梁下翼缘与横梁腹板焊接处、拱肋部分腹管与弦管相贯焊缝处等部位。

根据巫山长江大桥及以前的研究结果可知：对比钢管节点，钢管混凝土节点的应力集中系数明显减小，抗疲劳性能更好；节点的主管径厚比、管径比、主支管壁厚比等参数对其极限承载能力和破坏模式影响显著；节点焊接接头良好的话，可以达到更高的疲劳强度，满足设计使用寿命要求。合江长江一桥设计上充分考虑了上述研究结论，在施工上严格按钢结构制作规程和设计要求进行控制，并严格落实焊后修磨措施，做到即使是空钢管节点也能达到设计要求，因而钢管混凝土节点的安全耐久性更有保障。

图2 焊后修磨示意图

5 关键部位焊接变形控制

关键部位的焊接变形，若不加以控制，对局部受力影响显著，对整体线形也会产生累积变形效应［6］，因此采用如下控制措施：

（1）管对接焊缝，使用对称焊接的方式，安排2名焊工，在钢管两侧匀速对称进行接头焊缝焊接。焊接前，用定位码板将钢管临时固定，并控制焊缝间隙。

（2）采用预置反变形措施，将钢管沿焊缝收缩变形的反方向设置一定的预拱度，使焊缝收缩后正好形成所需的线形。

6 实际应用效果

在合江长江一桥的实际拱桁钢结构现场焊接施工中，严格按照本文措施进行焊接质量控制，取得了良好效果。

以控制难度最大的拱肋高空对接焊为例，超声波无损检测表明，焊缝一次性检测合格率为98.6%［7］，返修后达到100%，有效保障了成桥质量，也为大桥运营阶段的安全性和耐久性奠定了良好基础。

7 结语

拱肋钢结构的焊接质量，对大桥的质量、安全和耐久性影响显著，通过合江长江一桥拱桁钢结构的焊接工艺进行分析和实践，得到以下结论：

（1）正式焊接前进行合理的焊接工艺评定，确定了焊接使用焊材、焊缝坡口形式以及基本焊接工艺。

（2）针对拱桁钢结构现场焊接特点，结合以往工程经验和规范要求，确定不同焊接项目的不同焊接方法、工程焊接的一般方法以及焊缝返修方法，保证焊接质量、提高工作效率。

（3）通过严控工艺流程、人员资格、焊接环境等方面的管理，采取具体焊后修磨措施，保障焊缝的抗疲劳和耐久性。

（4）对关键部位采取特定的焊接变形控制措施，避免局部应力集中，保证大桥成桥线形质量。

（5）在合江长江一桥拱桁钢结构现场焊接施工应用，有效保证了焊接质量，为大桥的顺利完工以及运营阶段的安全耐久奠定了基础。

［1］赖俊荣，李小陆.丫髻沙大桥钢管拱肋的焊接［J］.铁道标准设计，2001（6）：47－49.

［2］GB／T 2650－2008，焊接接头冲击试验方法［S］.

［3］GB／T 2651－2008，焊接接头拉伸试验方法［S］.

［4］GB／T 2652－2008，焊缝及熔敷金属拉伸试验方法［S］.

［5］GB／T 2653－2008，焊接接头弯曲及压扁试验方法［S］.

［6］赵智强，无风撑背靠式钢管拱肋焊接变形控制技术［J］.建材世界，2010（2）：79－81.

［7］杨占峰，王东霞，覃 碧，合江长江一桥钢管拱肋高空焊接质量控制分析［J］.西部交通科技，2014（7）：88－91.