【钢桥加工】钢桥梁制造有关问题(1-7)

同豪泥瓦匠2019-06-10 16:37:52

      中铁宝桥集团有限公司是国内专业生产钢桥梁、钢结构、铁路道岔、高锰钢辙叉、城市轨道交通设备、门式起重机等产品的大型国有企业,是"中国100家最大交通运输设备制造业企业"之一,跻身于"中国机械行业500强"之列。公司被铁道部确立为"铁道器材研究发展基地",陕西省科委认定为"高新技术企业"。本文收录的文章,都是由中铁宝桥相关专家制作、整理和成文,本公众号仅为转载,版权归中铁宝桥,方便大家学习。

内容提要,大家可以按照需要自行参看:

第一章:对钢桁梁桥整体节点杆件与腹杆配合公差及相关标准的探讨;

第二章:港珠澳大桥组合梁建造技术;

第三章:港珠澳大桥CB05-G2标钢塔制作技术创新;

第四章:钢桥焊缝细节设计常见误区探析;

第五章:正交异性钢桥面板疲劳控制技术最新发展探析;

第六章:浅议组合钢板梁接头合理设计;

第七章:桥梁钢结构用高强度螺栓施工及断裂介绍。

专家简介

1、李军平(1965-),男,教授级高级工程师,1989年毕业于兰州铁道学院桥梁工程专业,获工学学士;2005年毕业于清华大学建筑与土木工程专业,获工程管理硕士学位,曾主持完成了10多个有影响力的大型钢桥梁项目。

2、张剑峰,1977年出生,2000年毕业于西南交通大学焊接专业,高级工程师,中铁宝桥二级专家。

3、车平,1975年出生,1999年毕业于大连铁道学院焊接专业,高级工程师,中铁宝桥焊接专家。

4、刘治国,1978年出生,毕业于兰州交通大学土木工程专业,高级工程师,中铁宝桥集团科技专家。

 

第一章:对钢桁梁桥整体节点杆件与腹杆配合公差及相关标准的探讨;

序言    

  记得原铁道部某位领导曾说过,中国高铁要走出去,首先遇到了成本方面的压力,和日本等国相比,必须转换思路,追求经济、合理。同样,要更多地参与国际桥梁工程的竞标,也必须保证价格上的优势,尤其对于总承包项目而言,合理的设计和标准要求,是保证价格优势的关键。就标准而言,每增加一个标准要求或加严标准要求,都需付出成本上的代价。要想让我国由桥梁大国尽快成为桥梁强国,必须建立合理的标准体系。这里刊发一篇发表于2015年第5期《铁道标准设计》上的文章,该文尽管在发表前经过了两位资深钢桁梁专家的审核把关,但也难免有不足之处,敬请大家批评指正。


对钢桁梁桥整体节点杆件与腹杆配合公差及相关标准的探讨


摘 要:由于《铁路钢桥施工规范》等标准对钢桁梁桥整体节点杆件的安装验收没有明确的标准规定,为了确保该类钢梁桥制造、安装工作的顺利进行,结合芜湖长江大桥及类似桥遇到的问题,兼顾复杂钢梁杆件制造公差的合理、匹配要求,提出了对相关规范的补充完善建议,可供规范修订时参考。

关键词:钢桁梁桥;整体节点杆件;配合公差;探讨 

1.概述      

  自从2000年建成我国第一座整体节点钢桁梁桥—芜湖长江公铁两用大桥以来,整体节点结构因其可大大缩短架设周期、节省高强度螺栓、受力更为合理可靠等原因,得到了大力推广,之后的公、铁路钢桁梁桥基本均采用整体节点结构,然而,由于安装架设执行的标准《铁路桥涵施工规范》(TBJ203-96)仍然是按以前散装节点结构制订的,给制造、施工带来了许多麻烦,因此,有必要根据其结构特点等制定相应、合理可行的安装架设验收标准,以及制定合理匹配的制造标准。

2.以往存在的问题

(1) 芜湖长江大桥钢梁整体节点杆件安装时存在的问题。

   该桥安装时间为1998年底到2000年5月,根据《铁路桥涵施工规范》(TBJ203-96),桥位安装时,弦杆、节点板和拼接板 的板层密贴情况应满足0.3mm插片深入板层缝隙深度不大于20mm。而芜湖桥在安装时,部分箱形腹杆不能满足标准要求(工形腹杆由于刚性小高强度螺栓施拧后问题不大),考虑到该桥钢梁是厚板焊接、整体节点新结构,采用插入方式和大边距的形式,在TBJ203-96标准中根本没有这类杆件的安装验收要求。节点拼接板缝验收标准的确定应满足传力要求和科学评价、从严要求的原则。考虑到TBJ203-96标准是按散装节点制定的,且以前节点板厚在32mm以下,以前钢桁梁桥主桁一般采用φ26孔、M24高强度螺栓,孔边距为40、50mm,而芜湖桥节点钉孔边距达到120mm,故专家提议并最后决定:节点钉孔边距为120mm时,按0.3mm塞尺伸进板缝深度不大于80mm进行验收;同时,要求节点安装完成后,应采用合适的材料将板缝密封,以防雨水进入,造成板层间锈蚀。

  另外,芜湖长江大桥制造规则规定,主桁弦杆允许偏差B为0~+1.5mm(见图1),主桁箱形斜杆允许偏差H-3.0-1.0 mm(图2),根据前期架设取得的数据,要求对钢梁制造规则进一步改进,提高制造、拼装精度,减少板层缝隙和深度,建议主桁弦杆允许偏差B不变,主桁箱形斜杆允许偏差H-2.0-0.5mm执行。

(2)2008~2009年制造安装的郑州黄河铁路大桥,安装时遇到的问题。

  2002年对《铁路桥涵施工规范》进行了修订,但仍然是针对散装节点结构的,标准号改为TB10203-2002,对弦杆、节点板和拼接板安装提出了如下要求:由板厚小于32mm组成的板束,其板层密贴情况应满足0.3mm插片深入板层缝隙深度不大于  20mm的规定,对板厚大于32mm的未提,也未考虑钉孔边距情况。

  京广客专郑州黄河桥(以下简称“郑黄桥”)为公铁两用钢桁梁桥,插入式腹杆允许偏差H为-1.5~-0.5mm,整体节点杆件节点板间距允许偏差为0~+1.5mm(图3),且该桥采用三主桁、斜边桁主梁设计为国内首次采用,以满足桥面上宽下窄的要求,下层四线铁路、上层六车道公路,其两边桁整体节点杆件为腹板及节点板与盖板非垂直结构,断面为平行四边形,制作及桥位安装难度更大。由于节点板根部焊接变形不好控制,加之节点板与腹杆连接的孔群距根部仅120mm,根据试装时腹杆插入较难的实际情况,为了确保安装顺利,制造厂把腹杆端部的插入尺寸调整小了,结果导致了桥位安装后节点板与腹杆安装并施拧高强度螺栓后,不能满足TB10203-2002的情况,经多次开会研究,确定了对已安装的杆件参照芜湖桥的处理办法、未安装及正在制作的严格控制单件精度的处理意见。

(3)其他整体节点钢桁梁桥情况。

  据参与芜湖桥、郑黄桥等桥安装问题处理的资深专家介绍,渝怀铁路长寿长江大桥、京广客专武汉天兴洲大桥也遇到过类似的问题,都是参照芜湖桥处理办法处理的。据查,这两座桥的整体节点杆件节点板间距和腹杆的插入尺寸允许偏差和郑黄桥是一致的。

  另外,为了避免出现类似问题,南京大胜关桥、黄冈公铁两用桥将其箱形腹杆与整体节点杆件的连接采取了对拼连接方式,但这样整体节点结构的优点没有充分体现出来,也许是一种无奈的作法。

3.对整体节点与腹杆合理公差配合及相关制造公差的建议  

3.1 关于整体节点杆件的安装标准问题。

    不管是《铁路桥涵施工规范》(TBJ203-96),还是修订后的TB10203-2002标准,主要是针对散装节点的,节点板厚度也不大于32mm,缺少整体节点结构和节点板厚度大于32mm的相关内容;2005年原铁道部组织编写的《客运专线铁路桥涵工程施工技术指南》(TZ213-2005)也没有整体节点杆件安装的相关标准要求。而且,从整体节点结构出现以后,在安装时一直存在问题,但没有针对该结构形式对施工规范增加相应的条款,而是一味地提高杆件的制造精度要求,这是难以解决问题的。

3.2 芜湖桥制造规则要求及安装存在问题分析

  经专家评审通过的制造规则要求:插入式腹杆的插入尺寸允许偏差为-3.0~-1.0(公差带为2mm),整体节点杆件节点板的间距尺寸允许偏差为0~+1.5mm,这个公差配合本是合理的,但安装时按TBJ203-96标准验收不能满足要求,当时参与处理的多位资深专家认为,主要是整体节点这种新结构的缘故,该标准不适合,即散装节点及板厚不大于32mm、孔边距40、50mm的情况与芜湖桥相差甚远,芜湖桥整体节点杆件板厚达50mm,钉孔边距达到120mm,故专家提出的节点钉孔边距为120mm时,按0.3mm塞尺伸进板缝深度不大于80mm进行验收比验标严了,因为过去孔边距为40、50mm时,插入20mm时距孔心20或30mm,而该处理意见塞尺可到之处距孔心还有40mm。尽管后期对腹杆的插入尺寸允许偏差提出了按-2.0~-0.5mm控制的内控标准要求,有所好转但不尽合理、且未彻底得到解决。

3.3 郑黄桥、天兴洲桥、长寿桥等相关标准及安装存在问题分析

  郑黄桥、天兴洲桥等将插入式腹杆与整体节点杆件节点板的配合公差进一步缩小,由芜湖桥的配合间隙4.5mm降低到3.0mm,理应得到好转,但仍然按TB10203-2002标准验收有一定问题,分析原因,该标准同样不适合整体节点结构,另外一个原因是杆件的安装配合公差须合理,不是越严越好,如插入式腹杆允许偏差H定为-1.5~-0.5mm,显然是极不合理的,因为箱形腹杆采用棱角焊缝焊接,焊接时必然有一定的焊接收缩量,该收缩量本身有一定的离散性,且钢板还有轧制公差,给1mm的公差带根本是无法达到的。另外,3mm的配合间隙加上涂装面的影响,实际间隙最大2mm,由于间隙过小,在安装时会对摩擦面造成损伤。

3.4 对整体节点杆件制造标准及安装验收标准的建议

    实践证明,整体节点杆件节点板间距允许偏差采用0~+1.5mm是合理的,《铁路钢桥制造规范》(TB10212-2009)及该类大桥的制造规则都是按这个标准要求的。而对于插入式腹杆的插入尺寸允许偏差有一定差别:

  (1)TB102122009标准插入式腹杆的允许偏差H-1.50,一是公差带1.5mm偏小,以前历次修订的规范,较复杂焊接构件的允许偏差公差带一般为2mm,小了不容易达到或只能通过矫正等可能影响内在质量的办法达到,另一个不合适之处是公差走上限及涂装面厚度的影响,几乎没有一点间隙甚至过盈配合,不但安装有难度,可能要严重损伤摩擦面,得不偿失。

  (2)郑黄桥、天兴洲桥等插入式腹杆的允许偏差H定为-1.5-0.5mm,公差带仅1mm,对于焊接量较大的箱形腹杆来说,更是难以达到,只是个纸面标准而已。

  (3)芜湖桥插入式腹杆允许偏差H采用-3.0-1.0mm应该是合理的(2mm公差带比日本等发达国家要严的多,也比《铁路钢桥制造规范》中联结系及横梁杆件高度允许偏差±1.5mm的要求严,和纵梁的高度允许偏差±1.0mm相当,而联结系、纵横梁大多为结构较为简单的工形构件),这样安装时,腹杆与弦杆节点板的理论间隙为1.04.5mm,既有一定的安装间隙,又不会出现间隙过大现象(因涂装面还要吃掉1mm的间隙)。

  至于《铁路桥涵施工规范》(TB102032002)中的安装间隙检查标准,因没有针对整体节点结构及板厚大于32mm的,应给予补充。参照散装节点及板厚不大于32mm的标准,钉孔边距40mm50mm0.3mm塞尺插入深度不大于20mm,栓孔中心距插入处≥30mm即可,考虑到摩擦传力机理,对钉孔边距不一致的情况,不应该按一个标准来要求。再保守一些,最外排孔的密贴范围增加到40mm,即当采用120mm的钉孔边距时,塞尺的插入深度不大于80mm即可;当采用100mm的钉孔边距时,塞尺的插入深度不大于60mm即可。或者规定,采用整体节点结构形式的桥梁,塞尺的插入深度处距钉孔中心不得大于40mm。芜湖桥采用这一处理方法,已运营了15年没有问题,之后的多座桥参照芜湖桥的处理办法处理也应该是没有问题的。故应尽早对相关规范进行补充完善,确保杆件制作公差合理、现场安装时能有个合理可行的标准执行。

4.结语

  通过以上分析,建议对《铁路桥涵施工规范》中的整体节点杆件及板厚大于32mm的安装间隙检查标准应补充如下:0.3mm塞尺插入深度处距钉孔中心不得大于40mm;该类钢桥梁制造规则规定:整体节点杆件节点板间距允许偏差采用0+1.5mm,插入式腹杆的允许偏差采用-3.0-1.0mm。这样,既保证了规范的完整性,又能够保证结构安全,且能方便制造和安装。这样才能做到标准的完善、合理。



第二章:港珠澳大桥组合梁建造技术;

序言

港珠澳大桥提出的“大型化、工厂化、标准化、装配化”的“四化”理念,为高质量的完成该重大工程发挥了重要作用。

在港珠澳大桥项目上,我们中铁宝桥承制了浅水区非通航孔航道桥和九洲航道桥组合梁之钢主梁、九洲航道桥钢塔的制造任务,研发应用了多项新技术、新工艺,得到了管理局的高度评价,认为“……,将钢主梁、钢塔制作精度和质量提升到一个新的高度,开创了总拼生产自动化的先河,推动了行业进步,为港珠澳大桥建设树立了典范!”

谨以发表于《中国钢结构协会桥梁钢结构分会第十次学术年论文集》(2015年10月)后又推荐到《钢结构》2016年第11期发表的文章,纪念港珠澳大桥“四化”理念的实施及即将全桥的贯通。

在此,衷心感谢管理局领导、设计、监理及中铁大桥局港珠澳大桥CB05标项目部领导给予的大力支持和指导、帮助!

港珠澳大桥组合梁建造技术

摘 要结合港珠澳大桥组合梁桥的工程概况、结构特点及难点,本文系统介绍了港珠澳桥组合梁的总体施工方案设计,以及桥面板预制的质量控制措施、钢主梁制作技术、预拼装、桥面板叠合、组合梁节段的装船、运输、吊装、桥位连接、体系转换等,并重点对钢主梁制造过程中采用的自动化、机械化施工工艺和无码组焊、线形控制等技术进行了阐述,研究表明:组合梁总体施工方案合理可行,施工质量、几何精度及线形等控制措施得当。

关键词:组合梁 钢主梁 制造 桥面板叠合 装船运输 桥位施工

1 工程概况

港珠澳大桥是由隧、岛、桥组成的跨海交通集群工程,是中国交通建设史上技术最复杂、环保要求最高、建设要求及标准最高的工程之一。港珠澳大桥浅水区非通航孔桥(简称“浅水区桥”)和九洲航道桥(简称“九洲桥”)全部采用组合梁结构,桥跨布置从西向东依次为:浅水区桥(6×85+5×85)m+九洲桥(85+127.5+268+127.5+85)m +浅水区桥[5×85+8×(6×85)]m,总长6133m。组合梁采用整墩分幅布置,桥面总宽33.1m;每幅梁段为单箱单室结构,单幅桥宽16.3m,截面中心线处梁高4.3m(见图1)。

为了减少海上作业时间,对组合梁采用了大节段吊装方案,以浅水区桥为例,单孔组合梁外形尺寸为85×16.3×4.38m,最大吊装重量1900t,采用整孔装船、运输、吊装并逐孔合龙的施工方案。


图1 浅水区非通航孔桥断面图

结构特点及难点

 组合梁由混凝土桥面板和槽型钢主梁叠合而成,标准节段长度达85m,在制作过程中,要历经几个工况,支撑状态不一致,对总体线形控制有一定难度。

 钢主梁节段为不对称开口槽型结构,结构中性轴靠近底板一侧(钢主梁由上翼缘板、腹板、底板、横隔板等组成,其中心线处高3.78m、顶宽9.3m、底宽6.7m),其几何尺寸精度的控制有一定的难度(标准要求:梁高±2mm,横断面对角线差≤4mm)。

 钢主梁节段所用钢板较厚(主体结构采用Q345qD),顶板厚24、48mm,腹板厚18~28mm,底板厚20~44mm,支座处横隔板厚24mm,中支点处横隔板厚48mm,制作过程中焊接量较大、焊接变形也大,而本项目要求采用无码组焊工艺,给焊接变形及几何精度的控制带来了难题。

 大节段组合梁的装船、运输、吊装有一定的难度。

3. 组合梁总体施工方案设计

根据桥位施工条件,考虑有利于环境保护、有利于质量控制和缩短桥位施工周期及降低成本等因素,确定了在厂内预制桥面板、厂内制作钢主梁大节段并在总拼场地叠合桥面板、整体吊装的总体施工方案。总体施工流程(见图2)。 



图2 组合梁施工流程

4. 组合梁制作质量及精度控制措施

4.1 桥面板预制质量控制

预制桥面板标准长度4m、 宽16.5m(断面尺寸见图3),重约70t,桥面板采用C60混凝土,现浇缝采用微膨胀C60混凝土。桥面板采用环氧钢筋,桥面板制造精度要求高(mm):板厚(0,+4);板长、宽:±4;对角线高差:±5;板底平整度:±1;侧向弯曲矢度:<5。为了确保桥面板的预制质量,整个预制过程在厂房内完成,且采用专用模具保证钢筋成形精度及标准统一,在专用胎位上预制。桥面板预制过程(见图4)。

桥面板预制完成后,需存放6个月以后使用,且堆码不能超过6层,见图5。



图3 桥面板断面图




图4 桥面板预制


图5 桥面板存放(≥6个月)


4.2 钢主梁制作技术

钢主梁节段制作精度是组合梁精度控制的关键,为确保其制造质量及几何精度,制定了“板单元→制造分段→钢主梁节段→预拼装”的制作方案(见图6),并采取了在胎架上一次性制作、尽量采取自动化、机械化施焊方案及无码组焊等多种工艺措施。


图6 钢主梁节段制作工艺流程

4.2.1 板单元制作技术

 底板单元制作。

钢主梁底板宽6.7m分为2个底板单元,长8m~10.2m。采取了专用组装设备组装、门式多电极平位反变形对称焊接方案(见图7);对“二拼”板单元采用了无码组焊的方案,减少了对母材的损伤并提高了效率(见图8)。


图7 底板单元对称焊接

图8“二拼”板单元对接


 横隔板单元制作。

采用了在专用平台上固定、焊接机器人焊接的方案(见图9)。


图9 隔板单元组装、焊接


⑶ 腹板单元制作。

整个制作过程均采取了无码、反变形或约束控制焊接变形的措施及机械化施焊方案,效果良好(见图10)。


图10a 腹板纵肋和腹板船位反变形焊接

图10b 腹板与横肋船位焊接



图10c 腹板单元与顶板约束焊接
图10d 腹板单元船位埋弧盖面


图10 腹板单元组焊过程

4.2.2 钢主梁节段整体焊接变形及几何精度的控制

采用刚性固定、预设反变形及配重等自约束与它约束相结合的方案(见图11),实现了无码组焊工艺的成功应用,避免了以往使用码板对母材的损伤,并确保了钢主梁节段的几何精度;开发的钢主梁节段自动化焊接及群控新技术(见图1213),减轻了员工劳动强度、提高了生产效率及质量的稳定性。


图11a 底板对接时焊接变形约束措施

图11b 腹板对接时焊接变形约束措施

图11c 节段接长时接口预变形及配重控制措施

图11 钢主梁节段焊接变形约束措施



图12a 腹板横向对接自动焊接

图12b 腹板与底板对接自动焊接


图12 腹板横向对接及与底板对接焊技术


图13 焊接群控技术

4.2.3 预拼装

预拼装是钢主梁制作的关键工序之一,对于确保钢主梁节段线形至关重要。其中钢主梁节段在总拼胎架上一次匹配制作完成后,与下一个梁段的小节段先进行预拼,之后,该小节段参与下一个钢主梁节段的制作(见图14),以此类推。


图14a 钢主梁节段与小节段预拼装 

图14b 预拼装接缝错台检测 

图14 钢主梁节段与相邻小节段预拼装


4.3 钢主梁叠合桥面板形成组合梁

钢主梁节段制作完成后,运到专用厂房进行打砂、涂装作业,之后,运到专用台座上叠合桥面板。叠合时,采用橡胶条防止现浇混凝土外露;按设计要求,采用四点支撑进行线形调整和控制。桥面板叠合过程见图15


图15a 桥面板吊装叠合

图15b 待浇湿接缝梁段


图15 桥面板叠合

4.4 组合梁节段的装船、运输、吊装措施

组合梁节段最大重量1900t,选择了3000t的“天一”号运架一体船完成组合梁的装船、运输及吊装作业。利用专用吊具、两个抬梁吊装,为了避免梁段变形,在钢主梁内抬梁对应位置进行了加固。见图1619


图16 钢主梁内吊点加固

图17 码头提梁及船上固定



图18 组合梁海上运输
图19 组合梁桥位架设


4.5 组合梁桥位连接及体系转换

梁段吊装完成后,先进行精确调整、支座灌浆、落梁、撤除临时支座;再吊装下一片梁段,精确调整、环缝焊接,支座灌浆、落梁、临时支座撤除;……;一联梁段架完、焊接成连续梁。两支承墩起顶,完成墩顶布置及相应湿接缝钢筋、模板、混凝土及预应力等施工。

5 取得效果

通过多项措施的实施,有效保证了组合梁的建造质量,其各主要项点的检测结果均满足标准要求,尤其是成桥线形、支座偏位、桥位连接质量等均达到了标准要求,表明组合梁总体施工方案合理可行,施工质量、几何精度及线形等控制措施得当。

6 结束语

针对组合梁结构特点及制作难点,制定了科学合理的施工方案;研发了钢主梁板单元机械化、自动化制作技术及钢主梁无码组焊和焊接机械化施工及群控新技术,开创了钢梁制造和总拼自动化的先河,推动了行业技术进步;混凝土桥面板实现了车间化生产、厂内叠合;解决了超大构件的装船、运输及吊装难题,大大减少了桥位工作量、提高了产品质量;成功实现了体系转换,有效保证了组合梁的成桥线形。这一切成果的应用,确保了这一世界级跨海大桥项目的顺利进行,为以后类似桥梁的建造积累了经验。


第三章:港珠澳大桥CB05-G2标钢塔制作技术创新;


前言:

中铁宝桥在完成了中国第一桥梁钢塔、世界第一曲线钢塔-南京三桥钢塔柱、泰州长江大桥三塔两跨过千米悬索桥之钢中塔(世界第一高度的纵向人字型、横向门式框架型钢塔)及徽派风格的马鞍山长江大桥(同样是三塔两跨过千米的悬索桥)钢中塔、宁波大榭二桥钢塔柱、南京青奥会桥“南京眼”等多个钢塔项目之后,又成功地建造了港珠澳大桥九洲航道桥“风帆形”钢塔柱。

国际上全焊钢塔一般用于景观型钢塔或钢塔壁板厚度不大于40mm、塔高不大于100m的承力形钢塔,线形要求一般满足1/30001/1500即可,主要是考虑焊接变形对线形控制的影响。其中南京三桥钢塔柱、泰州桥钢塔柱、马鞍山桥钢塔柱节段间均采用了“金属接触+高强度螺栓”联合受力模式,大榭二桥为全焊曲线形钢塔柱(壁板厚30mm,钢塔柱高度56.6m),“南京眼”为受力兼景观型钢塔(壁板厚30mm)。对于壁板厚度达80mm、钢塔总高101m的港珠澳大桥九洲航道桥“风帆形”钢塔柱来说,要达到1/4000的线形要求,确实不易(因特殊造型及美观要求又不宜采用栓接连接),除了需要先进的加工设备以外,必须有丰富的经验积累和深厚的造桥理念以及创新精神!


港珠澳大桥CB05-G2标钢塔制作技术创新

1. 工程概况

港珠澳大桥九洲航道桥采用双塔单索面斜拉桥,主塔采用“风帆”造型,景观优美。钢塔总高101.047m,由竖直的塔柱和弯曲的曲臂组成。该钢塔为全焊钢塔,钢塔节段采用单箱室结构,壁板板厚80mm,纵肋60mm,其中钢混结合段底座板达150mm,焊缝密集、焊接量很大。主要钢材材质为Q345qDQ370qD,总重量约4400吨。

2. 主要难点分析

难点一:150mm厚的底座板对接需要焊接90多道,平面度的控制有一定难度,因此,钢塔厚板焊接质量及焊接变形控制有一定的难度。

难点二:钢塔箱体断面为带切角的四边形,结构组装精度控制难度大,焊缝密集、焊接量大(壁板厚度达80mm,共有8条深坡口棱角焊缝),焊接变形及几何精度控制难度非常大,同时,节段80mm厚壁板的接口熔透焊缝对高精度的塔柱线形控制带来了新的挑战。

难点三:为响应港珠澳大桥管理局提出的“大型化、工厂化、标准化、装配化”的施工理念,将桥面以上的钢塔T4T9节段、曲臂Q4Q8节段以及锚管在厂内连接制作成整体大节段整体吊装,总长67.9m,宽4.12m,高18.35m,总重达970t。大节段结构不规则,且重量大、刚性弱,故钢塔整体大节段的几何精度控制、装船及海上长距离运输等也是本项目的难点和关键所在。

3. 钢塔节段制造技术

3.1 钢混结合段底座板焊接技术

钢混结合段底座板厚度达150mm。通过采用先进的焊接预热、合理的预变形、配重等措施,解决了钢塔150mm底座板的焊接质量及平面度控制难题。

 厚板焊接的关键是防止焊接裂纹的产生,而预热是防止裂纹产生的关键措施之一。为了提高厚钢板的预热效果及效率,采用了电阻加热、保温,温度控制准确可靠,可以控制升、降温速度,具有焊缝受热均匀等优点。




图1 厚板焊接预热措施

  ⑵ 150mm厚板焊接技术保障措施:

  • 通过焊接性试验,确定预热温度及层间温度。

  • 选用合理的坡口形式,减小焊接填充量,提高工作效率。

  • 采用组合焊接工艺及多层多道焊接。

  • 合理编排焊接顺序,控制焊接变形。

  • 采取合理反变形量、双面焊接及配重等措施,控制焊接变形。


图2 150mm底座板压重无码拼装焊接

图3 对接完成后150mm底座板


3.2 钢塔节段板单元焊接技术

由于钢塔节段板单元上的纵肋宽度较大,为了保证其垂直度要求,采用了双小车对称施焊纵肋坡口角焊缝(见图4);采取了板单元无码对接、压重控制焊接变形技术(见图5)。


图4 双小车对称施焊纵肋坡口角焊缝

图5 板单元无码对接、压重控制焊接变形


3.3 钢塔节段组焊技术

目前,国内的多座大跨度桥梁钢塔-南京三桥钢塔柱、泰州桥钢中塔、马鞍山桥钢中塔、大榭第二大桥钢塔柱等全为我公司承制,其标准达到了发达国家水平,积累了丰富的钢塔制造经验,同时在该项目上又进行了大胆创新。

 钢塔节段无码组装焊接技术。由于钢塔节段几何精度要求极高,通过预留合理的焊接收缩量、设计约束变形胎架、端部工艺支撑、角部定位马板(端面加工部位)以及合理的焊接工艺等措施以控制箱口尺寸,改变了以往为控制钢塔节段几何尺寸精度而在塔段内外设置码板的做法(见图6)。


图6 钢塔节段组焊变形控制措施


 焊接时通过专用无损伤翻身工装完成塔段的翻身,使焊缝尽量在平位或有利的工位施焊,有利于确保焊缝的内在质量(见图7)。


图7 钢塔节段空中无损伤翻身技术


 钢塔节段隔板与腹板立位角焊缝,采用CO2气体保护自动摆枪小车焊焊接,不但提高了焊接效率、降低了劳动强度,焊缝外观也更加美观(见图8)。


图8 钢塔节段隔板与腹板立位小车焊接


 钢塔节段外侧八条棱角坡口焊缝,采用了多次翻身改变焊缝焊接位置、CO2气体保护焊自动小车焊接,确保了焊缝外观质量非常美观(见图910)。


图9 钢塔节段外侧棱角焊缝小车焊接

图10 钢塔节段外侧棱角焊缝效果


3.4 钢塔节段端面加工技术

一般的全焊桥梁钢塔没有必要进行端面加工,但为了确保钢塔制作质量,对该全焊钢塔采用了“计算机控制的数控调整系统进行姿态调整+高精度的激光跟踪测量系统进行端面测量+大型断面镗铣床加工”方案,以及计算机模拟预拼及精度管理技术,来对钢塔制造线形进行控制(见图1112)。


图11 钢塔节段端面加工

图12 加工完成的钢塔节段


4. 钢塔整体大节段制作技术

   针对钢塔大节段的细长比大,接长过程中扭曲、旁弯、线形控制难度大的特点,采用“分步接长法”,即:先将小节段接长为制造分段,然后再整体接长(见图13)。借助经纬仪、水准仪等测量设备,用液压千斤顶精确调整钢塔节段姿态,反复检测与调整,考虑精度累积管理结果的指令,修正节段间的轴线偏移、垂直度、扭转以及壁板错边等,确保最佳姿态实现节段精确对位匹配接长。为了确保接缝平位焊接,钢塔大节段在制作过程中采用了空中翻身(见图14).


图13 钢塔大节段接长

图14 钢塔大节段空中翻身


 针对厚板环缝焊接,合理设计坡口,采用CO2气体保护焊小线能量、多层多道对称焊接壁板对接焊缝,严格按照焊接顺序焊接,避免仰焊。焊前采用履带式电阻加热器对焊缝进行不低于100预热。尽量采用轨道式焊接机器人焊接,以减少人为因素对焊接质量的影响。

 为确保钢塔大节段在水平预拼装与立式复位后线形一致,利用有限元分析法对钢塔大节段在两种状态下的受力进行分析(见图1516),确保钢塔大节段在平放和立放两种状态下线形变化最小。合理的预拼装方案及严格的检查也是确保桥位顺利安装的关键所在(见图1718)。


图15 钢塔大节段平位受力有限元分析

图16 钢塔大节段立式受力有限元分析

图17 钢塔大节段预拼装

图18钢塔大节段预拼装检查


 为了保证整体大节段长途海运安全,针对钢塔大节段超重、超大细长、异形的结构特点,通过计算验证其在运输中的稳定性。根据船舶在海运中的纵、横向的摇摆周期和最大横摇角,计算出钢塔大节段在船上纵向、横向的受力大小,然后采用支撑托架、钢丝绳和花兰螺丝等将钢塔与船体进行硬性加固和软连接,确保运输过程中不会发生失稳。钢塔大节段立位拼装、水上运输分别见图1920


图19钢塔大节段立位拼装 

图20 钢塔大节段水上运输


5. 钢塔柱线形的综合控制

  对全焊钢塔而言,尤其是超厚壁板的钢塔柱,单节段高精度的加工、计算机模拟预拼及精度管理是基础,焊接变形的控制是关键,通过制定合理的施焊方案、自动化和机械化的焊接工艺、严格的对称施焊及安装调整、线形补偿(通过调整焊接顺序)等措施实现了对钢塔柱线形的控制。

6. 结束语

  港珠澳大桥九洲航道桥钢塔的制作质量得到了各方高度评价,这应该得益于合理的制造方案及多项工艺创新,更得益于良好的设计工艺性、管理局及CB05标项目部的大力支持以及监理的严格把关。



第四章:钢桥焊缝细节设计常见误区探析;

钢桥焊缝细节设计常见误区探析

摘要:

随着钢桥建造技术的进步及国家大力推广公路钢结构桥梁政策的实施,钢桥梁设计的合理性对降低成本和相关政策的落地有一定的影响。目前,在钢结构桥梁工程实施过程中存在诸多设计不合理的细节需要进行优化,本文针对常见的误区进行探讨,希望能在设计阶段或图纸工艺性审查阶段能将不合理的要求和细节进行优化,使钢桥细节设计更趋合理、可靠。

关键词:钢结构桥梁,焊缝细节设计,误区

前言

钢结构桥梁具有自重轻、工厂化制造、质量稳定、便于实现装配化施工等优点,为世界桥梁界所推崇,法国、日本、美国等国家的钢结构桥梁占比分别为85%、41%和35%。我国受经济社会发展水平制约,钢桥主要用于特大跨径桥梁,截止2015年底,我国公路钢结构桥梁占比不足1%。随着钢铁产能过剩和钢桥建造技术的进步,2016年交通运输部实施公路钢结构桥梁推广应用政策,将推动未来一段时间钢结构桥梁的建设高潮。

合理的钢结构设计既要重视整体设计,也要重视结构的细节设计,尽量采用简洁的构造形式,除了考虑结构的使用性能外,还应考虑结构制造的工艺性,才能获得符合设计要求的产品质量。但在长期的工程实践过程中,部分设计人员存在一些认识上的误区,例如盲目加大焊缝尺寸,盲目提高焊缝等级,对结构细节的工艺性考虑不足等,致使在建造过程中存在很多问题,给工程的质量、成本和安全带来影响。

1.对焊接接头的可达性考虑不周

焊接接头的可达性包括焊接操作的可达性和焊接检验的可达性。焊接接头必须要有足够的空间,满足焊工能够到达待焊部位,能清楚地观察焊缝位置、无障碍的操作焊枪进行焊接,这是焊接接头能够焊接的最基本的要求之一。当然不同的焊接方法和焊接设备要求的可达性条件也不相同。可达性与组装顺序有密切关系,有时调整组焊顺序可有效改善结构的可达性。

某项目索塔钢锚箱施工图设计要求承力板与端壁板熔透焊接(图1),由于两承力板之间的距离仅为300—360mm,拼装完成后形成一个封闭空间,焊工或操作机均无法达到该部位。该结构索力通过承压板传递给承力板,再由承力板与锚腹板的熔透焊缝传递给锚腹板。经计算,承力板与锚腹板的熔透焊缝完全满足受力要求,但设计认为不保险,要求承力板与端壁板焊接并熔透,实施时在承力板上开孔,但开孔后焊接操作难度仍然很大,部分区域仍无法焊接,经检测,可达性较差的部位焊缝存在较多缺陷。近年桥梁的索塔钢锚梁结构设计时,设计院进行了全面的受力分析,将该部位断开不连接(图2),这样传力路径很明确,在工艺上能确保关键焊缝的质量,提高了结构的可靠性。

图1 某桥锚箱焊接可达性示意

图2 索塔钢锚梁构造示意

2.忽视焊接接头的可检测性

焊接接头具有较大的不均匀性,接头中通常存在一定数量的缺陷,如裂纹、气孔、夹渣、未熔合等,这些缺陷会降低焊缝的强度,引起应力集中,严重时会造成结构的破坏。为此,在焊接完成后需对焊缝进行外观检查和内部无损检测,以确保焊缝质量。超声波和射线照相是探测被检物内部缺陷的主要方法,超声波探伤具有操作简单、快速,对裂纹、未熔合的检测灵敏度高等优点,广泛应用于钢结构的焊缝检测中。在用超声波检测时探头需要沿焊缝长度和宽度方向进行扫查(图3),检测面要求的宽度根据选用探头的K值和钢板的厚度不同而有所变化,通常扫查宽度应150~200mm范围才能满足。

图3 超声波探伤扫查示意

大型斜拉桥锚固构造部位以及钢桁梁节点板,在结构上需要采用圆弧过渡处理以减小突变部位的应力集中。如图4所示锚拉板熔透焊接于钢梁的顶板上,设计时焊缝两端采用圆弧过渡,焊接完成后将端部打磨匀顺至与钢梁顶板平齐。如果按此图施工将会导致端部圆弧区域焊缝无扫查面而无法进行无损检测。通常焊缝的端部残余应力较大,焊接缺欠也相对较多,是检测的重点区域。笔者曾在某单位见过在该处增加一块引板来处理,这样处理方法在UT检测时超声波将被引板界面反射,根本无法检测到焊缝。在实际加工时,我们将该部分区域加宽整体下料,以满足检测宽度,待焊接检验合格后用切割机沿圆弧切割,并对切割面打磨至设计要求(图5)。这样做增加了钢材用量,但保证了端部焊缝的质量。

图4 锚拉板与钢梁连接构造细节

图5 锚拉板端部圆弧处加宽示意

3.焊缝尺寸宁大勿小

钢结构上的焊缝根据其传递荷载不同分为工作焊缝和联系焊缝。工作焊缝与被连接的构件是串联关系,承担传递全部载荷的作用;联系焊缝与被连接构件是并联关系,它传递较小的载荷。正确的焊缝设计是确保钢桥安全性的关键,通常在设计时工作焊缝的强度必须计算,而联系焊缝的强度不需要计算,对于既有工作应力又有联系应力的焊缝,则只计算工作应力。但在部分项目中,设计者对焊缝没有信心,或对焊缝的受力情况没有进行仔细计算,怀着焊缝尺寸宁大勿小的心理,更极端的是见焊缝就熔透的情况也经常出现。

对于桁梁结构杆件均按铰接计算杆件内力,除特殊情况考虑杆端次应力外,杆件均按轴向受拉或受压计算。对于全断面拼接时,焊缝的轴向应力与板件一样,加大焊缝尺寸主应力并不降低,此时翼缘板和腹板间的剪应力很小。在非全断面拼接时,腹板上的轴向力通过与翼缘板的焊缝传递给翼缘板和节点板,此时在拼接区域腹板与翼缘板的焊缝传递较大的剪切应力。

日本港大桥对棱角焊缝尺寸大小进行过深入的研究,其成果值得我们借鉴。港大桥将杆件分成中间部位和节点接头部位(图6),外侧半V形坡口焊缝高度为


图6 港大桥焊缝构造细节示意

南京大胜关桥取最大的非全断面拼接H形竖杆进行计算分析,焊脚尺寸h=大到20mm时,正应力基本没有变化,拼接区剪应力为37 MPa,虽然比容许应力更小,但没有必要加大焊缝。这些情况说明,H形杆件角焊缝不必开坡口,焊脚尺寸采用 

若盲目加大焊缝尺寸将会带来很多不利的影响,例如产生较大变形,在某钢箱梁悬索桥施工时,锚箱部位的承力板为40mm厚钢板,斜底板为10mm薄钢板(图7),前期设计要求承力板与斜底板熔透焊接,在工程首件制造过程按熔透焊接制造,焊接完成后斜底板严重变形,经沟通将该焊缝改成K8角焊缝,焊接变形大幅减小,受力也满足要求。

图7 某桥锚箱构造示意

4. 过渡担心焊接残余应力的影响

焊接是一个热加工过程,在焊接热输入的影响下焊缝及热影响区金属发生塑性变形和相变,这种塑性变形和相变是不可逆的,焊接结束后保留在接头中,于是产生焊接应力和变形。我公司在孙口黄河桥整体节点进行过焊接应力的测试,测试的结果表明,最大残余应力均已超过钢材的名义屈服点。焊接残余应力对结构的影响非常复杂,很多设计者和业主对其感到不安,曾有业主要求对某钢箱梁进行整体退火以消除残余应力,这是不现实也没有必要,反倒会引起大的热变形。

钢结构作为塑性结构,具有较好的变形能力,同时,焊接残余应力具有自平衡的特点,焊接应力随着反复加载和卸载,其应力峰值会逐渐减小。通常只对有发生脆性断裂危险的厚截面结构,厚度超过一定限度的压力容器,对加工精度要求较高的结构和有应力腐蚀危险的结构才考虑消除焊接残余应力。对于桥梁钢结构,如果消除焊接应力,将会同时使结构产生无法恢复的变形,导致结构失去功能而报废。国内外的大型桥梁结构从来不做消除应力处理,工程实践也证明,不消除焊接应力也没有任何问题。当然,在设计和制造加工环节还是应该采取措施减小焊接残余应力的影响。

5. 结束语

目前国家大力推进公路钢桥应用,钢结构具有较强的专业性,很多设计人员对其了解不足,往往参考既有工程错误实例细节进行设计,给加工制作带来很多问题。为了更好地提升钢结构桥梁建造品质、降低建设成本、提高生产效率,应从设计阶段统筹考虑钢结构桥梁的工厂化制造等问题。本文针对经常见到的问题进行探讨,希望在设计阶段或图纸工艺性审查阶段能将不合理的要求和细节进行优化,使钢桥细节设计更趋合理、可靠,具有较好的工艺性、经济性,便于工厂制造和现场安装。

 

第五章:正交异性钢桥面板疲劳控制技术最新发展探析;

作者:李军平 张剑峰 车平

序言:

钢梁正交异性钢桥面板的疲劳问题一直困扰着桥梁建设者们,多年来,桥梁的建设方、设计、研究单位及高校、钢桥制造厂都在努力研究解决这一难题,目前也出现了力图解决U肋与钢桥面板焊缝疲劳问题的多个团队,但究竟哪种方案更合理可行应通过权威试验研究确定、甚至通过实桥的验证。而且,全方位了解正交异性钢桥面板的病害种类及成因并采取切实可行的措施,才是彻底解决这一难题的有效途径。

第六章:浅议组合钢板梁接头合理设计


浅议组合钢板梁接头合理设计

摘要:本文介绍了组合钢板梁桥的设计特点及要求,结合工程施工经验,分别对主纵梁主角焊缝、主纵梁与横梁连接接头、节段间接头连接等进行了探讨分析,给出了典型接头的合理接头设计。

关键词:组合钢板梁,主纵梁,横梁,主角焊缝,接头设计

1 前言

近20年来,我国桥梁建设取得了快速发展,大跨度拱桥、斜拉桥和悬索桥等方面有了较快的发展,而中小跨径公路桥梁基本采用混凝土结构形式。组合结构作为一种受力合理且便于施工的结构形式,上世纪 60 年以来,在全世界范围内迅速发展起来。组合结构桥梁充分发挥了不同材料的力学特点,在保证受力可靠的同时,减小了结构自重,优化了结构受力。根据其钢主梁结构不同,主要可分为组合钢板梁、组合钢箱梁、组合钢桁梁这三种,其中,组合钢板梁桥由于具有构造简单、强度高、自重轻、工厂化生产程度高、施工速度快等优点得到了广泛应用。

合理的接头细节设计不仅可以减少加工、制造难度,也能够提高结构的耐久性。在组合钢板梁桥的设计过程中,一些设计单位不太重视连接接头的细节设计,存在焊缝设计过大、接头设计不合理等问题,焊缝设计较大增加了结构的焊接变形及残余应力,不合理的接头细节设计使结构产生较大的应力集中,给结构抗疲劳性能带来很大影响,对组合钢板梁的耐久性不利。

2 典型组合钢板梁应用

2.1式组合钢板梁

在西方发达国家的桥梁建设中,组合结构作为最主要的桥梁结构形式,展现了优越的竞争力,在欧洲国家尤其如此,应用比例非常高,甚至达到90%以上。梁式组合钢板梁,由钢板焊接形成工字型的实腹式钢梁,作为主要承重结构的钢桥梁,从受力体系上可分为组合简支钢板梁、组合连续钢板梁。国内济祁高速合肥段淮河特大桥约11km长度的引桥工程中,采用了标准跨径为30m35m三跨或四跨一联的组合连续钢板梁,结构形式见图1

图1  梁式桥组合连续钢板梁示意图

2.2斜拉桥组合钢板梁

斜拉桥组合钢板梁的钢主梁为纵横梁体系,与混凝土桥面板结合后形成组合梁,主纵梁通过锚拉板与斜拉索相连,传力路径明确顺畅、构造简洁。我国的上海南浦大桥、海南洋浦大桥、青海海黄大桥以及在建的禹门口黄河大桥等均为组合钢板梁,已经成为斜拉桥组合梁应用较多的结构形式(图2)。

图2  斜拉桥组合钢板梁示意图

3 主纵梁主角焊缝的合理设计

3.1 梁式组合钢板梁

对于梁式组合钢板梁而言,其主纵梁主要承受弯曲应力,主角焊缝平行于应力方向时,焊缝与母材承受同样大小的应力。从计算的角度,当翼缘板与腹板采用角焊缝时,需要验算梁在弯曲时翼缘板与腹板产生水平剪切应力,水平剪切应力应小于等于角焊缝的强度计算设计值。国外许多组合钢板梁的主纵梁主角焊缝多设计为角焊缝。

北美某铁路钢桥钢板梁结构为下承式钢板梁,钢板材质为ASTM A709 GRADE 50W,主纵梁长38.1m,上翼缘板厚100mm、腹板厚度22mm、下翼缘板厚度为70mm,主纵梁翼缘板与腹板的连接焊缝设计为双面K10角焊缝

图3  北美铁路钢板梁

美国阿拉斯加铁路桥钢板梁,钢板材质为ASTM A709 GRADE 50W,主纵梁长度50.3m,上、下翼缘板厚度为57mm、腹板厚度22mm,主纵梁翼缘板与腹板的连接焊缝设计为K11角焊缝。

图4  美国阿拉斯加铁路桥钢板梁

因此,对于组合钢板梁主纵梁主焊缝应设计为角焊缝,当腹板板厚大于30mm时,采用非熔透坡口焊缝,两者在计算焊缝有效厚度上是一致的。主纵梁主角焊缝一般采用船位埋弧自动焊工艺,对于角焊缝的计算有效厚度,应考虑采用埋弧焊接时熔深大的特点,在角焊缝理论有效厚度的基础上增加焊接熔深。笔者认为,角焊缝的强度与熔深有很大关系,尤其是埋弧自动焊熔深较大,若考虑熔深时将增加焊缝有效厚度,更有利于保证结构安全。

国外相关规范关于采用埋弧焊接焊缝的计算有效厚度he,均考虑了一定的熔深。如:美国钢结构桥梁规范AISC规范规定:当hf≤9.5mm时,取he=hf;当hf>9.5mm时,取he=(0.7hf+2.8)mm;挪威《钢结构-设计规则》NS3472规范规定:hf≤8.5mm时,取he=0.84hf;当hf>8.5mm时,取he=0.84hf或者(0.7hf+3mm);英国BS5400(1982)规范规定,取he=(0.7hf+2)mm和he=0.84hf,取小。

我国相关设计规范规定“直角焊缝的有效厚度he采用焊脚尺寸的0.7倍”,对于埋弧焊接的角焊缝有效厚度而言,相对比较保守。为了验证船位埋弧焊接的实际熔深,我们进行了船位埋弧焊接角焊缝(hf=10mm、hf=12mm)的熔深试验。从试验结果(图5 宏观酸蚀照片)可见:焊角尺寸hf=10mm时,焊缝腹板侧熔入板厚5mm,焊角尺寸hf=12mm时,焊缝腹板侧熔入板厚6mm。因此,建议对于船位埋弧焊接角焊缝的计算有效厚度he应考虑实际熔深,当hf<10mm,取he=hf;当hf≥10mm,取he=(0.7hf+4)mm。

(a) 焊角尺寸hf=10      (b)焊角尺寸hf=12

图5  埋弧船位焊接角焊缝熔深

3.2 斜拉桥组合钢板梁

斜拉桥组合钢板梁的钢主梁多采用纵横梁格构体系,主纵梁为“工形”结构,其特点是斜拉索通过锚拉板连接于主纵梁上翼缘板,对于其主纵梁主角焊缝的设计,各设计单位存在不同的理解,主要源于《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)中“7.2.3 翼缘板与腹板的连接可采用角焊缝,腹板两侧有效厚度之和应大于腹板的厚度;也可以将翼缘板与腹板的连接采用全焊透焊缝”的理解程度不同,如:某桥为主跨460m双塔双索面钢-混组合梁斜拉桥,主纵梁腹板厚度为32mm,设计要求腹板与上、下翼缘板设计为非熔透坡口焊接(腹板每侧熔深要求12mm);某桥为主跨565m双索面钢-混结合梁斜拉桥,主纵梁腹板厚度为40mm,设计要求与上、下翼缘板均要求熔透焊接。这两个桥除了跨度不同,其纵横梁体系、连接细节等几乎完全相同,为何会出现如此大的差别呢?

笔者认为,对于腹板与上、下翼缘板的焊缝设计应该区别对待,该类桥钢板梁主纵梁设计板厚均较大,主角焊缝宜采用坡口焊缝。根据主纵梁的传力特点,从轴向力角度,主焊缝为典型的“缝合焊缝”,下翼缘与腹板应采用非熔透坡口焊缝;从竖向拉应力和提高结构细节抗疲劳性能的角度,上翼缘与腹板连接在锚拉板区及向两侧各500mm范围内则宜采用熔透坡口焊缝,见图6。

图6  斜拉桥主纵梁腹板与上、下翼缘接头设计

4 钢板梁受弯梁加劲板的连接设计

对于以受弯为主的组合钢板梁,由于腹板比较薄、为了防止发生局部屈曲,要在腹板纵横方向上焊接加劲肋。对于跨中竖向加劲肋与下翼缘板的连接设置,为了避免受拉下翼缘疲劳损伤,一般有两种处理方法:一种是竖向加劲肋距离下翼缘板80~100mm(见图7a),这样也可满足角焊缝端部围焊及修磨处理;另一种是竖向加劲肋与下翼缘板采用磨光顶紧连接,以增加下翼缘板的约束作用,为了解决其顶紧的效果,待加劲肋与腹板焊接后打入“斜铁”,确保竖向加劲肋与下翼缘板密贴,然后将加劲肋与斜铁焊接,见图7b。

(a)加劲肋与下翼缘不连接(b)加劲肋与下翼缘顶紧连接

图7  竖向加劲肋与下翼缘连接方式

5主纵梁与横梁焊接连接设计

采用焊接连接时,需要关注接头的细节处理。第一种方式是横梁上翼缘板与主纵梁顶面平齐,在横梁上、下翼缘板与主纵梁上翼缘板、加劲肋采用对接焊缝,需要将横梁上、下翼缘板连接部位(150×150mm)加宽整体下料,以确保对接焊缝的可检测性,待焊接检验合格后,用切割机沿圆弧切割,并对切割面打磨至设计要求,见图8。这种连接方式优点为在横梁上、下翼缘板连接部位增加圆弧设置,提高了板面方向上的抗疲劳性能,缺点是横梁上翼缘板与主纵梁上翼缘板下侧形成应力集中点,当板厚δ1和δ2相差4mm以上时,可通过焊缝表面斜坡(不大于1:5)来过渡,但在仰焊位置堆焊斜坡、修磨施工难度很大,不推荐采用。

图8  主纵梁与横梁连接方式(一)

第二种连接方式是将主纵梁上翼缘板在横梁连接位置局部伸出,一般伸出长度为圆弧半径R+100mm,主纵梁上翼缘板为上平齐、下端加工1:8斜面,与横梁上翼缘板对接焊缝连接,见图9。这种连接方式虽然增加了钢材损耗,但减少了主纵梁与横梁上翼缘板板面和板厚方向的应力集中,抗疲劳性能较好,推荐采用这种连接方式。

图9  主纵梁与横梁连接方式(二)

6 主纵梁节段间接头设计

主纵梁节段间连接接头设计有三种方式,一种是采用栓接方式;另一种采用栓焊混合连接方式,即上翼缘板焊接、腹板与下翼缘板栓接;第三种是全断面焊接方式。采用全断面焊接方式时,上、下翼缘板与腹板间的对接焊缝是否应该错位连接,不同设计仍有分歧。当前,大型薄壁钢箱梁钢桥面板对接焊缝、钢箱梁节段间均采用了“十字形交叉”对接焊缝,促进了钢桥制造技术的发展。但是,某些设计单位对于城市匝道桥桥面板对接、节段间的对接及组合钢板梁主纵梁的节段对接,仍然有不允许采用“十字形交叉”或者“T形交叉”接头的要求,增加了制造单位加工制造及现场安装难度。

笔者认为,主纵梁节段间上、下翼缘与腹板间对接焊缝可以不错缝连接。一方面,从接头强度设计角度,对接焊缝为一级熔透对接焊缝,焊缝采用“等强”设计,实际上焊缝的强度是大于母材的;同时,当前焊接材料、焊工操作水平均大幅提高,采用不错位对接焊缝完全能满足强度设计要求。另一方面,从减小焊接残余应力角度,无论“十字形交叉”或“T形交叉”接头,其中只有最后一条焊缝的残余应力起主导作用,先焊好的焊缝在交叉点附近受后焊的焊缝影响已释放了大部分应力,最终的残余应力都是后焊接的焊缝起主导作用,上、下翼缘板及腹板间对接焊缝焊接完成后,最后再焊接主纵梁预留角焊缝,因此,不错缝交叉焊缝的残余应力与错缝交叉焊缝焊接残余应力相当。相反,从主纵梁对接接头整体来看,错缝交叉点的数量为4点、不错缝交叉点2点,后者残余应力较大的交叉点就少了1倍;另外,错缝连接现场预留角焊缝更长,也会增加现场焊接工作量,见图10。

(a)错缝连接                 (b)不错缝连接

图10  主纵梁节段间焊接连接方式对比

相比而言,节段间采用栓接或者栓焊连接,不仅可以避免现场厚板焊接难度大的问题,且可以加快现场施工进度,也是一种不错的选择。

7 结束语

随着我国交通运输部大力推广公路钢结构桥梁政策的出台,装配式组合钢板梁可以真正让“大型化、工厂化、标准化、装配化”的“四化”造桥理念充分实现,符合现代施工技术的工业化要求,具有广阔的应用前景。目前,相关专业设计院已经在着手进行装配式标准桥梁的设计,梁式组合钢板梁、斜拉桥组合钢板梁分别在不同跨度领域广泛应用。为此,本文针对其典型接头的合理构造及施工中常见到的问题进行探讨分析,希望能够对后续同类钢桥梁设计提供借鉴,促进我国组合钢板梁建造的快速发展。


第七章:桥梁钢结构用高强度螺栓施工及断裂介绍。


序言:

自从高强度螺栓替代铆钉以来,高强度螺栓广泛应用于铁路、公路钢桥梁,极大地方便了现场连接施工,虽然《铁路钢桥高强度螺栓连接施工规范》(TBJ214-92)等标准对螺栓施工提出了具体要求,然而,目前许多钢梁桥梁设计、施工过程中仍存在某些问题,故而,本文对高强度螺栓连接细节设计、施工等方面进行了总结。同时,收集整理了典型的钢桥梁用高强度螺栓断裂案例及原因分析,可供工程技术人员参考。