中铁宝桥(扬州)有限公司 (江苏 225107) 吴江波 袁 俊 张海涛 李彦国
湾头大桥为宁波市城市主干道,位于姚江湾头三江口东侧江面上(见图1),其中主桥为下承式连续钢桁架拱桥,跨径组合48m+180m+48m=276m。主桥桥宽43.6m。主桥三跨连续钢桁架拱桥,主桥拱肋由两片桁架和6道风撑组成,两片拱肋横向中心间距33.6m,在拱顶处上下弦杆竖向中心间距4.5m。下弦杆采用二次抛物线,矢高为36m,矢跨比1/5,上弦杆采用二次抛物线与圆曲线相结合。主体结构钢材材质为Q370qE及Q345qD钢,全桥用钢量约7700t。
图1 湾头大桥实景
本项目工艺难点在于钢拱肋箱型杆件棱角焊缝及钢主梁棱角焊缝全部采用全熔透焊接形式。根据不同位置受力需要,拱肋相应部位横隔板及拱肋箱体加劲均采用了厚板全熔透焊接形式,如此繁多的熔透焊缝,如何保证熔透焊缝的焊接质量是本桥钢结构制造的关键。
焊接接头及焊缝屈服强度、抗拉强度、断后伸长率及接头V型低温冲击吸收能量均不低于母材标准值(见表1);焊接接头三区最高硬度HV10不高于350HV;对接接头冷弯180°不裂。
表1 母材力学性能
为Q345qD及Q370qE钢选择合适的焊接材料,在考虑强度匹配的同时应重点考虑韧性匹配。根据对Q345qD及Q370qE钢的焊接经验,我们选择如下焊接材料,力学性能如表2所示。
(1) Q345qD钢焊接材料 ①焊条电弧焊:J507(φ4mm)焊条。②实芯焊丝CO2气体保护焊:ER50-6(φ1.2mm)。③药芯焊丝CO2气体保护焊:Sup71(φ1.2mm)。④埋弧焊:对接焊缝及箱体棱角焊缝均采用H08Mn2E(φ5mm),T型角焊缝采用H08MnA(φ5mm),焊剂均采用SJ101Q。
(2)Q370qE钢焊接材料 ①焊条电弧焊:J507Ni(φ4mm、φ5mm)。②实芯焊丝CO2气体保护焊:ER50—6(φ1.2mm)。③药芯焊丝CO2气体保护焊:Sup71H(φ1.2mm)。④埋弧焊:对接焊缝及箱体棱角焊缝均采用H08Mn2E(φ5mm)配合SJ101Q焊剂。
表2 焊接材料力学性能
由于Q345qD及Q370qE钢厚板的小热输入焊接存在一定的冷裂倾向,为此我们选择30mm、40mm及50mm三种厚度的钢板进行抗裂试验,试件宏观酸蚀断面(部分)如图2所示,试验结果如表3所示。
图2 抗裂试件宏观酸蚀断面(部分)
表3 斜Y形坡口裂纹试验结果
通过抗裂试验,我们可以确定的厚板预热温度,如表4所示。
表4 焊接预热温度及层间温度
在确定了焊接预热温度的基础上,我们针对本桥钢梁结构特点编制了焊接工艺评定试验方案,针对性的进行了13组对接接头、15组熔透角接头、4组T形角接接头,共计32组评定试验。
(1)对接焊缝 接料对接焊缝采用非对称X形坡口埋弧焊焊接,焊接材料采用H08Mn2E+SJ101Q组合,主梁顶板、腹板对接焊缝采用焊条电弧焊焊接,焊接材料采用J507Ni,坡口采用V形坡口,背面贴陶质衬垫的单面焊双面成形工艺。对接接头力学性能试验结果(部分)如表5所示。
(2)箱体棱角焊缝 钢桁梁箱体及主梁箱体棱角焊缝采用K形非对称坡口埋弧焊与药芯焊丝CO2气体保护焊相结合的方法焊接,棱角焊缝外侧采用H08Mn2E+SJ101Q组合,内侧采用Sup71(或Sup71H),先焊接箱内侧坡口焊缝,外侧坡口清根后焊接。试板对接接头力学性能试验结果(部分)如表6所示。
(3)熔透角焊缝 风撑连接板与弦杆腹板熔透角焊缝、拱肋箱型横隔板熔透角焊缝及拱肋弦杆加劲肋熔透角焊缝等采用K形非对称坡口药芯焊丝(Sup71)CO2气体保护焊,吊杆锚箱支撑板与弦杆腹板采用单面V形坡口背面贴陶质衬垫单面焊双面成形工艺,焊接采用药芯焊丝(Sup71)CO2气体保护焊,试板对接接头力学性能试验结果(部分)如表7所示。
表5 对接接头力学性能试验结果(部分)
表6 对接接头力学性能试验结果(部分)
表7 对接接头力学性能试验结果(部分)
(4)化学成分分析 焊缝化学成分与母材可以匹配,母材与焊缝化学成分对比如表8所示。
表8 母材与焊缝化学成分对比(部分)
(5)焊接接头宏观金相分析 对焊接工艺评定试验的所有试件进行宏观断面酸蚀照片分析,宏观照片显示焊道排列规范合理,外层焊道美观,断面无焊接缺陷,表明坡口工艺性较好,部分宏观断面酸蚀照片如图3、图4所示。
图3 对接试件宏观断面(部分)
图4 T形熔透试件宏观断面(部分)
(1)接头拉伸试验及焊缝金属拉伸试验表明:焊缝屈服强度、抗拉强度和焊缝金属的伸长率均高于母材标准值,满足了设计要求。
(2)对接接头弯曲180°,均未产生裂纹。
(3)对接接头低温冲击吸收能量表明:Q345qD对接焊缝及热影响区Akv(-20℃)均不低于34J,Q370qE对接焊缝及热影响区Akv(-40℃)均不低于41J,低温韧性良好且具有很大储备,满足设计要求。
(4)母材、焊缝,热影响区的硬度HV10均未超过350HV,表明焊接过程中未产生脆硬组织。
(5)焊缝的宏观照片均未发现气孔、夹渣、未熔合和裂纹等焊接缺陷。
(6)化学成分与母材匹配。
焊接工艺评定结果均满足设计要求,本工艺已成功应用于湾头大桥钢梁制造,钢梁制造质量满足相关标准要求,弯头大桥也于2009年10月建成通车。实践证明,本桥焊接工艺的成功应用亦可供同类桥梁借鉴。