热辊压成形技术在桥梁用新型U肋制造中的应用

文/彭雪锋，韩静涛，苏伯泰·北京科技大学材料加工与控制工程系

热辊压成形技术在桥梁用新型U肋制造中的应用

文/彭雪锋，韩静涛，苏伯泰·北京科技大学材料加工与控制工程系

彭雪锋，博士研究生，就读于北京科技大学材料科学与工程专业，长期从事冷弯成形技术的研究和应用，博士研究课题为高强钢热辊压成形技术研究与应用，拥有专利6项，第一作者身份完成论文9篇。

随着世界桥梁的发展和钢结构技术的进步，从20世纪中叶开始，随着正交异性薄壁钢箱梁结构设计水平日趋成熟以及焊接技术的提升，钢箱梁结构以其高度低、自重轻、极限承载力大、易于加工制造且结构连续等特点，在大跨度桥梁中得到了普遍应用，如图1所示。正交异性桥面板主要由钢结构面板以及与其焊接的横梁、纵肋构成，其中纵肋以U肋结构为主，由于U肋能够提供较大的抗扭刚度和抗弯刚度，能够改善整个桥面板的受力状态，因此成为现代正交异性桥面板最常用的截面形式。

图1 钢结构桥梁示意图

传统U肋缺陷分析

由于近些年车辆快速增长以及长期超载荷负重的影响下，我国已建成在使用的钢结构桥梁中，部分正交异性钢桥发现纵肋与桥面板的焊接处有不同程度的疲劳裂纹，分析其主要原因为：U肋为闭口结构，在焊接时只能从单面施焊，传统采用75%～85%的部分熔透焊，焊接面积较小；而未熔合部分本身就形成一个天然的初始裂纹，在反复载荷作用下，导致桥面板与U肋焊缝处易疲劳开裂，进而降低整个桥梁的寿命；此外，U肋的顶部焊缝部分与U肋非焊接部分相比，其截面厚度较小，使得连接处有一定程度的偏心，焊接处偏心导致附加弯矩形成应力集中，从而诱发裂缝。

新型U肋结构

目前桥梁用U肋都是采用等厚的钢板冷加工成形工艺制造，针对U肋结构与桥面板的焊接面积小、焊缝容易疲劳开裂等缺陷问题，近年来任自如、陈建国等学者相继提出新型U肋结构，如图2所示，以改善U肋与桥面板的焊接面积，提高焊缝的抗疲劳性能以及结构刚度。

图2 传统U肋（a）和新型U肋（b）结构示意图

新型U肋制备技术

上述学者并没有给出新型U肋的制备方法，韩蕾蕾等人虽提出了一种非等厚U肋的加工方法，但是采用热轧成形工艺，该工艺材料利用率和热效率较低，以及对U肋长度有所限制。本研究提出了一种新型U肋局部加热辊压成形技术，如图3所示，根据新型U肋局部加热热塑性形变规律，利用SolidWorks软件设计了一套新型U肋局部加热辊压成形工艺装置。

图3 新型U肋局部加热辊压工艺示意图

热辊压成形技术装备

该装备涉及一种桥梁用新型U型肋热辊压成形装置，属于非等厚热成形设备领域。本成形装置主要由两部分组成：

⑴感应加热装置，如图4所示，其主要由感应加热线圈和调整机构组成，通过螺栓调整选择合适的加热成形区域，当来料被送入到加热装置，迅速升温到要求的目标温度，接着送入辊压成形装置；该感应加热装置为中频加热，感应线圈U型槽尺寸大小为宽20mm，深度70mm，外周围由非导磁物质包裹，以保护感应线圈不被擦伤，线圈中间通有冷却水；其螺栓传动机构，利用螺栓传动，可实现感应线圈上下移动，调整距离为200mm；通过垫片来调整感应线圈角度，调节范围为70°～85°。

图4 感应加热装置示意图

⑵辊压成形装置，如图5所示，感应加热达到目标要求加热温度后，送入辊压成形装置；成形装置由两个道次组成，其作用分别是粗成形和精成形，道次压下量分别为4mm和3mm，之后，利用三点弯曲余热矫直原理，采用三个机架底辊高度差以及热成形后的余热对U肋进行矫直处理，整形后的新型U肋实物如图6所示。

图5 辊压成形过程

图6 新型U肋

热辊压技术优点

该热辊压成形技术优点如下：

⑴成形速度快，热效率高，得到的U型肋残余应力小，且增大了与桥面板的焊接面积，提高了与桥面板的连接强度和焊缝的抗疲劳性能。

⑵适应范围广，可满足不同厚度和加热深度的U肋，以及通过调整机构可实现不同尺寸U肋的热辊压成形。

⑶可作为一个模块嵌入到在线冷弯生产工艺中，对U肋进行端部增厚处理，或者作为一个独立成形模块，对普通U肋进行二次端部增厚处理加工，方便快捷，并可满足不同长度U肋的需求。

结束语

本研究课题提出了一种桥梁用新型U肋的局部加热辊压成形工艺，解决了传统U肋焊接区域小、熔深浅、强度低等缺点；并设计出了配套的工艺装备，替代传统切边装置，作为系统模块嵌入并不会增加太高成本，且新型U肋的焊接端部组织和力学性能大大提高，焊接熔深大大改善。