北支江过江通道桥梁钢箱梁现场焊接工艺*

陈 思

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

0 引言

由于钢结构工程中存在一些外形尺寸较大且形状不规则构件，常需要在施工现场进行作业。再加上焊缝布置错综复杂、焊接工作量较大、现场环境复杂等对焊接不利的因素，现场焊接质量控制已成为亟需解决的难题。许多学者对外形尺寸较大、焊缝布置错综复杂、极易产生应力集中区域、现场环境多变等复杂情况下的现场焊接施工质量控制进行了研究，详细分析了诸多不利因素对现场焊接质量的影响及相关防治措施。例如，刘基冈等以工程车车架为例，采用局部-整体映射法研究了焊接顺序对焊接变形控制的影响。试验和计算结果表明，对焊接顺序进行优化，可有效控制整体焊接变形，变形最大值可减少43%；叶日贵研究了不同焊接顺序对南淝河大桥焊缝变形的影响等。

本文以北支江过江通道桥梁钢箱梁现场焊接施工为例，详细分析其焊接材料、顺序、工艺流程，现场焊接质量控制和相关安全措施，改进了现场焊接工艺流程。

1 工程概况

北支江过江通道桥梁主桥、引桥、拱肋钢结构均采用Q355D型钢材，钢箱梁总用钢量11 900t。主拱肋宽自拱冠至拱底由1.5～2.2m线性变化，截面高度1.0m，截面四边壁厚16mm，四边侧壁加劲采用12mm厚板肋，吊杆处设置横隔板，横隔板与拱肋垂直设置，沿拱肋底纵向每隔2m设1道横隔板，板厚16，24mm(联结件横隔板)。单侧拱肋共分为3个节段。主桥总长度260m，为箱形梁及T形板和桥面板的组合梁体，纵梁为等高度单箱三室截面。北侧引桥总长50m，南侧引桥总长90m，均为变截面钢箱梁。桥面系沿纵向每隔3m设置1道横隔梁，与吊杆位置间隔对应，一般横梁为工字钢梁，中横梁和端横梁分布于2～6号墩位处，共5根，长度均为21.698m，高度均为2.4m。

2 现场焊接工艺

2.1 焊接材料及工艺

现场焊接焊缝具有以下特点和难点，需在现场焊接时加以注意。

1)焊接为空中作业，应搭设临时焊接平台，创造安全的施焊空间，确保焊工人身安全，稳定焊工施焊情绪，从而保证焊缝质量。

2)采用CO2气体保护焊。

3)由于现场焊接为高空露天作业，受天气影响，如遇到有风、有雾和雨雪等恶劣天气，应采取必要的防风、防雨雪措施。如焊缝被雨淋或由于大雾造成焊缝周围结水，焊接前须采用火焰加热的方法去除焊缝周围水分，并将焊缝两侧30～50mm范围的铁锈打磨干净后再进行焊接，以保证焊缝质量。

本工程采用的气体保护焊焊丝直径为1.2mm，CO2气体纯度为99.9%，碳棒直径为6，8mm。焊接工艺流程如图1所示。

图1 焊接工艺流程

2.2 钢箱梁焊接顺序

钢箱梁焊缝数量较多，焊接收缩率较大，焊接过程中应按一定顺序逐步释放焊接应力，以控制焊接变形。梁段先焊接底板，后焊接顶板。顶、底板焊缝采用CO2气体保护焊进行焊接，反面粘贴陶质钢衬垫，单面焊双面成型。钢箱梁焊接顺序为底板纵向焊缝→顶板纵向焊缝→横隔板→U肋→环焊缝。

2.3 钢箱拱焊接顺序

钢箱拱焊接顺序为：板对称立焊→底板平焊→盖板平焊，如图2所示。

图2 钢箱拱焊接顺序

2.4 主拱肋焊接

焊接时，焊工按吊装顺序进行连接段的打底焊接，再按焊接顺序和方法进行全面施焊。主拱肋按由上而下的顺序施焊，采用先焊完底焊，占壁厚的1/2～1/3，再进行盖面焊，盖面后焊缝高度宜为0，如图3所示。

图3 焊接示意

焊工在焊接前要根据坡口实际情况，确定焊接层次及每层厚度，每层厚度为3～4mm，由于工程较复杂，钢丝绳、钢铰线较多，故焊接时第一焊工采用一钳一地制，即1名焊工1条钳线，地线应靠接在焊工自己焊缝附近。所有对接接头均为全熔透焊，质量等级为一级；采取多层焊接，除焊道盖面焊以外，严禁摆焊，对焊道进行100%探伤。

2.5 拱脚焊接

因拱脚段施焊空间有限，故每个拱脚每次只能由2名焊工进行焊接，4个拱脚须同时进行焊接，采取上下、左右对称的方法施焊。焊接时每次焊缝不能太长(长70～100mm)，每层厚度不能过大(2～3mm)，否则，由于受热过大，极易造成钢板翘曲及钢板下混凝土爆裂。采取焊完一段跳开100mm左右再焊另一段的间隔方法施焊。

2.6 合龙段焊接

合龙段接头施焊包括拱肋及拱脚间接缝焊接。合龙段焊接时，应从拱脚向拱顶对称进行，避免拱肋移位或变形，焊接采用CO2手工电弧焊。合龙段焊接采用双面坡口，焊缝坡口角度为45°，焊缝间隙为5mm。钢衬垫厚5mm、宽50mm。焊接前，采用砂轮机对焊缝区域50mm范围进行表面清理。按四等分对称施焊，不允许沿同一方向连续施焊，4条对接环缝同时施工。

2.7 现场焊接工艺评定

钢管拱肋现场焊接必须确保焊接结构具有足够的韧性和塑性以防止脆断。为进一步保证焊接质量，需先进行焊接工艺性试验及评定。主桥钢材均为Q355D钢，钢结构焊缝应确保与母材等强度。主拱钢管的所有对接焊缝质量等级应达到I级，角焊缝质量等级为Ⅱ级。对接接头焊缝及角焊缝应100%进行超声波探伤。现场焊接工艺评定流程如图4所示。

图4 现场焊接工艺评定流程

3 焊缝检测标准

3.1 焊缝外观质量检测

焊缝外观质量检测标准如表1所示。

表1 焊缝外观质量检验标准 mm

3.2 焊缝无损检测

焊缝质量等级及探伤范围如表2所示。

表2 焊逢质量等级及探伤范围

4 现场焊接质量保证措施

4.1 一般要求

1)只有持有合格焊工资格证书并经监理认可的焊工才能参加焊接任务。

2)焊接设备及相应仪器检查无误后，才能开始施焊作业。

3)焊工必须熟悉施焊施工图和相关工艺规定，并且对自己所焊接的焊缝质量负责。

4)必须在>5℃的环境温度下才能进行施焊作业；另外，施焊作业的环境湿度应≤80%。

5)施焊作业完毕，焊工必须对焊接情况做好相应记录，如焊缝名称、焊接规范参数、质量及日期等。

6)施焊作业前，待焊区域及两侧20～30mm范围的污物、铁锈等务必打磨干净。

7)不允许在母材的非焊接部位引弧，另外，施焊作业完毕后，务必将焊缝表面熔渣等清理干净。

8)进行多层多道施焊作业时，应清理干净前道焊缝熔渣等。

9)对于焊缝的无损检验，可以在施焊作业完毕后24h内进行。

4.2 焊缝修磨及返修

1)对于超出规范规定上限值的一些焊缝，如焊脚尺寸、焊波或余高等，必须打磨均匀；而对于焊缝存在咬边或焊脚尺寸不足的一些焊缝，可以用焊条电弧焊进行返修施焊。

2)在进行返修施焊时，首先利用碳弧气刨或其他方法将焊接处的缺陷清除干净，刨出适合于返修施焊的坡口，然后打磨掉坡口表面氧化铁皮。可采用在裂纹端部各外延50mm的标准清除焊接裂缝。

3)返修焊可采用原焊接方法。

4)对于在焊接前需预热的焊缝，在返修施焊前必须按规范规定进行预热，预热范围和温度要按规范规定的上限执行。

5)返修施焊后的焊缝应打磨均匀，并按原标准要求进行复验。

6)对于同一部位的焊缝，返修施焊不宜超过2次。

5 焊接操作平台设施及防雨雪措施

5.1 焊接平台设置

纵梁安装时，工人从江中小船通过爬梯到达安装部位进行安装，箱梁焊接作业时使用挂篮作为操作平台进行施焊。爬梯如图5所示。焊接操作平台采用吊篮，吊篮由φ20圆钢筋制作而成，施工吊篮如图6所示。

图5 爬梯示意

图6 吊篮示意

吊篮需反复使用，应注意检查钢梁与吊篮接触点情况及圆钢节点的焊接。

5.2 高空作业防护措施

1)在周边临空状态下进行高空作业时，应有牢靠的立足处，桥面结构拼装完成后及时铺设路基板，作为工人行走的操作平台，并视作业条件设置防护栏杆、张挂安全网、佩戴安全带等安全措施。

2)进行高空作业的人员，必须首先进行专业培训及考试，培训考试合格后持证上岗。

3)高空作业时，施工人员衣着轻便从事相关的高空作业。

4)高空作业时，需在操作平台上铺满木架并挂设安全网，脚手架与安全网的连接必须牢固可靠。

5)如果因施工作业需要，必须将安全防护设施临时拆除或变动时，需经施工现场负责人同意并采取相应措施后方可进行，严谨擅自行动。

6)安全带使用前应进行检查。

7)高空作业时，工具必须放在手提工具箱或工具袋里。

8)遇到6级以上大风天气和雷暴雨天气不能从事高处作业。

5.3 临边防护措施

1)栏杆杆件规格及连接要求 栏杆杆件采用钢管，钢管横杆及栏杆柱均应采用φ48×(2.75～3.5)管材，以扣件或电焊固定。以其他钢材(如角钢等)作为防护栏杆时，应选用强度相当的规格，以电焊固定。

2)搭设临边防护栏 临边防护栏上杆距支架作业面高度为1.0～1.2m，下杆距支架作业面高度为0.5～0.6m。防护栏杆应高1.2m，并加挂安全网。防护栏杆必须自上而下用安全立网封闭，或在栏杆下设置严密固定的高度≥18cm的挡脚板或40cm高的挡脚笆。挡脚板与挡脚笆上如有孔眼，直径应≤25mm。接料平台两侧栏杆必须自上而下加挂安全立网或满扎竹笆。

6 结语

在北支江过江通道桥梁钢箱梁现场焊接施工中，通过采取合适的焊接工艺和相关安全措施，既成功解决了钢箱梁桥焊接施工中由于整体长度大和现场焊接量大易产生较大变形及由于焊缝错综复杂易产生焊接应力集中点等问题，保证了焊接施工质量。通过对本工程焊接施工中的焊接材料、焊接顺序与流程、焊缝质量检测标准等进行详细总结，形成了一套成熟可靠的焊接施工方案。