沪通长江大桥112 m钢桁梁墩顶临时连接件焊接质量控制

沪通长江大桥112 m钢桁梁墩顶临时连接件焊接质量控制

李进洲,王远立

(中铁第四勘察设计院有限公司,武汉 430063)

摘 要：沪通长江大桥北岸主桥中共有23跨112 m简支钢桁梁,采用“先连续后简支,悬臂拼装”的“1+1”、“2+1”和“3+1”模式进行安装架设,结构体系转换主要通过墩顶临时连接的焊接与解除来实现。因此,墩顶临时连接件的焊接质量是保证整个钢桁梁悬臂拼装安全的关键。根据112 m钢桁梁架设方案和墩顶临时连接设计特点,厘出墩顶桥位现场焊接工程控制重难点,结合工程实际做好焊接工艺评定,从焊接坡口组装、焊接顺序,到具体焊接工艺提出针对性的技术保障措施,确保墩顶临时连接件焊接质量,有力保障悬臂拼装安全顺利过墩顶,取得很好的工程效果。

关键词：沪通长江大桥；112 m钢桁梁；临时连接件；焊接质量；控制技术

1 概述

沪通长江大桥北岸为南通市,南岸为张家港,由北往南分为北引桥、正桥和南引桥3段,全长11.072 km。沪通长江大桥以26号墩为界,分2个标段进行施工建设,其中26号墩(不含)以北为HTQ-1标,26号墩以南为HTQ-2标[1-3]。沪通长江大桥正桥主要有3种跨度桥型[1-5],一种是主跨径1 092 m的公铁两用斜拉桥,一种是主跨径112 m的公铁两用钢桁梁桥,一种是主跨径336 m的公铁两用刚性梁柔性拱桥,见图1。

图1 沪通长江大桥桥式概略图(单位：m)

沪通长江大桥HTQ-1标共有23跨112 m简支钢桁梁桥(其中HTQ-2标有3跨)。主桁采用3片桁架结构,见图2。主桁采用带竖杆的华伦式桁架,主桁中心间距2×14.5 m,中心桁高16 m。每跨10个节间,中间节间长11 m,端部节间长10.8 m。上层公路桥面采用预制钢筋混凝土桥面板,下层铁路桥面采用预制的混凝土槽形梁结构。

图2 112 m钢桁梁结构(单位：mm)

根据设计文件的建议[6],沪通长江大桥112 m简支钢桁梁桥采用“先连续后简支,悬臂拼装”的施工方案架设。112 m简支钢桁梁首跨采用支架搭设(后期为了加快施工进度,采取了墩顶托架对称悬拼的方案),悬臂拼装采用“1+1”、“2+1”及“3+1”模式。“1+1”模式采用后墩临时拉锚和已拼装完成的一跨梁作为平衡重；“2+1”和“3+1”模式分别采用已拼装完成的两跨或三跨梁作为平衡重。悬臂施工过程中,相邻两跨钢梁之间设置临时连接杆件,为保证钢梁能够顺利过墩,前墩支点需进行起顶,见图3。

根据设计文件[6],在112 m钢桁梁悬臂拼装架设过程中(未过墩顶之前),主要通过墩顶临时连接件来保证连续体系的结构安全,见图4。

图3 112 m钢桁梁架设方案

图4 临时连接件设计(单位：mm)

根据计算结果[6-8],在最大悬臂状态下,上弦杆临时连接件所受最大拉力3.34×106 kN,下弦杆临时连接件所受最大压力3.30×106 kN,临时连接件最大应力峰值175 MPa。按照设计文件(图4),墩顶临时连接件主要通过现场焊接来保证体系转换,墩顶临时连接件的焊接质量是保证整个钢桁梁悬臂拼装安全的关键。所以,需要结合现场施工环境条件,加强112 m钢桁梁墩顶临时连接件现场焊接质量控制,确保整个悬臂施工安全。

2 焊接工程重难点

2.1 焊缝变形对悬臂拼装线形影响很大

根据设计文件[6-8],沪通长江大桥112 m钢桁梁除最先架设一跨采用刚性支墩,后续架设跨均采用悬臂拼装施工,悬臂过程中两跨之间采用临时杆件焊接连接。临时连接件为与上下弦杆等截面的箱型件,分别连接相邻孔间上弦杆边桁、中桁和下弦杆边桁、中桁。临时连接件与弦杆之间焊缝采用单面焊双面成型工艺。焊接位置设置为顶、底板采用平位焊接,腹板为立位焊接。

墩顶临时连接件(包括下弦杆临时连接件和上弦杆临时连接件)在悬臂拼装过程中,连接着已完前一跨第10节间和相邻即将悬臂拼装第1节间(图2),因此,墩顶临时连接件焊接变形直接影响着悬臂拼装第1节间上下弦杆的线形,进而影响第1节间后续各节间的拼装线形。现场焊接过程中,务必加强焊接变形控制,否则有可能造成后续拼装杆件的线形偏离设计要求过多,进而给悬臂拼装带来困难,影响整个112 m钢桁梁拼装架设安全和进度。

另外,按照设计文件[6-8],墩顶临时连接件(下弦杆临时连接件)焊接还和铁路端横梁焊接相互关联,相互影响。因此,如何在112 m钢桁梁拼装架设中控制好墩顶临时连接的焊接变形成了工程的一大难点。

2.2 现场焊接组装难度大

墩顶临时连接件在现场焊接时,其第1节间上下弦杆均处于高空悬臂状态,在采用桥面吊机拼装杆件过程中如何保证上下弦杆临时连接件焊前的组装精度,难度较大。在将近80 m高的高空吊拼作业,现场条件限制很大,单纯依靠桥面吊机和吊具无法实现设计文件建议的通过在临时连接上钻定位孔并依靠冲钉来定位的设计意图,实现组装对接,很难满足焊接工艺文件和焊接规范所规定的精度要求,因为在施焊过程中弦杆因自重发生下挠,并且在长江江面风力作用下实时发生风振,致使对接组装间隙变大、错台严重超限,进而给焊接变形控制带来不利影响。另外,下弦杆临时连接焊接变形控制不好的话,会影响上弦杆临时连接件的拼装对接精度,进而造成不能顺利拼装杆件。因此,如何保证现场临时连接件对接焊接组装精度,是工程的另一大难点。

图5 临时连接焊缝

2.3 焊缝相对密集且集中

沪通长江大桥112 m钢桁梁墩顶临时连接件均为与被连接的上下弦杆等截面的箱型件,临时连接件焊缝主要发生在箱型杆件腹板、顶底板,焊缝间距短且集中,弦杆自身刚度较大、约束较多,焊接过程中若不注意焊接顺序很容易产生较大焊接变形,而且极有可能发生焊缝拉裂的风险,见图5。

2.4 现场焊接空间狭小

112 m钢桁梁墩顶临时连接件截面尺寸均较小,特别是上弦下游侧临时连接件的规格尺寸更小,宽度仅约250 mm。为了实现现场与112 m钢桁梁相邻两侧杆件的熔透焊接,只能散件桥位安装,无法实现厂内装成小箱型,在桥位现场整体与112 m钢桁梁杆件焊接。因此,在如此狭小的安装空间内保证焊接质量,对焊工经验和技术熟练程度均要求较高,成为工程的又一大难点。

2.5 工期紧,安全风险高

根据112 m钢桁梁拼装架设进度,每跨钢桁梁架设不能超过2个月,墩顶临时连接件焊接(焊缝总长约108 m,钢材填充量约0.8 t,包含铁路端横梁焊接)需要在半个月左右的时间内完成。因此,工期相对较紧。另外,112 m钢桁梁由于其设计特点(预制桥面板还未安装),高空脚手架和操作平台搭设相对困难,再加上现场焊接空间狭小,因此现场焊接施工安全风险高。

3 焊接工艺评定

沪通长江大桥112 m钢桁梁墩顶临时连接件焊接正值江苏南通地区多雨多风的夏季,现场施焊环境多变、空间狭小、杆件组装条件复杂、工期紧、安全风险高,如何保证环境多变、安全空间狭小、组装条件复杂情况下的焊接质量和变形是工程参建各方关注的重点和难点。为了对临时连接件工地焊接工艺进行验证[9-14],提出了与现场施焊中涉及的临时连接件和铁路端横梁坡口形状和深度、焊接材料、焊缝规格及现场工地焊工技能水平相匹配的焊接参数,并进行了2组焊接工艺评定(表1)。

表1 焊接工艺参数

编号焊接方法焊接位置板厚/mm焊道层道温度/℃电流/A电压/V备注DD6药芯焊丝气体保护焊FCAW平位401预热66210262-490～135250～260305-31130～150270～28032温度12℃湿度58%气流量15～20L/minDD7药芯焊丝气体保护焊FCAW立位401预热70170222-590～130180～190246-1380～130180～19024温度12℃湿度58%气流量15～20L/min

工艺评定焊接所用试板材质均为Q370qE,并且是从同一批进场钢材中随机抽取加工而成,试板规格为600 mm×300 mm×40 mm,开35°等边V形坡口,两面坡口深度比例为2∶1。所采用的焊缝形式和坡口类型可以涵盖沪通长江大桥112 m钢桁梁墩顶临时连接件现场焊接的所有内容。

试板焊接由现场焊工操作,采用E501T-1L(φ1.2)焊丝。试件焊接后进行外观检查,焊缝外观质量符合规范要求。试件焊接完成24 h后对试件进行超声波探伤检验,对接焊缝内部质量达到铁路规范I级焊缝要求[15]。力学性能试样按Q/CR 9211—2015标准制备,接头力学性能及硬度试验结果均达到国家规范及设计要求[15-16]。有关接头断面宏观酸蚀照片见图6,从中可以看出,试样对接焊缝熔合良好,无裂纹、气孔、夹杂、夹渣等焊接缺陷,成形良好,焊缝过渡匀顺。

根据上面结果,最终确定沪通长江大桥112 m钢桁梁墩顶临时连接件焊接工艺评定报告,并根据报告制订了详细工艺指导书,用以指导现场焊接。

图6 试样接头断面宏观酸蚀照片

4 相关技术措施

4.1 坡口组装与坡口形式

开始,在112 m墩顶临时连接件焊接组装中,发现在高空吊拼作业中,现场施工条件限制很大,若采用设计文件建议的钻孔冲钉定位悬臂节间,进而组装临时连接件对接焊缝时,主要存在两方面的问题,一是因悬臂节间自重下挠,其悬臂端的对接焊缝坡口间隙会比工艺文件要求的尺寸偏大,而且错台很不容易调整到规范规定的1 mm的限值要求[15],二是在风力作用下,悬臂节间在不断振动,进而造成坡口尺寸一直在变化,现场焊工极不好施焊(施焊质量极不好控制)。因此,如果直接采用设计文件中建议的钻孔冲钉定位组装的方法(图7),由于桥面吊机和吊具的精度达不到设计文件建议的精度要求,临时连接件在就位时往往出现错边和焊缝间隙超标过大,进而造成焊接变形过大,给后续杆件安装带来困难。

图7 刚开始的组装间隙

经过对钻孔冲钉定位存在不足的机理分析后,后续在临时连接件的对接组装中,采用了墩旁增设托架的支架支撑定位,这个支架作用类似于工厂焊接的胎架,并且在托架上布置有三向千斤顶,用来微调组装间隙,确保临时连接件的焊接组装间隙满足工艺文件和规范规定的限值要求[8-12],见图8。

图8 调整后的组装间隙

通过对刚开始的临时连接件焊接施工总结,后期在墩顶适当预抬下弦杆高程,适当控制墩顶上弦杆临件焊接焊缝坡口尺寸和平整度,合适的坡口尺寸很大程度上减少了焊接变形,进而减少了杆件轴线偏离；而且合适的坡口尺寸和平整度也更有利于焊接质量控制。另外,通过适当控制墩顶节间竖杆与上弦杆节间固结状态,也极大释放了焊接变形(图9)。

图9 改进后的墩顶临时连接件焊接

经过开始阶段首个墩顶临时连接件施工总结,在后续施工中进行了优化,为了降低沪通长江大桥112 m钢桁梁墩顶临时连接件焊接热输入量,减少变形,同时也方便现场操作,降低焊接工作量,在设计坡口形式的时候,将上下弦杆临时连接件和端横梁的焊接坡口形式作了统一,其对接焊缝均为单边V形坡口。坡口角度根据板厚确定,50 mm厚以下钢板开40°坡口,50 mm厚钢板采取35°坡口(图10)。

图10 坡口形式

4.2 焊接顺序

(1)墩顶临时连接件

临时连接件与弦杆之间的焊接,除下游侧的上弦杆临时连接件外,其余弦杆与临时连接件的顶、底板对接焊缝采用单面V形坡口双面成型平位焊接工艺,即底板在箱内焊接、顶板在顶面焊接,腹板对接采用单面V形坡口在箱外立位焊接。焊接均采用CO2气体保护焊。马固时每环缝预留2 mm工艺收缩量。同一桥墩上相邻两孔梁间的临时连接件应同时、对称焊接,且先中桁、再边桁。先焊接腹板的立位对接焊缝,再焊接顶板、底板的平位对接焊缝。焊接过程中定位板影响焊接位置不进行焊接,定位板拆除后在对位焊接位置进行补焊。

因每孔之间下游侧上弦杆间距较小(约230 mm),该处临时连接件桥位无法实现整体焊接,该处临时连接件工艺设置为桥位散装工艺(图11)。

图11 桥位散装

墩顶临时连接焊接顺序为：①焊接临时连接件与弦杆底板的两条对接焊缝；②安装临时连接件隔板,并焊接与底板的角焊缝；③安装临时连接件腹板,并焊接与弦杆腹板的对接焊缝；④完成临时连接件隔板与临时连接件腹板的焊缝；⑤组装焊接焊接临时连接件与弦杆顶板的对接焊缝；⑥完成临时连接件底板与腹板、腹板与顶板的棱角焊缝。见图12。

图12 临时连接焊接顺序

(2)端横梁

铁路端横梁与下弦杆接头之间的焊接,顶、底板对接采用单面V形坡口双面成型平位焊接工艺,即底板在箱内焊接、顶板在顶面焊接,腹板对接采用单面V形坡口在箱外立位焊接。焊接均采用CO2气体保护焊。马固时每环缝预留2 mm工艺收缩量。同一桥墩上相邻两孔梁的端横梁的相同部位应同时、对称焊接,且先中桁、再边桁,即①三片桁两相邻端下弦杆间临时连接件同时对称焊接→②中桁相邻端横梁环缝同时对称焊接→③两边桁端横梁环缝同时对称焊接。端横梁环缝焊接时应先腹板,再顶板,后底板。

4.3 预热和保温

根据焊接工艺评定结果,确定钢结构焊接预热温度为60～70 ℃,预热区域为坡口两侧100 mm范围。其中40 mm以下钢板采取火焰烘烤的方式,加热温度利用红外线测温仪控制。焊接过程中,焊缝层间温度保持在220 ℃以上。采用连续焊接,减少二次加温[12-16]。

4.4 防风挡雨措施

焊接区处在距地面70 m以上高空,风力较大,规范要求气体保护焊风速超过2 m/s时,在焊接过程中必须采取防风措施[9-14]。本工程防风棚特利用脚手管设计了临时操作平台,见图13。

图13 防风雨棚

4.5 加劲加强

鉴于墩顶临时连接为工地焊接,且为墩顶传力的核心构件,其可靠性至关重要。在原有连接构造的基础上,项目部建议临时连接部位增设连接板,对临时连接进行加强。加强方式为：临时连接现场对接焊缝焊接完成并且探伤合格后,分别对上弦杆临时连接上下盖板、下弦杆临时连接上下盖板及左右腹板增加筋板。在保证对接焊缝有效传力的同时又能提高临时连接钢板的局部稳定性,见图14。

图14 临时连接部位加劲加强

5 焊接现场管理

在沪通长江大桥建设指挥部的指导和要求下,监理加强事前控制,重点对沪通长江大桥112 m钢桁梁工地焊接工艺评定和焊接方案的审查,要求二航局项目部根据沪通长江大桥112 m钢桁梁拼装架设工程墩顶临时连接件的材质、构件尺寸以及施工环境情况,有针对性地进行焊接工艺评定；对现场焊接过程中的人员和物质、设备等资源安排、焊接顺序、焊接工艺、防风雨及安全措施等进行了认真审查；监督施工单位及时进行墩顶临时连接件焊接技术交底和安全交底；加强重要节点质量过程控制,现场施焊过程中深入现场,严格检查执行焊接工艺文件的落实情况。

施工单位从项目部、架子队到作业工人,严格实行“五定、三统一、一负责”行为管理,突出主要领导负责制和检查确认制度,基于“人、机、料、法、环”等5个主要影响因素,对现场焊接质量进行严格控制,实行全过程、全面、全员的焊接质量管理。项目部总工师负责焊接总体施工方案的制订以及焊接质量控制标准的建立和评定；专业队长和焊接班长,负责焊工、焊接设备的调配。现场对每一个焊工进场考核、考查,相关结果报监理认定,建设指挥部抽查,确定合格后方可在现场施焊。辅助工种主要进行焊接操作平台、防风棚等临时保障措施的搭设,为现场焊工创造一个良好的安全施焊环境,有力保障墩顶临时连接件工地焊接的顺利实施。

目前,沪通长江大桥112 m钢桁梁已分别按照“1+1”、“2+1”和“3+1”模式完成了悬臂拼装架设,并安全过墩顶,表明墩顶临时连接件的施工效果较好。

6 结语

在沪通长江大桥112 m钢桁梁墩顶临时连接件焊接过程中,针对工期紧、安全风险高、焊缝集中、空间狭小、焊接变形控制难度大的特点,建设、监理、施工单位高度重视,群策群力,从抓好工艺评定、施工方案和一系列专项措施着手,加强方案的执行力度和过程控制,已顺利完成3跨112 m钢桁梁架设,复测钢桁梁线形,基本上在设计文件和规范许可范围内。施工单位经100%超声波探伤检验,墩顶临时连接件终检焊缝一次合格率达96%；监理单位对焊缝鉴证检验10%,第三方检验单位平行检验20%,三重把关,检验结果100%合格,墩顶临时连接件已顺利跨过墩顶,施工效果较好。

参考文献：

[1] 沪通长江大桥建设指挥部.沪通长江大桥指导性施工组织设计[Z].南通:沪通长江大桥建设指挥部,2014.

[2] 高宗余.沪通长江大桥主桥技术特点[J].桥梁建设,2014,44(2):1-5.

[3] 梅新咏,侯健,刘琳杰.沪通长江大桥非通航孔桥设计[J].桥梁建设,2015,45(6):58-62.

[4] 李进洲,王远立.沪通长江大桥超长钻孔桩优质PHP泥浆施工技术研究[J].铁道标准设计,2015(10):81-85.

[5] 李进洲,王远立.沪通长江大桥承台大体积混凝土动态设计养护技术研究[J].铁道标准设计,2016(02):93-99.

[6] 中铁大桥勘测设计院集团有限公司.沪通长江大桥施工图[Z].武汉:中铁大桥勘测设计院集团有限公司,2014.

[7] 中交第二航务工程局有限公司.沪通长江大桥HTQ-1标112 m简支钢施工阶段分析报告[R].武汉:中交第二航务工程局有限公司,2016.

[8] 高宗余.沪通长江大桥主要技术参数的确定[C]∥第二十一届全国桥梁学术会议论文集(上册).北京:人民交通出版社,2014:43-48.

[9] 杨怀义.京沪高速铁路济南西站钢结构冬季焊接施工技术[J].铁道标准设计,2011(12):58-61.

[10]刘彦明.大跨度钢箱叠拱桥在高速铁路中的应用研究[J].铁道标准设计,2016,60(8):69-72,121.

[11]方桂芬.高速铁路跨度132m钢桁梁正交异性板桥面系横肋开孔处应力分析[J].铁道标准设计,2016,60(11):62-66.

[12]中国钢结构协会.建筑钢结构施工于册[M].北京:中国计划出版社,2002.

[13]李久林,芦广平,沈李强,等.国家体育场钢结构低温焊接技术研究[C]∥中国机械工程学会焊接分会钢结构焊接国际论坛,2006.

[14]戴为志,孔建平,芦广平,等.国家体育场(鸟巢)钢结构安装工程焊接质量控制的有效途径[C]∥中国大型建筑钢结构设计与施工论文集.北京:中国建筑工业出版社,2007.

[15]中国铁路总公司.Q/CR 9211—2015铁路钢桥制造规范[S].北京:中国铁道出版社,2015.

[16]中华人民共和国住房与城乡建设部.GB 50661—2011钢结构焊接规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

Quality Control of Temporary Connector Welding on Pier Top of 112 m-steel-truss-girder of Hu-Tong Yangtze River Bridge

LI Jin-zhou, WANG Yuan-li

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd. Wuhan 430063)

Abstract：There are 23 spans of 112 m simply-supported steel truss girder in the north main bridge of Hu-Tong Yangtze River Bridge. The 112 m girders are erected by the cantilever assembly method of“1+1”, “2+1” and“3+1”, and the structure system transform is achieved by temporary welding and removal of connectors on the top of interrelated piers, which transfers the continuous beam into simply-supported beam. Therefore, the welding quality of temporary connectors is a key factor to the successful cantilever assembling. In view of the 112 m-steel-truss-girder erection plan and the design characteristics of temporary connectors on top of piers, engineering control points and difficulties of in-site welding are clarified. And according to the site conditions, welding processes are evaluated and corresponding technical measures are worked out with respect to welding groove assembling, welding sequence and specific welding techniques, which ensure welding quality and construction safety for successful cantilever assembling over the pier top.

Key words：Hu-Tong Yangtze River Bridge; 112 m steel truss girder; Temporary connector; Welding quality; Control technology

文章编号：1004-2954(2017)06-0098-07

收稿日期：2016-10-09；

修回日期：2016-10-20

作者简介：李进洲(1975—),男,高级工程师,2013年毕业于中南大学土木工程学院,工学博士,E-mail：[e-mail]。

中图分类号：U448.36

文献标识码：A

DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.06.021