港珠澳大桥深水区非通航孔桥钢箱梁焊接变形控制

港珠澳大桥深水区非通航孔桥钢箱梁焊接变形控制 港珠澳大桥深水区非通航孔桥钢箱梁焊接变形控制

李小松

(中铁山桥集团有限公司， 河北秦皇岛 066200)

摘 要：介绍港珠澳大桥深水区非通航孔桥钢箱梁的结构特点，根据焊接收缩变形的种类，结合生产实际情况确定钢箱梁制作过程中控制、减小焊接变形的工艺措施，以及焊后的矫正方法，为港珠澳大桥深水区非通航孔桥施工提供依据，保证了钢箱梁的制作质量。

关键词：钢箱梁； 整体拼装； 焊接变形； 控制矫正

1 工程简介

港珠澳大桥主体桥梁工程全长约22.9 km，东自人工岛结合部非通航孔桥深水区非通航孔桥的分界墩起，西至拱北/明珠附近海中填筑的珠海/澳门口岸人工岛止，由深水区非通航孔桥、青州航道桥、江海直达船航道桥、浅水区非通航孔桥等几座桥组成。深水区非通航孔桥采用整幅等截面连续钢箱梁，CB01标段共11联661个梁段，桥型布置如图1所示。

图1 深水区非通航孔桥桥型布置

本文主要介绍港珠澳大桥深水区非通航孔桥钢箱梁的结构特点，结合生产实际情况确定钢箱梁制造过程中控制、减小焊接变形的工艺措施，以及焊后的矫正方法。

2 钢箱梁制作方案

深水区非通航孔桥钢箱梁高4.5 m，宽33.1 m，桥面横坡为2.5%，总质量约13.3万t，由顶板、底板、斜底板、边腹板、中腹板、横隔板、横肋及悬臂隔板等板单元组成。钢箱梁结构示意见图2。

1-悬臂隔板;2-边腹板;3-横肋板;4-横隔板;5-顶板;6-斜底板;7-底板;8-中腹板

图2 深水区非通航孔桥钢箱梁结构示意

根据运输及施工场地、工期条件等综合考虑，钢箱梁按照“板单元制作→板单元运输→拼装厂拼装→桥位浮吊吊装大节段→焊接环焊缝”的流程进行制作。

2.1 板单元制作

板单元按照“钢板赶平及预处理→数控精切下料→零件加工(含U形肋制作)→自动组装机床组装→多头门式自动焊机+双向反变形胎焊接”的顺序进行制作，其关键工艺有：预处理、下料、U形肋加工、板单元组装、板单元焊接、相控阵超声波检测等。

2.2 钢箱梁整体拼装胎架

全桥设置4个总拼装胎架，均在厂房内，减少了环境因素对胎架的不利影响。单个胎架全长175 m，最多可以同时拼装16个梁段。胎架两端各设置3个标志塔，作为拼装时的定位标准。钢箱梁桥的纵向线形，通过每道横梁上的牙板高低差来实现；横桥向线形，通过同一道横梁上牙板的高低差实现，并考虑横向预拱度。胎架断面如图3所示。

1-基准牙板；2-悬挑臂块体支点；3-线形牙板1；4-线形牙板2；5-线形牙板3；6-施工通道托梁；7-斜撑1； 8-斜撑2；9-斜撑3；10-横梁1；11-横梁2；12-可拆卸横梁；13-立柱；14-柱脚加劲；15-施工通道安全护栏

图3 深水区非通航孔桥拼装胎架断面

2.3 钢箱梁节段拼装

拼装采用多节段连续匹配、组装、焊接和预拼装一次完成的方案。拼装时，重点控制桥梁的线形、钢箱梁几何尺寸等。钢箱梁梁段组装流程为：板单元两拼→中腹板(边腹板)块体→铺装底板、斜底板→一侧横隔板(横肋板)→中腹板块体→另一侧横隔板(横肋板)→顶板→边腹板块体。

3 钢箱梁焊接收缩变形及控制、矫正

3.1 焊接残余变形

结构件焊完冷却后，焊件上残留下来的变形称为焊接残余变形，它对结构的质量和性能产生影响。焊接残余变形的种类有：平面内的横纵向收缩变形、旋转变形；平面外的横向弯曲变形(角变形)、纵向弯曲变形、波浪变形等。本桥制作过程中焊接残余变形发生的主要部位如表1所示。

3.2 制作过程中焊接变形的控制及矫正

3.2.1 改进焊缝设计

1)尽量减少焊缝数量，在钢箱梁板单元划分时采用大尺寸板单元，本桥板单元划分时斜底板单元最大宽度达4.3 m，减少了板单元之间的对接焊缝。

2)合理选择焊缝形状及坡口尺寸，减少熔敷金属总量以减小焊接变形。

3)合理安排焊缝位置。

3.2.2 采取工艺措施

1)预留焊接收缩量。 对于板单元平面内横纵向的收缩变形，制作时长度方向预留二次切头量，钢箱梁梁段焊接完成后二次切头，确保梁段焊接收缩后长度满足结构要求；宽度方向在板单元下料时采用正公差，板单元对接焊时在焊缝间隙上加入一定量的焊接收缩量，确保焊接后的整体尺寸。

2)反变形。 对于板单元平面外横纵向的弯曲变形，一般采用反变形的方法：板单元焊接时在反变形胎架上进行(图4)；板单元两拼时预留反变形(图5)，以减少焊后变形量；总拼时胎架横桥向焊接时预留反变形(图6)，以保证桥梁的横桥向线性。

图4 反变形多头机器人焊接系统

3)刚性固定。 将板单元焊缝处加以固定来限制焊接变形。总拼时，通过底板与胎架马板焊接来限制底板的焊后变形，在板单元对接和T形焊接时，通常使用马板固定的方法，也可以使用压重的方法，如图7所示。

表1 焊接残余变形的基本形式

焊接变形的基本形式简图变形发生的主要部位板单元平面内的变形板单元平面外的变形横向收缩顶底板板单元组焊、对接时宽度方向的收缩纵向收缩顶底板板单元对接时长度方向的收缩旋转变形隔板之间立位对接、横隔板与中腹板间焊接横向弯曲变形(角变形)板单元对接、腹板与顶底板间角焊缝纵向弯曲变形顶、底腹板板单元焊接

1-两拼对接缝

图5 两拼时预留反变形

1-底板边缘；2-梁段理论线形； 3-梁段实际线形；4-桥梁中心线

图6 横桥向焊接预留反变形

a-底板对接焊缝处马板; b-顶底板处压重砣 1-压重砣

图7 刚性固定方法

4)选用合理的焊接方法及焊接参数。 钢箱梁顶底板对接采用CO2打底焊、埋弧焊盖面的焊接工艺，其余焊缝采用CO2气体保护焊，药芯、实芯焊丝直径仅为1.2 mm，对称焊接，这样相对热输入减小，避免焊接变形过大。

5)选择合理的焊接顺序和焊接方向。 钢箱梁焊接时遵循先内后外、先下后上、由中心向两边对称施焊的原则。梁段高度达4.5 m，为减小板单元平面内的旋转变形，对于隔板之间对接焊缝、隔板与中腹板间角焊缝分两次进行，具体焊接顺序如下(图8)：

a.在胎架上定位中间底板单元，然后向两边依次组装其余底板、斜底板单元，对称焊接底板单元间纵向对接焊缝①。

b.从梁段一侧依次组装横隔板(横肋板)单元，中腹板块体，另一侧横隔板(横肋板)。对称焊接横隔板与底板焊缝②、中腹板块体与底板焊缝③、中腹板块体与横肋板焊缝④、横隔板与中腹板块体焊缝⑤(焊缝⑤在中腹板3 m高度处，由下而上焊接)、焊缝⑥、横肋板之间对接焊缝⑦、⑧，横隔板(横肋版)与斜底板之间的焊缝⑨。

c.从梁段中间向两端依次组装顶板单元，对称焊接顶板纵向对接焊缝⑩、横隔板接板(横肋板)之间对接焊缝

、横隔板间对接焊缝

(焊缝

在横隔板2.5 m高度处，由下而上焊接)、焊缝

、横隔板接板与横隔板间对接焊缝

。

d.组装边腹板块体， 两侧对称焊接边腹板块体

a-横隔板处断面；b-横肋板处断面 1-边腹板块体(挑臂)；2-平底板单元；3-顶板单元；4-桥梁对称中心线； 5-中腹板块体；6-斜底板单元；7-横隔板单元；8-横肋板单元

注：①

为焊缝编号。

图8 焊接顺序示意

与斜底板间焊缝

、与横隔板(横肋板)间焊缝

、焊缝

由下而上焊接。

焊接顺序及焊接方向对于控制钢箱梁整体焊接变形作用重大，施焊时严格控制施焊顺序和方向，采取多人同时对称施焊，以保证梁段制作尺寸精度，减小焊接变形。

3.2.3 焊接变形的矫正

采用了上述措施后，在实际焊接完成后仍然会有变形，所以要采取一些矫正措施：

1)机械矫正法。 本桥的悬臂隔板在焊接完成后，采用H型钢翼缘矫正机对焊接变形较大部位进行矫正，如图9所示。

图9 T型钢翼缘矫正机

2)火焰矫正法。 对于个别板单元在反变形胎架

上焊后仍有局部变形，此时可以采用火焰矫正法矫正，温度控制在600～800 ℃。

4 结 语

本桥钢箱梁整体拼装焊接变形控制工艺措施及焊接顺序改进了以往的钢箱梁制作经验，对于控制整体尺寸精度、减小焊接变形、提高生产效率起到重要作用。深水区非通航孔桥钢箱梁拼装成果受到了业主、监理、相关单位的一致好评，证明了焊接顺序及变形控制措施的合理性。

参考文献：

[1] JGJ 81-2002 建筑钢结构焊接工艺规程[S].

[2] TB 10212-98 铁路钢桥制造规范[S].

[3] JTJ 041-2000 公路桥涵施工技术规范[S].

[4] GB 50205-2001 钢结构工程施工质量验收规范[S].

[5] 陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[6] 白玲,史志强,史永吉.大型钢箱梁焊接收缩变形及其控制[J].钢结构，,26(3)：7 - 11.

[7] 胡广瑞.大型公路钢箱梁整体拼装制造线型和尺寸的控制[J].钢结构，2001,16(5)：74 - 75.

WELDING DEFORMATION STEEL BOX GIRDER FOR NON-NAVIGABLE BRIDGE IN HONGKONG-ZHUHAI-MACAO DEEP-WATER AREA

Li Xiaosong

(China Railway Shanhaiguan Bridge Group Co.Ltd, Qinhuangdao 066200， China)

Abstract：The article introduced the structural features of the non-navigable bridge steel box girder in the deep water area. Based on the types of welding contraction deformation, the measures of controlling and reducing welding deformation in the process of practical situation of production and the method of rectification after welding, it was provided a basis for Hongkong-Zhuhai-Macao non-navigable bridge construction in deep water area to ensure the frabrication quality of the steel box girders.

KEY WORDS：steel box girder; overall assembly； welding deformation； correction control

收稿日期： - 01 - 29

DOI：10.13206/j.gjg05017

作 者：李小松，男，1980年出生，工程师。

Email：413144836@