大型钢箱梁焊接收缩变形及其控制.doc

大型钢箱梁焊接收缩变形及其控制来源：《中国土木工程学会桥梁及结构工程学会第十四届年会论文集》   发布时间：2008-04-28   作者：白玲 史志强 史永吉 , 肖鹏 王林    摘要：近年来，抗风性能优越的扁平钢箱梁作为大跨度索支撑结构（悬索桥和斜拉桥）的加劲梁得到广泛应用从制造角度来看，钢箱梁为全焊板系结构．即将钢箱梁划分成若干类带纵横加劲肋的板单元构件在工厂预制，然后分段组装焊接成箱梁，现场逐段吊装焊接连成整体基于这一制造架设特点，对钢箱梁的几何精度要求极高而几何精度主要取决于焊接收缩变形的控制以南京长江二桥为例，一节长15m的标准梁段．焊缝总长达5000余米，共有40多种类型焊接接头，采用了CO2气体保护焊、埋弧自动焊、手工弧焊等多种焊接方法，其焊接变形控制是非常复杂的课题本文概要介绍了各种条件下焊接变形的测试结果，以及钢箱梁组焊中焊接变形的系统控制方法一　焊接残余变形的机理及影响因素　　1.焊接残余变形　　钢材的焊接通常采用熔化焊方法，是在接头处局部加热，使被焊接材料与添加的焊接材料熔化成液态金属，形成熔池，随后冷却凝固成固态金属，使原来分开的钢材连接成整体　　　　由于焊接加热，熔合线以外的母材产生膨胀，接着冷却，熔池金属和熔合线附近母材产生收缩，因加热、冷却这种热变化在局部范围急速地进行，膨胀和收缩变形均受到拘束而生塑性变形。

这样，在焊接完成并冷却至常温后该塑性变形残留下来表1为焊接残余变形的基本形式实际结构中，焊接残余变形呈现出由这些基本形式组合的复杂状态　　2.影响焊接变形的因素　　影响焊接变形的主要因素如下：　　（l）焊接方法：钢桥的焊接连接通常采用手工弧焊、CO2气体保护焊、埋弧自动焊等焊接方法（包括针对不同焊接接头形式选用的施焊工艺参数）因这些焊接方法输入的热量不同，引起的焊接残余变形量也不同　　（2）接头形式：钢桥接头通常有对接接头、T型接头、十字型接头、角接头、搭接接头和拼装板接头一般采用对接焊缝的角焊缝，包括板厚、焊缝尺寸、坡口形式及其根部间隙、熔透或不熔透等即构成焊缝断面积及影响散热（冷却速度）的各项因素　　（3）焊接条件：预热和回火处理，以及环境温度等对钢材冷却时温度梯度的影响因素　　（4）焊接顺序及拘束条件：对于一个立体的结构，先焊的部件对后焊的部件将产生不同程度的拘束，其焊接变形也不相同为防止扭曲变形，应采用对称施焊顺序二　南京二桥的构造特点　　1.钢箱梁结构特点　　南京二桥钢箱梁全长1238m，主跨长628m，是目前世界第三，中国第一的大跨度钢箱梁斜拉桥全桥钢箱梁分成 93个节段，标准梁段长 15m，宽 38.2m，高 3.5m。

图 1为钢箱梁横断面图共划分成55块带纵横加劲助的板单元构件在工厂预制，然后在桥位附近的组装场正装法拼装焊接成钢箱梁节段，而后船运至桥下吊装就位，焊接连成全桥　　2.钢箱梁几何精度控制方法　　从上节所述的制造和安装顺序看，钢箱梁几何尺寸的控制要点及控制措施加表2三　焊接收缩量测量试验　　由钢箱梁结构特点及其几何尺寸控制项点可知，除宽度及相邻梁段U型肋匹配与焊接横向收缩密切相关外，其他项点均可通过焊后处理措施达到精度要求所以准确掌握梁段板块焊接横向收缩量是控制钢箱梁段制造几何尺寸精度的关键，所以本文仅就各种条件下的焊接横向收缩量进行了详细测量　　1.板块焊接工艺参数（表3）　　2.测量试验简介　　为了减少组装胎架上的焊接工作量，先在胎架侧的平台上将 2.4m宽的板单元构件两两拼接成 4.8m宽的块件，简称拼板，这就使胎架上拼接工作量减少约一半由于胎下和胎上的拘束条件不同，按不同板厚，对其焊接收缩量分别进行了测量另外，根隔板长约33m考虑运输条件分成三块制造，胎架上立焊拼接因下端已与底板和斜底板焊连，呈较强拘束状态，上端为自由状态，对其横向收缩变形也进行了测量测量标距取300mm为减少温差影响，测量时间定在温度相对恒定的时间内进行。

　3．测量结构及分析　　　对相同板厚、相同焊接工艺、相同拘束条件，横向收缩值按焊缝根部间隙分组，各组数据分布直方目如图2所示图中G为焊缝根部间隙，Δ为焊接横向收缩量　　图3表示图2中的纵向对接焊引起的横向收缩平均值与根部间隙的关系焊接方法及其工艺参数相同，纵向对接焊缝引起的横向收缩量可归纳为焊缝断面积、板厚和坡口根部间隙的函数，以公式（1）的形式表示： 　　t——板厚，单位mm；　　G--焊缝根部间隙，单位mm；　　a，b--经验系数，随焊接条件变化而变化　　将图3中各组数值按公式（1）进行回归，可得各回归参数如表5图3各图中的斜线为按公式（l）计算所得直线　　从相关系数可知，利用回归所得系数a，b值（表5）及公式（1），可以较准确地预测给定焊接条件下的焊接横向收缩量均值，通过均值及其标准偏差回，可以预测横向收缩量范围　从图3和分析可得如下结论：　　（1）焊接工艺相同，板厚相同，约束条件相同，横向收缩量随坡口根部间隙增大而增大，呈线性关系；　　（2）图3（a），（b），（c）比较可知，焊接工艺相同，拘束条件相同，坡口根部间隙相同，横向收缩量随板厚增加而增加；　　（3）约束条件对横向收缩量影响显著。

　　　图3（a），（d）中因板厚相同，约束条件相同，所以横向收缩量非常接近图3（b），（e）中虽然板厚相同，但拘束条件不同，所以总拼时的测量值小于拼板时的测量值说明总拼时横隔板对顶板的约束强于拼板时柔性马板的约束　图4为横隔板测点的布置及焊接横向收缩量均值随测点位置变化情况接施工顺序，横隔板下端和底板横助焊接后，才进行相邻横隔板单元对接焊接，施焊顺序从下向上图4表明，越接近底板强约束端，收缩量越小，越接近上侧自由端，收缩量越大四　焊接横向收缩变形的补偿　根据测试结果及分析，南二桥制造过程中采取一定措施对焊接横向收缩量予以补偿：①顶板、底板、斜底板等单元下料宽度比设计尺寸放宽 3mm，即纵基线两侧每侧放宽1.5mm横隔板单元件长度放长2.0mm；②考虑焊接收缩变形的离散性以及顶板、底板总拼时多道焊缝引起收缩变形误差的累积，在面板和底板边缘处各留一块板单元件配切宽度（见图1）   五　结语　本文测量并分析了南京长江二桥钢箱梁制造过程中各种情况下板单元焊接横向收缩量，建立了相应的经验公式，并依据分析结果采取补偿措施，同时还采取一系列措施有效控制了钢箱梁的长度、高度、拱度、平面度及梁段间匹配，使钢箱梁外型尺寸达到设计精度要求。

桥梁钢结构涂装中重防腐技术的应用来源：中国防腐涂料网   发布时间：2008-04-27          1，钢桥的结构特点及其采用重防腐技术的必要性    现阶段国内外钢制桥梁的结构形式非常丰富，主要形式有大型钢箱梁结构、钢桁架结构、钢管拱或钢箱拱结构，以及多种钢制叠合梁结构等，相对于一般的混凝土桥梁，钢制桥梁具有跨越能力大、强度高、建造周期短等优势    从1955年第一座跨越长江的钢桁架桥梁——武汉长江大桥的建成以来，大型钢结构桥梁不断涌现，这类桥梁的钢材用量一般都在万t甚至10万t以上而表面腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳是使这种特大钢桥构件产生外观缺陷、寿命降低以至失去工作能力的重要原因之一     到目前为止，钢结构的腐蚀问题正在给世界各国的国民经济带来巨大的损失一些主要的工业国家每年由于钢结构腐蚀而造成的经济损失约占国民经济生产总值的2%一4%美国1975年因腐蚀造成的经济损失约为700亿美元，约占当年国民生产总值的4.2%，1982年高达1260亿美元；英国1969年腐蚀损失为13.65亿英镑，占国民生产总值的3.5%；日本1976年腐蚀损失为92亿美元，占国民生产总值的1.8%；据我国1995年统计，腐蚀损失高达1500亿元人民币以上，约占国民生产总值的4%。

目前，全世界每年因钢结构腐蚀造成的经济损失已高达数千亿美元以上而且，钢结构由于腐蚀造成的事故危及到结构的安全运行，腐蚀引起的灾难性事故屡见不鲜，特别是焊接钢结构和承受较大应力状况下的钢结构，由于在应力作用下，腐蚀将大大的加速桥梁钢结构的腐蚀防护日渐成为人们关注的课题只有在设计建造时,针对其自身的结构特点和所处的环境条件应的重防腐技术，同时合理考虑后期的涂层养护，才能确保钢桥的正常使用和长久寿命    2，重防腐技术在桥梁钢结构上的应用    2.1重防腐技术的应用趋势    在欧美地区钢桥的防腐发展过程是:20世纪40年代为油漆防腐;50～70年代为重防腐涂料防腐、热浸锌防腐、火焰喷涂防腐、电弧喷涂防腐并存;80年代以后，随着电弧喷涂技术的发展,电弧喷涂防腐得到广泛应用,初期大多为喷涂锌,现在电弧喷涂铝日渐成为防腐发展的趋势20世纪90年代后，随着国际交流的日益频繁，欧美的一些技术先进的重防腐涂料品牌相继进入我国，如AkzoNobel、丹麦的Hempel、荷兰的Sigma等国际知名的涂料公司相继在国内建厂，客观上促进了国内重防腐技术的发展，逐步改进了我国铅系涂装体系的传统模式，形成了以金属喷涂和含锌涂料为核心的重防腐技术。

    2.2目前流行的桥梁钢结构外表面重防腐配套表2-1体系编号品种涂料类型应用实例体系一喷铝电弧喷铝武汉阳逻长江大桥（在制）、武汉军山长江大桥、海南琼州大桥、浙江千岛湖南浦大桥、舟山桃夭门大桥、万县长江大桥等封闭漆环氧云铁封闭漆中间漆环氧云铁中涂漆面漆聚氨酯面漆体系二底漆无机硅酸富锌底漆广东佛山东平大桥（在制）、广东虎门大桥、厦门海沧大桥、南京长江二桥、宜昌长江大桥、日本明石海峡大桥等封闭漆环氧铁红封闭漆中间漆环氧云铁中间漆面漆聚氨酯面漆体系三底漆环氧富锌底漆上海黄浦大桥、上海杨浦大桥、芜湖长江大桥、东莞大汾北桥等中涂漆环氧云铁中间漆面漆各类型面漆    3，桥梁钢结构的重防腐涂料涂装    3.1重防腐涂料涂层的作用机理和失效机理    随着涂装工艺的发展，重防腐涂装成为钢桥防腐的主流（如2-1中的体系二与体系三）    在重防腐涂料中，其防腐涂装工艺和涂料品种都非常相似，即涂层设计由底漆、中间漆和面漆组成的多层涂装体系;油漆品种均为环氧（无机）富锌底漆、环氧云母氧化铁中间漆和聚氨酯类或环氧类或氯化橡胶面漆等组成其作用机理如表3-1所示表3-1编号作用类型作用机理1屏蔽作用涂层将钢铁与腐蚀环境机械隔离开。

    3.1.1钝化缓蚀作用    涂装体系中,第一道车间底漆对钢铁有钝化缓蚀作用,增加油漆层附着力    3.1.2阴极保护作用    防腐底漆中如添加锌粉（如富锌底漆）,对钢铁提供阴极保护涂层对桥梁钢结构提供的腐蚀保护以机械屏蔽的隔离防护为主，涂层的老化、粉化使这种隔离作用减弱或失去作用，其阴极保护作用的锌粉是*涂料中成膜物质的粘合与钢铁相结合，随着成膜物质的裂解、老化使锌粉无法与钢铁相结合,这样阴极保护作用自然消失其次,油漆涂层本身有无数微针孔,长期处在盐雾、潮湿环境下,氯离子、水分子等会透过针孔腐蚀基体金属,在油漆层与基体金属交界处钢铁腐蚀产物体积积聚膨胀,导致油漆层剥落,腐蚀并沿着油漆层剥落处四周迅速扩展,导致整个防腐体系失效    3.2重防腐涂料的施工工艺    3.2.1重防腐涂层的涂装前表面处理重防腐涂层底漆的涂装前表面处理等级通常为清洁度Sa2.5-Sa3.0级、相对粗糙度25-70μm，表面处理通常采用喷砂、喷丸等喷射除锈方式，局部小面积区域可机械除锈至St3级特殊情况下，如水性无机富锌涂料的表面处理等级要求更高，有时其清洁度要求必须达到金属喷涂的表面处理等级3.2.2高压无气喷涂工艺的广泛应用目前，国内外最流行的方式涂料喷涂方式是采用高压无气喷涂工艺。

其工作原理是将涂料增压到210千克/平。