A(正稿)焊接变形

嘉闵高架钢桥制造中焊缝收缩变形

因果分析与对策

宋光华 黄 平 佘守琪 (上海洪铺钢结构工程有限公司)

摘 要： 简述嘉闵高架大跨度三维箱型结构钢桥在建造中，对焊缝收缩所产生钢

桥变形情况的因果分析，研究制定有效工艺对策措施，在制造中控制和缓减焊接变形，确保嘉闵高架钢桥建造重点工程主要质量。

关键词： 嘉闵高架钢桥 焊缝收缩变形 因果分析与对策

1. 工程概况

嘉闵高架路桥是虹桥交通枢纽系统中一项重点的配套工程，它是上海市2008年—2010年跨年度的重大交通新建项目，位于闵行、青浦、长宁三区交界的新虹桥开发区的重要区域。

嘉闵高架的建成贯通将直接给闵行、嘉定两地区带来极大的交通便利，为进一步推进上海市西北区域的经济发展创造了十分便利条件。

钢桥分段结构形式

洪铺钢构公司通过综合实力竞争中标的嘉闵高架主要部分钢桥系统共分设：主线钢箱梁桥体4个、匝道桥钢箱梁体3个、和人行天桥钢箱梁体2座以及全部的钢质防撞墙，所有钢桥材质均为Q345qD，钢质防撞墙的材质为Q235B,具体各路段桥体结构形式和重量分别如下： （1）嘉闵主线钢桥

A.主线高架跨天山路钢箱梁桥，跨径为50.296m+77m+50.296m，全长177.593m，此段为变高度单箱多室连续钢箱梁：高2.88m～4.68m，宽31.7m，钢结构总重约3200余吨。

B.主线高架跨北翟路钢箱梁桥，跨径组合为40m+60m+40m，全长140m，为变高度单箱多室连续钢箱梁：高2.88m～3.60m，宽31.7m，梁顶标高42.271～42.821m，钢结构总重约2773余吨。

C.主线高架跨新角浦钢箱梁桥，跨径组合为40m+60m+40m，全长140m，为变高度单箱多室连续钢箱梁：高2.88m～3.60m，宽31.7m，钢结构总重约2850余吨。

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D.主线高架跨蟠龙港钢箱梁桥（K74～77孔），跨径组合为40m+60m+40m，全长140m，为变高度单箱多室变截面连续钢箱梁：高2.88m～3.60m，宽31.7m～42m，钢结构总量约3100余吨。 （2）北翟路钢箱梁立交匝道

共有NE跨、ES跨和SE跨三条匝道：分别重590余吨、651余吨、284余吨。 （3）钢箱梁人行天桥

共有天山路和北翟路两座：分别重650余吨、580余吨。 （4）钢质防撞墙

所有钢箱梁路桥段均设钢质防撞墙，材质为Q235B，总用钢量约为850余吨。

钢桥结构截面示意图

主线钢箱梁桥体横、纵截面积及分段示意图，以蟠龙港区域钢桥为例见下： 蟠龙港单箱多室变截面连续钢箱梁主线钢桥横截面示意图见下（图一）、（图二）； 蟠龙港连续钢箱梁主线钢桥平面各分段示意图见下（图三）。

（图一）蟠龙港主线钢桥横截面示意图

（图二）带有整体连接横梁主线钢桥超宽横截面示意图

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（图三）蟠龙港连续钢箱梁主线钢桥平面各分段示意图 2. 钢桥制作工艺概述 2.1. 主要工艺技术准备工作

（1）钢桥主材及焊接材料进场复试、检验合格（并附有厂家质量保证书）； （2）首先在设计兰图的基础上进行图纸二次深化（重点确保深化图纸“三维线形”

的尺寸要求执行），绘制各零部件板料工艺尺寸、焊缝坡口等详细图纸； （3）合理地划分钢箱梁体的最大分段（需根据现场施工、构件运输、保质可行的

组装及焊接工艺、工艺预放尺寸措施），绘制钢桥整体三维反装拼装胎架； （4）编制钢桥制作工艺技术文件（重点根据国家桥梁制作现行标准中的主要工序

工艺技术尺寸、要点、工艺防变形措施、技术质量标准进行编写）； （5）开工前认真做好工艺及技术要求的交底工作，发放制作工艺技术方案文件，

组织配备符合制作工艺要求的生产工人及管理机构人员；

（6）制作钢桥反装胎架及正拼装线形位置搁凳，并经仪器测量验收合格。 2.2. 主要焊接工艺制定

（1）桥面、底、腹板全部采用双面埋弧自动焊，反面电刨清根的焊接工艺； （2）制作板单元胎架，实施桥面板与U形槽板单元反变形自动焊接工艺； （3）零部件组焊、及胎架上组装焊接均采用二氧化碳气体保护焊工艺，立、横焊

均使用（E501T-1）药芯焊丝，其它均使用（ER50-6）实芯焊丝；

（4）工地现场中拼组对焊接均针对焊接不同位置，分别使用药芯焊丝+实芯焊丝；

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（5）安装定位后，总拼装焊接采用二氧化碳气体保护焊和手工电弧焊工艺。 2.3. 钢桥制作主要工序检查流程图

反装胎架制作检验合格 桥面板大件上反装胎定位 板单元胎架制作 板单元反变形胎架组焊 板单元变形检验合格 定位尺寸检验合格 桥面板拼装焊接 面板拼焊探伤 缺陷焊缝返工 选择主材生产厂家 主材采购复试合格 各板按图数控下料 二次细化设计工艺技术交底 纵腹板、横隔板组装定位 部件组焊检验合格 胎架总装焊接检查合格 监理日常巡视检验 质检部全过程检测 分段构件按序焊接调修 桥底板焊接探伤合桥底板调修组装定位 翻身吊耳焊接检验 分段检验合格按顺序下胎 吊装吊耳焊接检验 翻身正装试拼修正检验合格 构件油漆及分段工厂专检 各分段出厂验收合格待发运

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2.4. 箱型钢桥组装顺序示意图 见下（图四）

（图四）钢箱梁反装胎架上组装顺序示意图

从“图二” 和“图四”结构示意图中可见嘉闵高架主线钢桥的横截面宽度达到31.7m—42m，属于宽和超宽型的横截面桥体；在综合考虑多方面因素后，划分为五拼单体，采用在反装胎架进行整体组装固定，但实施单体分拼焊接；也因主线钢桥各基墩之间跨度分别为：50.296m、77m、60m、40m。

整个钢箱梁钢桥制造和安装工程中主要分为四大焊接工序过程： （1）工厂制造板单元组拼焊接 （2）胎架上组装单拼合成焊接

（3）现场吊装前单拼中拼焊接（采用整体提升工艺，将高空焊接改善为地面焊接） （4）吊装定位后各拼总拼焊接

2.5. 钢桥分阶段焊接工艺、焊接量、焊接变形影响因素 分析统计如下（表一）

序号 钢桥建造主要焊接工序 工厂制造板单元 组拼焊接 胎架上组装单拼 合成焊接 现场吊装前单拼 中拼焊接 吊装定位后各拼 总拼焊接 焊接工艺方法 占总焊接量 焊接变形 焊接变形因素源 影响量 （%） 3—5% A：下料及坡口尺寸 B：组装间隙及角度 C：焊接工艺规范 1 A：CO2半自动焊 A：12—14% B：埋弧自动焊 B：9—10% 2 CO2半自动焊 58—62% ★ A：组装间隙及角度 68—70% B：焊接规范参数 ★ A：组装间隙及测量 15—18% B：焊接规范参数 A：定位及组装间隙 B：焊接工艺规范 3 CO2半自动焊 7—9% 4 A：CO2半自动焊 B：手工电弧焊 14—16% 10—12% 5

3. 钢桥焊缝收缩及变形产生原因对策措施

焊缝收缩及变形产生原因

从（表一）中可以看出：★一是在胎架上组装单拼合成焊接的工作量最大，同时产生的焊接变形量也是最大；

★其次是现场吊装前单拼组成的中拼焊接的工作量也相对较大，因此也进一步

产生和叠加了一定的焊接变形。

具体产生因素分析如下：

（1）该钢桥属于三维坐标线形复杂的大型箱型梁构件，且胎架是作为桥面板的大

面积定位，在各立体分段组焊成形前，不易实施对每个部件真正的全方位完全定位固定，存在钢桥体横向或纵向的自由伸展空间；

（2）多室箱型梁中，纵横隔板、腹板、面底板纵向主要受力肋筋构件数量多，焊

接工作量大，各条焊缝接头的坡口间隙很难做到合理性，也不宜按一致性尺寸要求实施，时而造成焊接残余应力和焊缝收缩应力偏大的情况； （3）焊接顺序不合适，尤其是对超长焊缝（单条10m以上）和焊缝相对集中的情

况，难以完全合理地控制焊接顺序；

（4）焊接电流偏大、规范选择不合理，造成焊接时焊缝区域吸纳的焊接线能量同

样增大，也是产生构件焊接变形一大因素；

（5）出厂箱型梁运输中难以刚性固定情况及现场中拼工艺及二次测量控制情况。 3.2. 焊缝收缩及变形现象分类

（1）对接焊时产生与焊缝垂直的横向收缩； （2）对接焊时产生与焊缝平行的纵向收缩；

（3）T形接头角焊缝时产生与构件的角变形（围绕焊缝轴线回转或扭曲变形）； （4）厚度≤10mm的钢板，纵横焊缝拼接较多产生的波浪变形。 3.3. 控制焊接变形主要对策措施及效果

（1）首先对于易产生焊接收缩变形的情况，必须在制造前认真进行预防及纠正措

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施的技术交底，可以在开工前工艺技术交底时同步进行；

（2）根据设计规定钢桥的三维空间结构形状尺寸，并结合制作工艺，留放一定制

作工艺余量尺寸，适当增加主要易变形区域位置的工艺拉筋或工艺支撑，保持在组装及焊接中构件之间的相互稳定性；

（3）认真按构件制作焊接工艺要求，制定各主要焊缝坡口角度、坡口方向、钝边

尺寸等，焊道坡口加工，应采用数控切割或机械刨铣工艺，确保坡口加工的角度及尺寸精度；

（4）桥面板组拼焊接采用板单元反变形胎架定位划线后，对桥面板全长纵向角焊

缝最多的U形槽安装焊接，采用优化改进后的1.6mm细丝埋弧自动焊焊接及反变形等工艺。由于采取反变形措施及先进的焊接工艺和规范，对有效控制焊接变形及提高焊接质量都起到了非常关键的作用见下（图五）照片； （5）制定合理的拼装焊接顺序，规范坡口组装间隙尺寸，具体实施要求如下： A.各拼接焊接，先焊钢板宽度方向的横向较短焊缝，后焊长度方向的纵向焊缝； B.先焊焊接内应力（收缩应力）大的焊缝，分之后焊焊接内应力小的焊缝； C.对长、特别是超长焊缝（对接或角接），均应采用“中间分段双人逆向退焊法”； D.对焊缝过于集中时，应采用预留过焊孔，避免焊缝过于交汇集中一点，并实

施分段对称间隔跳焊法，对厚板对接和大角焊缝必须采用多层多道焊工艺； （6）选择合适的焊接工艺规范参数，避免大电流焊接而产生大的线能量。不同的

焊接位置，不同直径的焊丝、焊条应分别选择不同的焊接规范参数（其中焊接电流、焊接速度是控制变形和提高焊缝质量的重要参数）；

（7）工厂采用先进设施和工艺技术，可以对反装法组焊成形后的各分段进行翻身

正拼装，达到按现场安装线形进行试拼装的效果，把反装法存在的部分难以控制的变形问题消除在工厂内部，这是常规制造工艺所存在的一大技术难题； （8）做好出厂钢桥的合理平稳装车工作，对于刚性薄弱的部位，应适当加设一定

数量的工艺加强筋固定，确保钢桥在运输中不产生任何意外。

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（图五） 钢桥面板单元无卡码自动焊工艺 4. 钢箱梁焊接变形测量检验

嘉闵高架5标段钢桥工程，通过洪铺钢构制造工厂和现场技管人员及职工精心制造、精心安装，分别于09年7月--12月顺利完成了本标段中近1.6万吨高架钢桥的制造和现场安装工程。钢箱梁分阶段制造和安装的综合质量也顺利通过业主、监理、总包等单位的多次检测、验收；其外形结构主要尺寸、焊接质量均达到设计要求，更有幸赢得上海市政府领导来工地视察时的充分肯定和表扬。

钢桥制造出厂时，由上海市政钢结构专业质检部门、业主、监理等单位检查的结果见下（表二）“箱型梁制作基本尺寸质量控制检查”实测内容。

箱型梁制作主要尺寸质量控制检查报验表 （表二）

检查项目 梁 高 跨 度 L（m） 全 长 检查方法说明 测量两端腹板处高度 测量两支座中心距离 （分段出厂时按≤10mm检查） 允许偏差(mm) ±2（h≤2m） ±4（h>2m） ±(5+0.15L) ±15 实测尺寸(mm) (h>2m):均≤±3 均≤±8 均≤±15 8

盖板对腹板的垂直 度 △ 腹板中心距 腹板平面度 △ 盖板平面度 △ 盖板宽度 拱 度 支点高度差 扭 曲 有 孔 部 位 其 它 部 位 测量两端腹板中心距 横 向 纵 向 有 孔 部 位 纵 向 4m 范 围 宜用于直线段钢桥并在落架后测量（参考） 每段以两端隔板处为准 1.0 2.0 ±3 h/250 L/500 2 4 ±4 +10 -5.0 5 每米≤1, 且每段≤10 均≤2 均≤±3 均≤±8 均≤±12 均≤±2 均≤±3 均≤±4 ★工厂分段测量 符合工艺要求 在胎架上符合要求 符合设计技术规定 5. 结束语

嘉闵高架大跨度三维箱型结构钢桥，是在城市建设高架桥梁史上属于建造相 对单跨长度最长、单件重量最重、吊装高度最高的桥梁工程，其中含有着多项大型 高架钢桥制造和安装工程新技术工艺和一个企业的开拓精神。

上述对大跨度三维箱型结构钢桥在制造和安装过程中的焊缝收缩及变形控制，它是各类钢结构在焊接工艺工程中一项重要的内在质量控制范畴，是针对各类焊接工艺技术及各种结构的焊缝形式，不断深入分析研定工艺的主要工作。现总结我们多次在建造钢桥和钢结构构件实践中针对工艺难点所采取的对策措施，以便与有关单位参考或交流，也预示着洪铺钢构在将来的发展中不断互补和创新，我们决心为上海乃至国家今后的基本建设作出更大贡献是洪铺钢构公司真正的目标。 2009-12-13

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