【摘要】近年來，抗風性能優越的扁平鋼箱梁作為大跨度索支撐結構（懸索橋和斜拉橋）的加勁梁得到廣泛應用。從制造角度來看，鋼箱梁為全焊板系結構．即將鋼箱梁劃分成若干類帶縱橫加勁肋的板單元構件在工廠預制，然后分段組裝焊接成箱梁，現場逐段吊裝焊接連成整體。基于這一制造架設特點，對鋼箱梁的幾何精度要求極高。而幾何精度主要取決于焊接收縮變形的控制。以南京長江二橋為例，一節長15m的標準梁段．焊縫總長達5000余米，共有40多種類型焊接接頭，采用了CO2氣體保護焊、埋弧自動焊、手工弧焊等多種焊接方法，其焊接變形控制是非常復雜的課題。本文概要介紹了各種條件下焊接變形的測試結果，以及鋼箱梁組焊中焊接變形的系統控制方法。
【關鍵詞】鋼箱梁 焊接殘余變形 焊接橫向收縮

一．焊接殘余變形的機理及影響因素
1.焊接殘余變形
鋼材的焊接通常采用熔化焊方法，是在接頭處局部加熱，使被焊接材料與添加的焊接材料熔化成液態金屬，形成熔池，隨后冷卻凝固成固態金屬，使原來分開的鋼材連接成整體。
由于焊接加熱，熔合線以外的母材產生膨脹，接著冷卻，熔池金屬和熔合線附近母材產生收縮，因加熱、冷卻這種熱變化在局部范圍急速地進行，膨脹和收縮變形均受到拘束而產生塑性變形。這樣，在焊接完成并冷卻至常溫后該塑性變形殘留下來。表1為焊接殘余變形的基本形式。實際結構中，焊接殘余變形呈現出由這些基本形式組合的復雜狀態。

2．影響焊接變形的因素
影響焊接變形的主要因素如下：
（l）焊接方法：鋼橋的焊接連接通常采用手工弧焊、CO2氣體保護焊、埋弧自動焊等焊接方法（包括針對不同焊接接頭形式選用的施焊工藝參數）。因這些焊接方法輸入的熱量不同，引起的焊接殘余變形量也不同。
（2）接頭形式：鋼橋接頭通常有對接接頭、T型接頭、十字型接頭、角接頭、搭接接頭和拼裝板接頭。一般采用對接焊縫的角焊縫，包括板厚、焊縫尺寸、坡口形式及其根部間隙、熔透或不熔透等。即構成焊縫斷面積及影響散熱（冷卻速度）的各項因素。
（3）焊接條件：預熱和回火處理，以及環境溫度等對鋼材冷卻時溫度梯度的影響因素。
（4）焊接順序及拘束條件：對于一個立體的結構，先焊的部件對后焊的部件將產生不同程度的拘束，其焊接變形也不相同。為防止扭曲變形，應采用對稱施焊順序。

二、南京二橋的構造特點
1.鋼箱梁結構特點
南京二橋鋼箱梁全長1238m，主跨長628m，是目前世界第三，中國第一的大跨度鋼箱梁斜拉橋。全橋鋼箱梁分成 93個節段，標準梁段長 15m，寬 38.2m，高 3.5m。圖 1為鋼箱梁橫斷面圖。共劃分成55塊帶縱橫加勁助的板單元構件在工廠預制，然后在橋位附近的組裝場正裝法拼裝焊接成鋼箱梁節段，而后船運至橋下吊裝就位，焊接連成全橋。

2.鋼箱梁幾何精度控制方法
從上節所述的制造和安裝順序看，鋼箱梁幾何尺寸的控制要點及控制措施加表2。

三、焊接收縮量測量試驗
由鋼箱梁結構特點及其幾何尺寸控制項點可知，除寬度及相鄰梁段U型肋匹配與焊接橫向收縮密切相關外，其他項點均可通過焊后處理措施達到精度要求。所以準確掌握梁段板塊焊接橫向收縮量是控制鋼箱梁段制造幾何尺寸精度的關鍵，所以本文僅就各種條件下的焊接橫向收縮量進行了詳細測量。
1.板塊焊接工藝參數（表3）

2.測量試驗簡介
為了減少組裝胎架上的焊接工作量，先在胎架側的平臺上將 2.4m寬的板單元構件兩兩拼接成 4.8m寬的塊件，簡稱拼板，這就使胎架上拼接工作量減少約一半。由于胎下和胎上的拘束條件不同，按不同板厚，對其焊接收縮量分別進行了測量。另外，根隔板長約33m。考慮運輸條件分成三塊制造，胎架上立焊拼接。因下端已與底板和斜底板焊連，呈較強拘束狀態，上端為自由狀態，對其橫向收縮變形也進行了測量。測量標距取300mm。為減少溫差影響，測量時間定在溫度相對恒定的時間內進行。
3．測量結構及分析
對相同板厚、相同焊接工藝、相同拘束條件，橫向收縮值按焊縫根部間隙分組，各組數據分布直方目如圖2所示。圖中G為焊縫根部間隙，Δ為焊接橫向收縮量。
圖3表示圖2中的縱向對接焊引起的橫向收縮平均值與根部間隙的關系。

焊接方法及其工藝參數相同，縱向對接焊縫引起的橫向收縮量可歸納為焊縫斷面積、板厚和坡口根部間隙的函數，以公式（1）的形式表示：

t——板厚，單位mm；
G--焊縫根部間隙，單位mm；
a，b--經驗系數，隨焊接條件變化而變化。
將圖3中各組數值按公式（1）進行回歸，可得各回歸參數如表5。圖3各圖中的斜線為按公式（l）計算所得直線。
從相關系數可知，利用回歸所得系數a，b值（表5）及公式（1），可以較準確地預測給定焊接條件下的焊接橫向收縮量均值，通過均值及其標準偏差回，可以預測橫向收縮量范圍。

從圖3和分析可得如下結論：
（1）焊接工藝相同，板厚相同，約束條件相同，橫向收縮量隨坡口根部間隙增大而增大，呈線性關系；
（2）圖3（a），（b），（c）比較可知，焊接工藝相同，拘束條件相同，坡口根部間隙相同，橫向收縮量隨板厚增加而增加；
（3）約束條件對橫向收縮量影響顯著。
圖3（a），（d）中因板厚相同，約束條件相同，所以橫向收縮量非常接近。圖3（b），（e）中雖然板厚相同，但拘束條件不同，所以總拼時的測量值小于拼板時的測量值。說明總拼時橫隔板對頂板的約束強于拼板時柔性馬板的約束。
圖4為橫隔板測點的布置及焊接橫向收縮
量均值隨測點位置變化情況。接施工順序，橫隔板下端和底板橫助焊接后，才進行相鄰橫隔板單元對接焊接，施焊順序從下向上。圖4表明，越接近底板強約束端，收縮量越小，越接近上側自由端，收縮量越大。

四、焊接橫向收縮變形的補償
根據測試結果及分析，南二橋制造過程中采取一定措施對焊接橫向收縮量予以補償：①頂板、底板、斜底板等單元下料寬度比設計尺寸放寬 3mm，即縱基線兩側每側放寬1.5mm。橫隔板單元件長度放長2.0mm；②考慮焊接收縮變形的離散性以及頂板、底板總拼時多道焊縫引起收縮變形誤差的累積，在面板和底板邊緣處各留一塊板單元件配切寬度（見圖1）。

五、結語
本文測量并分析了南京長江二橋鋼箱梁制造過程中各種情況下板單元焊接橫向收縮量，建立了相應的經驗公式，并依據分析結果采取補償措施，同時還采取一系列措施有效控制了鋼箱梁的長度、高度、拱度、平面度及梁段間匹配，使鋼箱梁外型尺寸達到設計精度要求。

參考文獻
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