楊成輝

摘要：鋼箱梁混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁是當(dāng)前比較重要的橋梁工程結(jié)構(gòu)形式，充分利用鋼材的抗拉性能和混凝土的受壓性能，鋼混組合梁在受力條件、耐久性、用鋼量等諸多方面存在優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)大力推廣。鋼箱梁施工尤為重要。改進(jìn)鋼箱梁施工工藝，提升施工質(zhì)量，延長(zhǎng)使用壽命是現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工所面臨的主要問(wèn)題。本文對(duì)鋼箱梁施工過(guò)程中變形進(jìn)行研究，希望對(duì)鋼箱梁設(shè)計(jì)及施工有一定借鑒和指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁，焊接變形，變形控制

一、依托工程概況

北京新機(jī)場(chǎng)位于北京市南部大興區(qū)，地處大興區(qū)最南端與河北省廊坊市交界處，北距天安門(mén)約 50km、距首都機(jī)場(chǎng)約 67km，西距京九鐵路 4.3km，南距永定河北岸大堤約 1km。

本項(xiàng)目是北京市軌道交通新機(jī)場(chǎng)線一期工程土建施工03合同段鋼箱梁結(jié)構(gòu)工程，其中鋼混結(jié)合梁梁2023噸，鋼混結(jié)合梁包括（32.6+40+34.9）m跨鋼箱梁、（32.6+40+26.05）m跨鋼箱梁、（32.6+40+32.6）m跨鋼箱梁、（32.6+32.6）m跨鋼箱梁，箱梁高1.7m，全寬8.4m，為單箱單室結(jié)構(gòu)，底板寬3.41m，鋼箱梁整體制作，分段安裝，共36段鋼箱梁。

二、鋼箱梁變形因素分析

由于焊接加熱，熔合線以外的母材產(chǎn)生膨脹，接著冷卻，熔池金屬和熔合線附近母材產(chǎn)生收縮，因加熱、冷卻這種熱變化在局部范圍急速地進(jìn)行，膨脹和收縮變形均受到拘束而生塑性變形。這樣，在焊接完成并冷卻至常溫后該塑性殘余變形殘留下來(lái)。焊接殘余變形可分為角變形、彎曲變形、扭曲變形、失穩(wěn)變形。

由于工程體量大焊接量大，產(chǎn)生變形的位置多，所以焊接殘余變形控制是鋼箱梁制作重中之重。

三、鋼箱梁變形控制措施

1、鋼箱梁設(shè)計(jì)措施

（1）盡可能減少焊縫的數(shù)量

在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)盡可能減少焊縫的數(shù)量，避免不必要的焊縫。盡可能用型鋼、沖壓件來(lái)代替焊接件。

（2）選擇合理的焊縫尺寸

不同厚度低碳鋼板的最小焊縫焊腳尺寸如表3-1所示。

2、鋼箱梁制作措施

（1）反變形

鋼板拼焊前將鋼板裝配成具有焊接變形相反方向的預(yù)先變形。反變形的程度應(yīng)該能抵消焊后形成的變形。如圖 3-1所示，為反變形情況下的應(yīng)用。

（2）剛性固定法

通過(guò)采用胎夾具或其他臨時(shí)支承方法，增加結(jié)構(gòu)在焊接時(shí)的剛性，達(dá)到減小焊接變形的目的。鋼梁用自制卡具（限位板）固定鋼梁底板和胎具橫梁來(lái)限制焊接變形固定方式如圖3-23所示。實(shí)踐表明剛性固定法是控制梁體波浪變形和角變形最為有效的措施。

（3）合理地選擇焊接方法和焊接順序

選用能量密度高的焊接方法，如采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊、等離子弧焊和手工電弧焊進(jìn)行薄板焊接，可以減少變形量。把結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)姆殖刹考?，分別裝配焊裝，使不對(duì)稱(chēng)的焊縫和收縮量較大的焊縫在焊接過(guò)程中能比較自由的收縮而不影響整體結(jié)構(gòu)，然后拼焊成整體。這樣有利于控制變形。

箱體焊接的順序原則是先立焊、再橫焊、后縱焊。一般來(lái)說(shuō)，先焊的一側(cè)焊縫產(chǎn)生的變形比后焊的一側(cè)焊縫產(chǎn)生的變形要大。因此焊接順序總的規(guī)律是先焊焊縫少的一側(cè)。對(duì)于截面形狀對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，盡可能采用對(duì)稱(chēng)焊接方法，如圖3-3所示.

（4）預(yù)留焊接余量

箱梁在焊接過(guò)程存在焊后收縮變形，計(jì)算單層對(duì)接焊縫的焊接收縮量，采用的經(jīng)驗(yàn)公式。加大構(gòu)件下料尺寸，用以補(bǔ)償箱梁焊接的收縮變形。

收縮變形分為縱向收縮變形和橫向收縮變形?？v向收縮變形即沿焊縫軸線方向尺寸的縮短。設(shè)焊接前的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，焊后的長(zhǎng)度為L(zhǎng)-Δx。Δx的大小取決于焊縫長(zhǎng)度、焊件的截面積、材料的彈性模量、壓縮塑性變形區(qū)的面積以及壓縮塑性變形率有關(guān)，焊件的截面積越大，焊件的縱向收縮量越小;焊縫的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，縱向收縮量越大。

縱向收縮變形，收縮量近似值公式：

ΔL=K1*Ah*L/A ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3-1）

式中：

ΔL——縱向收縮量，mm;K1——系數(shù)，取值范圍如表3-2所示;

對(duì)箱梁的底板沿軸線長(zhǎng)度方向計(jì)算在拼焊底板過(guò)程產(chǎn)生縱向收縮變形近似值。其中 K1 由表中查得為0.071，每條焊縫的截面積=16×16=256mm2（單邊坡口按45度，鈍邊2mm），鋼梁長(zhǎng)度40000mm，底板寬3410mm，板寬橫向由兩塊鋼板一條焊縫拼接，板厚16mm，底板截面積 A=3410*16=54560mm2，帶入公式計(jì)算ΔL變形量為13.4 mm。

橫向收縮變形是指沿垂直于焊縫軸線方向尺寸的縮短。設(shè)焊接前的寬度為B，焊后的寬度為B-Δy。Δy的大小與熱輸入、接頭形式、裝配間隙、板厚、焊接方法及焊件剛性有關(guān)，焊接熱輸入越大，焊件的橫向收縮量越大;裝配間隙越大，橫向收縮量越大;焊件的剛性越大，橫向收縮量越小。

橫向收縮變形，雙V對(duì)接焊縫收縮量近似值公式：

ΔB=0.908*e∧（0.0464*δ） ? ? ? ? ? ? ? （3-2）

式中：ΔB —— 橫向收縮量，mm;e——2.718282;

δ —— 鋼板厚度，mm。

經(jīng)計(jì)算，鋼板拼接時(shí)雙V對(duì)接焊縫收縮量近似值取值范圍如圖3-4所示。

該工程最長(zhǎng)跨度40.0m的鋼箱梁，箱梁底板和腹板投影長(zhǎng)度為39980mm。單塊鋼板長(zhǎng)度平均按7000mm計(jì)算，腹板產(chǎn)生6條對(duì)接焊縫。鋼板厚度δ=16mm，ΔB=0.908*e∧（0.0464*δ）計(jì)算出單條對(duì)接縫產(chǎn)生橫向收縮量ΔB=1.9mm。腹板總長(zhǎng)度方向上為總收縮量為11.4mm;結(jié)合焊接過(guò)程綜合因素確定單條腹板下料總長(zhǎng)加15mm下料加工余量。鋼梁底板長(zhǎng)度為40000mm，寬度3410mm，在長(zhǎng)度方向上單塊鋼板長(zhǎng)度平均按7000mm計(jì)算，產(chǎn)生6條對(duì)接焊縫。根據(jù)公式ΔB=0.908*e∧（0.0464*δ） 算出單條對(duì)接焊縫產(chǎn)生橫向收縮量ΔB=1.9mm。底板總長(zhǎng)度方向總收縮量為11.4mm。在拼接底板過(guò)程中為避免由于束縛產(chǎn)生的應(yīng)力，焊接順序先橫再縱。結(jié)合以上因素二者的收縮變形進(jìn)行疊加。

底板焊縫在長(zhǎng)度方向上總的收縮量ΔB+ΔL=24.8mm。即在鋼梁底板下料中長(zhǎng)度方向加25mm焊接余量。

3、鋼箱梁預(yù)拱度控制技術(shù)

（1）預(yù)拱度設(shè)置原理

預(yù)拱度是抵消鋼箱梁面層等結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的撓度，而在鋼箱梁制作時(shí)預(yù)留與位移方向相反的一種正量。

預(yù)拱度設(shè)置應(yīng)按最大預(yù)拱度值按順橋向做成圓滑曲線。該鋼梁最長(zhǎng)段40m，設(shè)計(jì)理論預(yù)拱度值138mm。

（2）預(yù)拱度設(shè)置

預(yù)拱度設(shè)置按照二次拋物線法計(jì)算，公式為：

Y=aX2+bX+c ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4-3）

將三點(diǎn)坐標(biāo)（0，0）、（最大預(yù)拱度跨長(zhǎng)，最大預(yù)拱度值）、（跨長(zhǎng)，0）帶入公式即可求得a、b、c各值。式中Y為預(yù)拱度值，X為距離原點(diǎn)的數(shù)值。由于鋼橋結(jié)構(gòu)的特殊性，在鋼梁上有眾多的縱向、橫向焊縫，產(chǎn)生焊接變形導(dǎo)致預(yù)拱度值減少，再考慮鋼梁的自重等因素，制造時(shí)預(yù)拱度值應(yīng)大于設(shè)計(jì)值。

每跨鋼箱梁預(yù)拱度值按照二次拋物線進(jìn)行布置，通過(guò)計(jì)算研究并結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)預(yù)拱度基礎(chǔ)上疊加制造預(yù)拱度40mm，即最大拱度值由138mm修正為178mm。相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)值按二次拋物線公式調(diào)整。

箱梁制造完成后，經(jīng)對(duì)各點(diǎn)y值實(shí)測(cè)，均大于設(shè)計(jì)預(yù)拱度0-10mm符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

結(jié)論：經(jīng)過(guò)制造過(guò)程控制措施的實(shí)施，該工程鋼箱梁未發(fā)生較大焊接變形，節(jié)省大量焊接變形矯正工時(shí)，降低成本，縮短工期，順利竣工，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求。本工程獲得第十四屆第一批鋼結(jié)構(gòu)金獎(jiǎng)。

鋼箱梁具有受力條件好、操作簡(jiǎn)單、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多公路建設(shè)項(xiàng)目運(yùn)用。本文通過(guò)分析鋼箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，明確主要變形種類(lèi)，初步估計(jì)出鋼梁變形量，制定簡(jiǎn)潔有效、操作性較強(qiáng)變形控制措施，為今后制作同類(lèi)構(gòu)件提供實(shí)踐參考經(jīng)驗(yàn)，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 白玲.大型鋼箱梁焊接收縮變形及其控制[J].鋼結(jié)構(gòu)。2001（3）：7-9