鋼箱梁制作變形因素分析及控制實(shí)踐

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題。本文對鋼箱梁施工過程中變形進(jìn)行研究，希望對鋼箱梁設(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，北距天安門約 50km、距首都機(jī)場約 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。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

通過采用胎夾具或其他臨時支承方法，增加結(jié)構(gòu)在焊接時的剛性，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謩e裝配焊裝，使不對稱的焊縫和收縮量較大的焊縫在焊接過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。一般來說，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)。對于截面形狀對稱的結(jié)構(gòu)，盡可能采用對稱焊接方法，如圖3-3所示.

（4）預(yù)留焊接余量

箱梁在焊接過程存在焊后收縮變形，計(jì)算單層對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。縱向收縮變形即沿焊縫軸線方向尺寸的縮短。設(shè)焊接前的長度為L，焊后的長度為L-Δx。Δx的大小取決于焊縫長度、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;焊縫的長度越長，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;

對箱梁的底板沿軸線長度方向計(jì)算在拼焊底板過程產(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，鋼板拼接時雙V對接焊縫收縮量近似值取值范圍如圖3-4所示。

該工程最長跨度40.0m的鋼箱梁，箱梁底板和腹板投影長度為39980mm。單塊鋼板長度平均按7000mm計(jì)算，腹板產(chǎn)生6條對接焊縫。鋼板厚度δ=16mm，ΔB=0.908*e∧（0.0464*δ）計(jì)算出單條對接縫產(chǎn)生橫向收縮量ΔB=1.9mm。腹板總長度方向上為總收縮量為11.4mm;結(jié)合焊接過程綜合因素確定單條腹板下料總長加15mm下料加工余量。鋼梁底板長度為40000mm，寬度3410mm，在長度方向上單塊鋼板長度平均按7000mm計(jì)算，產(chǎn)生6條對接焊縫。根據(jù)公式ΔB=0.908*e∧（0.0464*δ） 算出單條對接焊縫產(chǎn)生橫向收縮量ΔB=1.9mm。底板總長度方向總收縮量為11.4mm。在拼接底板過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。

底板焊縫在長度方向上總的收縮量ΔB+ΔL=24.8mm。即在鋼梁底板下料中長度方向加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，最大預(yù)拱度值）、（跨長，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)對各點(diǎn)y值實(shí)測，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)過制造過程控制措施的實(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，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。

鋼箱梁具有受力條件好、操作簡單、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，越來越多公路建設(shè)項(xiàng)目運(yùn)用。本文通過分析鋼箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，明確主要變形種類，初步估計(jì)出鋼梁變形量，制定簡潔有效、操作性較強(qiáng)變形控制措施，為今后制作同類構(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