低溫焊接工況下管線拱橋耳板開裂機(jī)理研究

陳金義，廖偉華，范佐銀

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)第十市政設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

1.1 總體布置

某大跨徑下承式鋼結(jié)構(gòu)系桿管線拱橋，跨徑布置為75 m+75 m，立面布置如圖1 所示。管線橋拱肋采用等截面二次拋物線無鉸拱，矢跨比f/L=1/5，拱肋寬度（兩條拱肋外側(cè)間距離）B=3.3 m，寬跨比B/L=1/22.73。拱肋截面為圓形，采用外徑D=600 mm、壁厚δ=20 mm 的Q345r 鋼管，采用泵送升頂法向鋼管內(nèi)部填充微膨脹性混凝土，進(jìn)口料設(shè)置在拱肋截面鋼管底部，兩拱肋間在吊桿作用處設(shè)置橫系梁。

圖1 某下承式鋼管系桿管線拱橋立面布置（單位：m）

1.2 縱梁設(shè)計(jì)

縱向壓力鋼管采用圓管形截面，采用內(nèi)徑D=1 300 mm、壁厚δ=24 mm 的Q345r 型鋼管，雙壓力鋼管軸心到軸心之間的距離為2.7 m，為增加雙壓力鋼管橫向剛度，采用外徑D=400 mm、壁厚δ=12 mm的橫撐進(jìn)行連接，橫撐間隔3.8 m，共17根，橫撐內(nèi)部不填充混凝土。

壓力鋼管平面構(gòu)造和橫斷面構(gòu)造如圖2、圖3所示。

圖2 壓力鋼管平面構(gòu)造（單位：mm）

圖3 壓力鋼管橫斷面構(gòu)造（單位：mm）

1.3 縱梁吊耳設(shè)計(jì)

吊桿采用鋼拉桿，每片拱肋下設(shè)14 根吊桿。吊桿布置間距為5.0 m，每根吊桿采用由公稱直徑50 mm的Cr40 圓鋼棒材。吊桿分為上下兩段，中部設(shè)置調(diào)節(jié)套筒螺母，調(diào)節(jié)量為50 mm。

吊耳處縱梁立面構(gòu)造和橫斷面構(gòu)造如圖4、圖5所示。

圖4 吊耳處縱梁立面構(gòu)造（單位：mm）

圖5 吊耳處縱梁橫斷面構(gòu)造（單位：mm）

吊點(diǎn)由吊耳板、側(cè)向節(jié)點(diǎn)板、加勁板、蓋板等焊接組成。吊耳板、側(cè)向節(jié)點(diǎn)板、環(huán)向蓋板均厚20 mm，環(huán)向加勁板厚14 mm，吊耳貼板厚10 mm，側(cè)向節(jié)點(diǎn)板內(nèi)側(cè)凈距為200 mm，蓋板與壓力鋼管之間凈距為120 mm?，F(xiàn)場(chǎng)焊接順序?yàn)椋合鹊觞c(diǎn)耳板，后側(cè)板及加勁，再蓋板，最后焊接另一端側(cè)板，采用CO2氣體保護(hù)焊[1]。

2 節(jié)點(diǎn)側(cè)板蓋板開裂情況

2.1 施工工序介紹

施工過程中采用支架法施工，在現(xiàn)場(chǎng)將縱向壓力鋼管焊接成形，并根據(jù)吊桿節(jié)點(diǎn)位置在現(xiàn)場(chǎng)焊接節(jié)點(diǎn)板。11月，在壓力鋼管下方搭設(shè)4 副鋼管樁支架，利用2 臺(tái)100 t 千斤頂對(duì)稱進(jìn)行頂升，頂升高度約3 cm。然后用25 t 汽車吊將鋼拉桿進(jìn)行吊裝。此時(shí)鋼拉桿調(diào)節(jié)套筒為最小狀態(tài)，吊裝時(shí)先將上部單插耳裝入鋼管拱吊耳中，再將下部雙插耳嵌入壓力鋼管吊耳中，最后利用管鉗將調(diào)節(jié)套筒調(diào)整至最佳狀態(tài)。

2.2 局部開裂情況

在落架之后，發(fā)現(xiàn)靠近27# 鎮(zhèn)墩、29# 鎮(zhèn)墩短吊桿處壓力鋼管吊耳蓋板出現(xiàn)開裂現(xiàn)象（焊趾處開裂），如圖6、圖7 所示?？拷?8#鎮(zhèn)墩吊點(diǎn)蓋板未出現(xiàn)開裂。

圖6 側(cè)板與蓋板裂縫（一）

圖7 側(cè)板與蓋板裂縫（二）

3 空間有限元模型

針對(duì)上述靠近27# 鎮(zhèn)墩、29# 鎮(zhèn)墩處短吊桿吊耳側(cè)板開裂現(xiàn)象，采用Ansys 通用有限元軟件建立耳板處的局部分析模型[2-3]，如圖8 所示。壓力鋼管采用Shell63 單元模擬，重度取78.5 kN/m3，彈性模型取2.06×108kN/m2，線膨脹系數(shù)1.0×10-5℃。

圖8 短吊桿節(jié)點(diǎn)板局部有限元模型

計(jì)算主要考慮的影響因素包括成橋后基本組合工況、架設(shè)頂升工況、低溫焊接工況作用。

3.1 基本組合工況對(duì)節(jié)點(diǎn)受力影響分析

整體模型采用Midas Civil 分析，局部模型中邊界條件為管節(jié)一端固定、另一端收縮量為2.1 mm，在基本組合下提取吊桿力200 kN，端部負(fù)彎矩取340 kN·m，經(jīng)計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)的軸向應(yīng)力如圖9 所示，蓋板處軸向應(yīng)力為-31～30 MPa 之間。

圖9 基本組合作用下吊耳軸向應(yīng)力云圖（單位：MPa）

3.2 架設(shè)頂升工況對(duì)節(jié)點(diǎn)受力影響分析

根據(jù)施工工藝，跨中頂升高度為3 cm，局部5 m節(jié)段有限元模型端部頂升高差為2 mm，經(jīng)計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)蓋板處的mises 應(yīng)力如圖10、圖11 所示。由計(jì)算結(jié)果可以得出，加勁蓋板底部產(chǎn)生壓應(yīng)力約為2.8 MPa。

圖10 短吊桿節(jié)點(diǎn)板局部有限元模型（單位：MPa）

3.3 低溫焊接工況對(duì)節(jié)點(diǎn)受力影響分析

施工過程中焊接變形收縮和整體環(huán)境溫度始終是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，焊縫的收縮變形與焊高、焊接線能量、鋼板的厚度和焊縫的橫截面積等因素有關(guān)。本工程由于吊耳節(jié)點(diǎn)尺寸較小，該構(gòu)造特點(diǎn)為局部剛度較大，無法進(jìn)行對(duì)稱施焊，側(cè)板與蓋板采用單邊角焊縫。低溫焊接工況下引起的變形量Δl=αΔtl，式中焊高取14 mm，近縫區(qū)的溫度取1 300 ℃，得出焊接變形量為0.21 mm，采用強(qiáng)制位移的方式加到焊縫處，經(jīng)計(jì)算得出局部軸向應(yīng)力高達(dá)224 MPa。

3.4 開裂原因分析

從結(jié)構(gòu)受力、施工工藝和局部節(jié)點(diǎn)焊接方面進(jìn)行理論模擬分析，發(fā)現(xiàn)吊環(huán)局部因側(cè)板+加勁橫肋作用導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)剛度較大，對(duì)側(cè)板焊接后約束的作用較強(qiáng)，殘余應(yīng)力幅很高，外加基本組合作用下的體系內(nèi)力及現(xiàn)場(chǎng)施工過程中焊縫質(zhì)量存在缺陷等因素的共同作用下，可能導(dǎo)致焊縫處拉應(yīng)力超出規(guī)范允許值[4]，是導(dǎo)致本次病害產(chǎn)生的主要原因。

4 結(jié)論

本文針對(duì)大跨徑下承式鋼結(jié)構(gòu)系桿管線拱橋在低溫工況下現(xiàn)場(chǎng)焊接后側(cè)板開裂這一實(shí)際問題進(jìn)行了理論分析，利用通用有限元軟件Ansys 對(duì)結(jié)構(gòu)局部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了空間有限元分析。分析結(jié)果表明，在現(xiàn)場(chǎng)低溫焊接工況下，側(cè)板殘余應(yīng)力較大，焊接質(zhì)量難以把控，側(cè)板局部應(yīng)力超出規(guī)范允許值，導(dǎo)致了本次病害的產(chǎn)生。今后，在遇到低溫焊接小尺寸大剛度節(jié)點(diǎn)構(gòu)造時(shí)，應(yīng)采取工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝等工藝。在尺寸允許情況下，應(yīng)選用對(duì)稱施焊以分散應(yīng)力。焊接過程中應(yīng)采取預(yù)熱、焊后緩冷、反變形法、散熱法等措施，以避免產(chǎn)生吊耳局部節(jié)點(diǎn)開裂的問題。