钢结构制造属于很大的范畴，涉及领域包括海上重工、钢结构桥梁、重特大钢结构,等等。钢结构制造最关键的环节即是焊接工序。经过几十年的发展，焊接技术得到长足的发展，特别是在常规钢板(如屈服强度420Mpa以下的钢板)，从薄板到厚板具备一整套丰富的制造焊接工艺经验。

钢结构具有较强的专业性，很多设计人员对其了解不足，往往参考既有工程错误实例细节进行设计，给加工制作带来很多问题。 为了更好地提升钢结构桥梁建造品质、降低建设成本、提高生产效率，应从设计阶段统筹考虑钢结构桥梁的工厂化制造等问题。本文针对经常见到的问题进行探讨，希望在设计阶段或图纸工艺性审查阶段能将不合理的要求和细节进行优化，使钢桥细节设计更趋合理、可靠，具有较好的工艺性、经济性，便于工厂制造和现场安装。

     

     

常用知识点普及

     

     

     

      钢箱梁断面大样    
 

 

钢结构桥梁具有自重轻、工厂化制造、质量稳定、便于实现装配化施工等优点，为世界桥梁界所推崇。合理的钢结构设计既要重视整体设计，也要重视结构的细节设计，尽量采用简洁的构造形式，除了考虑结构的使用性能外，还应考虑结构制造的工艺性，才能获得符合设计要求的产品质量。但在长期的工程实践过程中， 部分设计人员存在一些认识上的误区，例如盲目加大焊缝尺寸，盲目提高焊缝等级，对结构细节的工艺性考虑不足等， 致使在建造过程中存在很多问题，给工程的质量、成本和安全带来影响。钢箱梁常见可可根据箱室数量分为单箱单室，单箱多室等。

  

     

     

钢箱梁现场组装节点

     

     

     

所有分段位置及分段接口错缝必须满足设计文件及相关规范要求，分段位置与支点位置保持足够的距离； 顶、底板及腹板接缝相互错开至少200mm 。

钢箱梁节段间现场拼接位置 应尽可能设置在厚、薄板对接处 ，如无法实现，则应确保现场 拼缝位置距离厚、薄板对接位置不小于1000mm 。

应充分考虑吊装顺序，便于现场吊装就位及节段间的组拼合拢。

充分考虑制造、运输及吊装对钢箱梁节段重量及尺寸的限制，同时必须确保钢梁每个单元体在运输及吊装过程中的结构稳定。

      焊缝要求  

     

     

钢结构焊缝要求

     

     

     

工地焊接材料主要材质为Q355qD，采用的焊接方法为 CO2气体保护焊单面焊双面成型 ，即焊缝反面贴陶质衬垫，正面采用CO2气体保护焊填充及埋弧焊盖面。

现场焊接顺序，根据先焊长焊缝，后焊短焊缝，先焊熔敷量大的焊缝，后焊熔敷量小的焊缝的原则，制定现场焊接的焊接顺序。

桥段工地连接焊缝：先焊顶、底板的横向对接焊缝，后焊腹板的对接焊缝，最后焊加劲肋嵌补段的焊缝。

埋弧自动焊焊剂覆盖厚度不应小于20mm，且不大于60mm，焊接后应等焊缝稍冷却再敲去熔渣。如在焊接过程中出现断弧现象，必须将断弧处刨成1:5的坡度，搭接50mm施焊。

角焊缝的转角处包角应良好，焊缝的起落弧处应回焊10mm以上；多层多道焊时，各层各道间的熔渣必须彻底清除干净。

  

     

     

拉索（吊杆）做法

     

     

     

吊杆为桥梁重要传力构件，应选用具有资质、技术可靠的制造厂家。

吊杆施工时必须进行安装监控。

吊杆挂设时，应对吊杆力和桥面标高进行检测，吊杆力和标高与设计值出现偏差时，必须予以检查和纠正，具体以挂吊索时的施工监控指令为依据。

  

     

     

钢组合梁主次梁节点

     

     

     

钢梁应在厂内按施工控制确定的预拼线形进行预拼装，预拼装重点检验拼接节点栓孔的重合率，预拼装合格后进行涂装等后续作业，并留下2个梁段参与下一轮的预拼装。

吊装梁段拼装及吊装梁段之间的预拼只有在顶板与底板之间的温差小于±2℃的温度条件下方可进行；如试装过程中温度偏离标准温度，则应得出和标准温度的相互关系。吊装梁段拼装及预拼过程中应采取措施，克服温差带来的影响；

钢梁连接用 高强度螺栓采用10.9S 级，符合《钢结构用高强度大六角头螺栓》（GB/T1228-2006）的要求，螺母符合《钢结构用高强度大六角螺母》（GB/T 1229-2006）的要求，垫圈符合《钢结构用高强度垫圈》（GB/T 1230-2006）的要求，技术条件符合《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》（GB/T 1231-2006）的要求。

  

     

     

梁板组合节点

     

     

     

预制板安装前务必仔细核对，对号入座，防止差错。另外，预制板的存放顺序应考虑能够适应预制板安装顺序的要求。

预制板混凝土强度达到设计强度100%后方可脱模起吊。

桥面板运输、吊装系统应保证足够的稳定性及良好的可操作性，其工作过程期间对钢结构及预制板产生较小的冲击力；

桥面板安装时，严格按照图纸中桥面板分类进行布置，避免出现钢筋干扰。

     

     

预埋件图

     

     

     

  

关于焊缝相关知识可点击图片查看

     

     

设计考虑不足案例

     

     

     

某项目索塔钢锚箱施工图设计要求承力板与端壁板熔透焊接（图1），由于两承力板之间的距离仅为300—360mm，拼装完成后形成一个封闭空间，焊工或操作机均无法达到该部位。该结构索力通过承压板传递给承力板，再由承力板与锚腹板的熔透焊缝传递给锚腹板。经计算，承力板与锚腹板的熔透焊缝完全满足受力要求，但设计认为不保险，要求承力板与端壁板焊接并熔透，实施时在承力板上开孔，但开孔后焊接操作难度仍然很大，部分区域仍无法焊接，经检测，可达性较差的部位焊缝存在较多缺陷。近年桥梁的索塔钢锚梁结构设计时，设计院进行了全面的受力分析，将该部位断开不连接（图2），这样传力路径很明确，在工艺上能确保关键焊缝的质量，提高了结构的可靠性。

图1 某桥锚箱焊接可达性示意

图2 索塔钢锚梁构造示意

02

大型斜拉桥锚固构造部位以及钢桁梁节点板，在结构上需要采用圆弧过渡处理以减小突变部位的应力集中。如图4所示锚拉板熔透焊接于钢梁的顶板上，设计时焊缝两端采用圆弧过渡，焊接完成后将端部打磨匀顺至与钢梁顶板平齐。如果按此图施工将会导致端部圆弧区域焊缝无扫查面而无法进行无损检测。通常焊缝的端部残余应力较大，焊接缺欠也相对较多，是检测的重点区域。笔者曾在某单位见过在该处增加一块引板来处理，这样处理方法在UT检测时超声波将被引板界面反射，根本无法检测到焊缝。在实际加工时，我们将该部分区域加宽整体下料，以满足检测宽度，待焊接检验合格后用切割机沿圆弧切割，并对切割面打磨至设计要求（图5）。这样做增加了钢材用量，但保证了端部焊缝的质量。

图4 锚拉板与钢梁连接构造细节

图5 锚拉板端部圆弧处加宽示意

03

钢结构上的焊缝根据其传递荷载不同分为工作焊缝和联系焊缝。工作焊缝与被连接的构件是串联关系，承担传递全部载荷的作用；联系焊缝与被连接构件是并联关系，它传递较小的载荷。正确的焊缝设计是确保钢桥安全性的关键，通常在设计时工作焊缝的强度必须计算，而联系焊缝的强度不需要计算，对于既有工作应力又有联系应力的焊缝，则只计算工作应力。但在部分项目中，设计者对焊缝没有信心，或对焊缝的受力情况没有进行仔细计算，怀着焊缝尺寸宁大勿小的心理，更极端的是见焊缝就熔透的情况也经常出现。

04

对于桁梁结构杆件均按铰接计算杆件内力，除特殊情况考虑杆端次应力外， 杆件均按轴向受拉或受压计算 。对于全断面拼接时，焊缝的轴向应力与板件一样，加大焊缝尺寸主应力并不降低，此时翼缘板和腹板间的剪应力很小。在非全断面拼接时，腹板上的轴向力通过与翼缘板的焊缝传递给翼缘板和节点板，此时在拼接区域腹板与翼缘板的焊缝传递较大的剪切应力。

05

日本港大桥对棱角焊缝尺寸大小进行过深入的研究，其成果值得我们借鉴。港大桥将杆件分成中间部位和节点接头部位（图6），外侧半V形坡口焊缝高度为  +5mm（计算时取为  +3mm），并且在杆件全长中采用一样的坡口深度。在节点和接头部位在箱内侧焊接角焊缝，杆件端部的角焊缝同时具有密封防腐的作用，焊脚高度为  mm。对受压构件的中间部位，考虑板件的初始变形采用内侧焊接角焊缝，用最小焊缝能够满足应力时，焊缝高度为一道能焊成的7mm。

图6 港大桥焊缝构造细节示意

06

南京大胜关桥取最大的非全断面拼接H形竖杆进行计算分析，焊脚尺寸h=  =10mm时，焊缝的正应力为93MPa，拼接范围最大剪应力为57MPa，远小于容许剪应力；将焊脚尺寸增大到20mm时，正应力基本没有变化，拼接区剪应力为37 MPa，虽然比容许应力更小，但没有必要加大焊缝。这些情况说明，H形杆件角焊缝不必开坡口，焊脚尺寸采用   mm，棱角焊缝坡口尺寸用  +3mm是偏于保守的合理值。

若盲目加大焊缝尺寸将会带来很多不利的影响，例如产生较大变形，在某钢箱梁悬索桥施工时，锚箱部位的承力板为40mm厚钢板，斜底板为10mm薄钢板（图7）， 前期设计要求承力板与斜底板熔透焊接，在工程首件制造过程按熔透焊接制造，焊接完成后斜底板严重变形，经沟通将该焊缝改成K8角焊缝，焊接变形大幅减小，受力也满足要求。

图7 某桥锚箱构造示意

07

过渡担心焊接残余应力的影响。 焊接是一个热加工过程，在焊接热输入的影响下焊缝及热影响区金属发生塑性变形和相变，这种塑性变形和相变是不可逆的，焊接结束后保留在接头中，于是产生焊接应力和变形。我公司在孙口黄河桥整体节点进行过焊接应力的测试，测试的结果表明，最大残余应力均已超过钢材的名义屈服点。焊接残余应力对结构的影响非常复杂，很多设计者和业主对其感到不安，曾有业主要求对某钢箱梁进行整体退火以消除残余应力，这是不现实也没有必要，反倒会引起大的热变形。

钢结构作为塑性结构，具有较好的变形能力，同时，焊接残余应力具有自平衡的特点，焊接应力随着反复加载和卸载，其应力峰值会逐渐减小。通常只对有发生脆性断裂危险的厚截面结构，厚度超过一定限度的压力容器，对加工精度要求较高的结构和有应力腐蚀危险的结构才考虑消除焊接残余应力。对于桥梁钢结构，如果消除焊接应力，将会同时使结构产生无法恢复的变形，导致结构失去功能而报废。国内外的大型桥梁结构从来不做消除应力处理，工程实践也证明，不消除焊接应力也没有任何问题。当然，在设计和制造加工环节还是应该采取措施减小焊接残余应力的影响。