CN101011781B - 桥梁钢塔柱制造过程中焊接变形控制方法 - Google Patents
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Abstract
桥梁钢塔柱制造过程中焊接变形控制方法，属于钢结构桥梁建造技术领域。本发明目的是克服大尺寸钢塔柱节段在焊接中的变形问题。各个节段按照以下步骤制作：(1)将板材下料后调直成为板；(2)在板上组装加劲肋形成板块；(3)板块对接焊接形成板单元；(4)至少两个板单元中间用横隔板单元及四个角壁板单元连接组成块体；(5)至少两个块体与中间横隔板单元、侧壁板单元、内壁板单元、外壁板单元焊接后形成一个箱体构成节段。本发明不仅对钢塔节段在制造过程中焊接变形的控制难题得到了有效解决，而且大大提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明属于固定建筑物中的桥梁建造技术领域，特别是桥梁建筑中的钢结构塔柱在制造过程中的焊接变形控制技术。
背景技术
钢结构产品符合环境保护和资源再次利用的需要，具有强度高、自重小、抗震性能好、施工速度快、地基费用省、工业化程度高、外形美观等一系列优点，许多重大工程中广泛采用了钢结构，均取得了一定的成就。尤其是美国、日本等发达国家，在大型、特大型桥梁建设中，除钢梁外、桥塔大多也采用钢结构，既提高了桥梁的美感、缩短了桥梁的建设工期，又产生了巨大的经济效益及社会效益。
近年来，我国桥梁建设取得了巨大成就，一大批结构新颖、科技含量较高的大型桥梁使天堑变通途。但在南京长江三桥建设以前，大型悬索桥、斜拉桥桥塔均采用钢筋混凝土结构。对采用钢结构的桥塔，这一标志国际桥梁建设的高尖技术在我国尚是一个空白，而南京三桥钢塔柱开创了我国桥梁索塔采用钢结构的先河。
南京三桥采用顶天立地的“人”字形索塔，总高215m，上塔柱全部采用钢结构，钢塔柱高178.696m，且在世界上首次采用曲线钢塔形式(塔柱外侧半径为720m的圆弧曲线)，造型新颖美观。钢塔柱截面为切角矩形结构，钢塔柱由21个节段组成，节段间采用端面金属接触及摩擦型高强螺栓连接并用的接头形式。
由于钢塔结构形式复杂、焊缝密集、几何精度要求极高，因此，控制焊接变形、确保尺寸精度是大尺寸钢塔制造中的关键技术，也成为亟需解决的重大难题。
发明内容
本发明目的是提出一种解决桥梁工程中具有大尺寸钢塔柱制造过程中焊接变形控制方法，使得形成的钢塔柱整体尺寸精度能够控制在标准范围内，以便顺利安装。
具体的说，在桥梁钢塔柱制造过程中焊接变形的控制方法，是按照以下步骤实现的：
(1)确定合理的有利于防止和减小钢塔节段箱体焊接变形的总体制造工艺方案，即“板→板块→板单元→块体→箱体”的制造方案，对焊接变形实现分级控制，以降低塔段整体时的焊接工作量及焊接变形的控制难度，并对板单元、块体进行了合理划分；
(2)钢塔节段制造焊接变形控制按照以下步骤和措施实现：
(2-1)将板材下料后调直成为板(1)；
(2-2)在板上焊接加劲肋形成板块(2)；
(2-3)板块对接焊接形成板单元(3)；
(2-4)至少两个板单元中间用横隔板单元及四个角壁板单元连接组成块体(4)；
(2-5)至少两个块体与中间横隔板单元、侧壁板单元组装焊接后形成一个箱体(5)构成节段。
步骤(1)所述的板单元、块体的合理划分是指内、外壁板单元有两个板块对接构成；内、外腹板由三块板块焊接成；块体是由壁板单元(9、13)、腹板单元(10、11)、角壁板(7)和边侧横板单元(6)构成并由内、外块体、两侧壁板、中间横隔板、锚箱构成箱体。
在步骤(2-2)中在板上焊接加劲肋时采用平角位的双嘴头CO2气体保护焊从肋板两侧对称同时施焊肋板焊缝，以确保肋板垂直度，减小修整量。
在步骤(2-3)中板块对接焊接形成板单元时，对接缝双面设有坡口且坡口设计为不对称形式；焊接采用埋弧自动焊工艺，施焊时先焊大坡口面、后焊小坡口面。
在步骤(2-2)和(2-3)中，板块纵肋焊接和板单元对接时，首先通过试件试制，测量出变形量，然后根据该变形量确定焊接收缩量。
在步骤(2-4)中制作在块体时，焊缝金属填充量只完成1/2。
在步骤(2-4)和(2-5)中对块体、箱体焊缝均采用在内外约束状态下的CO2气体保护焊对称、同方向、同步施焊。
在步骤(2-4)和(2-5)中组装块体和箱体时组装工艺尺寸预留量为标准公差的1.5-2倍。这样做，排除了焊接收缩变形的影响，保证了断面尺寸较大的钢塔节段的焊后误差能达到标准要求。
在步骤(2-4)和(2-5)中采取下述措施控制焊接变形：
(7-1)在角部位设置防止角部位直角90°变小的三角形马板(14)；
(7-2)在角壁板之间设置水平支撑(16)，在角壁板、腹板之间设置竖向支撑(15)来控制箱体横向和竖向尺寸变小；
(7-3)利用专用胎型(17)并结合外部约束手段控制箱体变形，并在专用胎型(17)和块体、箱体之间用角钢约束控制变形。
本发明桥梁钢塔柱制造过程中专用箱体，由内壁板单元(13)、内腹板单元(11)、外壁板单元(9)、外腹板单元(10)和两侧的侧壁板单元(8)、横格板单元(12)构成；内壁板单元(13)与内腹板单元(11)之间以及外壁板单元(9)与外腹板单元(10)之间用横隔板单元(6)及四个角壁板单元(7)连接，内、外腹板单元之间用横隔板单元(12)连接，侧壁板单元(8)与内壁板单元(13)、内腹板单元(11)、外壁板单元(9)、外腹板单元(10)焊接后形成箱体。
本发明的有益效果：
通过本发明，不仅对钢塔在制造过程中焊接变形的控制难题得到了有效解决，而且大大提高了生产效率。经过实际使用，本发明用在南京三桥钢塔制造过程中(钢塔断面尺寸5m×6.8m，断面横向和纵向标准要求均为±2mm)，取得了良好效果，其中在88个钢塔节段中，有26个在箱体焊完后未经修整就达到了标准要求，其余塔段稍作修整就达到了标准要求，大大提高了工效和制造质量。比同样高度的钢筋混凝土桥塔效率提高了四倍以上；与有40多年钢塔制造历史、已建造了100多座钢塔的日本相比，效率至少提高了两倍以上，而且采用的标准与日本最新的验收标准等同。
通过本发明的实施，取得了大量的试验数据，积累了大量的钢塔制造、尤其是精度要求极高的复杂钢结构焊接变形控制的经验，为我国桥梁钢塔柱的推广奠定了基础，也填补了国内桥梁钢塔制造的空白，为以后桥梁钢塔节段的制造积累了经验。
附图说明
图1为本发明钢塔柱的节段箱体中板单元划分示意图。
图2为本发明中组成钢塔柱的箱体节段结构示意图。
图3为本发明箱体节段组装时变形控制约束情况示意图。
图4为本发明中组成钢塔柱的箱体节段构成结构示意图。
图5为本发明中钢塔柱示意图。
具体实施方式
附图1-4及说明书技术方案部分已经给出了本发明的实施方式。以下仅对实施过程中的主要问题作一些说明。对技术方案不再重复。
(1)研究确定较为合理的钢塔节段防止和减小焊接变形的总体制造工艺方案，即“板→板单元→块体→箱体”的制造方案，对焊接变形实现分级控制，以降低塔段整体时的焊接工作量及焊接变形的控制难度，并对板单元、块体进行了合理划分。这种分单元制作并分步控制焊接变形的工艺，使焊接变形分步完成、修整，从而保证了箱体(节段)时的焊接量及焊接变形较小，有利于确保钢塔节段的几何精度要求。附图4给出了本发明从板-板块-板单元-块体-箱体的制作工艺流程。
附图1和2分别给出了组成钢塔节段的箱体中板单元和块体划分示意。箱体由内外块体、侧壁板板单元(8)、中间横隔板(12)和锚箱构成，而块体则是由壁板单元(9、13)、腹板单元(10、11)、角壁板和(7)边侧横板单元(6)构成。而内、外壁板单元由两个板块对接构成；内、外腹板由三块板块焊接成；由内、外块体、两个侧壁板、中间横隔板、锚箱构成箱体。
(2)对板单元纵肋焊接及板单元对接等做大量的焊接试验，积累弯曲变形、角变形及纵横向收缩变形等有价值的试验资料，为预变形及预留焊接收缩量提供科学依据。
(3)通过对工装研究和设计，并全面优化钢塔节段的组装焊接工艺，采取合理的焊接变形约束措施，确保钢塔节段的制造精度，为钢塔柱的整体精度控制打下了基础：
①针对钢塔节段结构形式复杂、钢板厚度大的特点，从板单元、板单元合件、块体和整体各个环节均设计专用工装，在变形控制方面，采取反变形控制、内外胎约束、刚性固定等措施控制焊接变形。
②合理优化钢塔节段在制造过程中板单元、板单元合件、块体、箱体的焊接工艺，对焊接变形控制起到了良好效果。如：通过试验，最终选择平角位的双嘴头CO2气体保护焊对称施焊纵肋工艺，既可提高生产效率，又有利于保证纵肋的垂直度要求；考虑到壁板、腹板厚度较大，为了减小对接产生的角变形，板单元合件对接采用了埋弧自动焊双面焊工艺，坡口设计为不对称坡口，施焊时，先焊大坡口面、后焊小坡口面；对块体、箱体焊缝均采用在内外约束状态下的CO2气体保护焊对称、同方向、同步焊接工艺。只是在块体时，焊缝金属填充量只完成1/2，以避免过大的焊接变形使得块体难以修整而影响箱体组装。
③研究确定合理的块体、箱体组装工艺尺寸。根据以前其它钢结构制造经验和理论分析，确定了对钢塔节段整体精度影响较大的块体、箱体的组装工艺尺寸；在生产前期，又进行了跟踪摸索，经过三次调整，最后确定了较为合理的块体、箱体组装工艺尺寸。
Claims (7)
1.桥梁钢塔柱制造过程中焊接变形控制方法，其特征是按照以下步骤实现的：
(1)确定合理的有利于减小钢塔节段箱体焊接变形的总体制造工艺方案，即“板→板块→板单元→块体→箱体”的制造方案，对焊接变形实现分级控制，以降低整体焊接变形的控制难度，并对板单元、块体进行合理划分；所述的板单元、块体的合理划分是指内、外壁板单元分别由两个板块对接焊接构成；内、外腹板单元分别由三块板块焊接成；内块体是由内壁板单元(13)、内腹板单元(11)、角壁板单元(7)和边侧横隔板单元(6)构成；外块体是由外壁板单元(9)、外腹板单元(10)、角壁板单元(7)和边侧横隔板单元(6)构成；并由内、外块体、两侧壁板单元、中间横隔板单元、锚箱构成箱体；
(2)钢塔节段制造焊接变形控制按照以下步骤：
(2-1)将板材下料后调直成为板(1)；
(2-2)在板上焊接加劲肋形成板块(2)；
(2-3)板块对接焊接形成板单元(3)；
(2-4)内块体是由一个内壁板单元和一个内腹板单元中间用边侧横隔板单元及四个角壁板单元连接构成；外块体是由一个外壁板单元和一个外腹板单元中间用边侧横隔板单元及四个角壁板单元连接构成；
(2-5)箱体的内、外块体用中间横隔板单元、两侧壁板单元组焊，一个箱体(5)构成节段。
2.根据权利要求1所述的桥梁钢塔柱制造过程中焊接变形控制方法，其特征是在步骤(2-2)中在板上焊接加劲肋时采用平角位的双嘴头CO2气体保护焊从肋板两侧对称同时施焊。
3.根据权利要求1所述的桥梁钢塔柱制造过程中焊接变形控制方法，其特征是在步骤(2-3)中板块对接焊接形成板单元时，对接缝双面设有坡口且坡口设计为不对称形式；焊接采用埋弧自动焊工艺，施焊时先焊大坡口面、后焊小坡口面。
4.根据权利要求1所述的桥梁钢塔柱制造过程中焊接变形控制方法，其特征是在步骤(2-2)和(2-3)中，劲肋焊接和板块对接焊接时，首先通过试验测量出变形量，然后根据该变形量确定焊接收缩量。
5.根据权利要求1所述的桥梁钢塔柱制造过程中焊接变形控制方法，其特征是在步骤(2-4)中制作内、外块体时，焊缝金属填充量只完成1/2。
6.根据权利要求1所述的桥梁钢塔柱制造过程中焊接变形控制方法，其特征是在步骤(2-4)和(2-5)中对内、外块体、箱体焊缝均采用在内外约束状态下的CO2气体保护焊对称、同方向、同步施焊。
7.根据权利要求1或者5所述的桥梁钢塔柱制造过程中焊接变形控制方法，其特征是在步骤(2-4)和(2-5)中组装内、外块体和箱体时组装工艺尺寸预留量为标准公差的1.5～2倍。
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Owner name: CHINA RAILWAY BAOJI BRIDGE GROUP CO., LTD. Free format text: FORMER NAME: BAOQIAO CO., LTD., MINISTRY OF RAILWAYS |
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Address after: 721006 Baoji Qing Jiang Road, Shaanxi, No. 80 Patentee after: China Railway Baoji Bridge Group Co., Ltd. Address before: 721006 Qing Jiang Road, Weibin District, Shaanxi, Baoji Patentee before: Baoqiao Co., Ltd., Ministry of Railways |
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Inventor after: Li Junping Inventor after: Li Yi Inventor after: Hong Jun Inventor after: Shi Yongji Inventor after: Zhang Baode Inventor after: Sun Yingwu Inventor before: Li Junping Inventor before: Li Yi Inventor before: Shi Yongji Inventor before: Zhang Baode Inventor before: Sun Yingwu |
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| CB03 | Change of inventor or designer information |