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疲勞問題 

正交異性板結(jié)構(gòu)以其重量輕、承載能力大、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是千米級(jí)的大跨徑鋼橋，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)更加明顯。但正交異性鋼橋面板因局部輪載及結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)應(yīng)力集中影響，各類疲勞開裂問題突出，其中U肋與橋面板連接焊接接頭處萌生的焊根裂紋及焊腳裂紋廣受關(guān)注。該類裂紋一旦萌生，很可能向橋面板發(fā)展形成貫通裂紋，影響行車安全，且檢測(cè)維護(hù)工作十分困難。

橋面U肋加勁屬于閉口形式，常規(guī)技術(shù)只能從外側(cè)單面施焊，U肋腹板板厚較薄，要保證不燒穿又有足夠的焊縫熔深并非易事。此外，即使實(shí)現(xiàn)了75%～85%的部分熔透焊，留下15%～25%的未熔合部分（1～2mm）,當(dāng)超載現(xiàn)象成為常態(tài)時(shí)，這1～2mm的未熔合部分應(yīng)力集中，在車輪載荷反復(fù)作用下，面板與U肋焊縫處仍然容易產(chǎn)生疲勞裂紋。

U肋焊接工藝發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)對(duì)于板厚8mm以上的U肋，要求焊縫熔透率80%以上，普遍還是選用兩道焊工藝進(jìn)行焊接，其焊縫根部相對(duì)不易燒穿，熔深也容易得到有效控制。U肋角焊縫焊接用金屬粉芯藥芯焊絲取代普通藥芯焊絲已形成共識(shí)，例如港珠澳大橋鋼箱梁所有U肋角焊縫的焊接采用了金屬粉芯藥芯焊絲，包裝方式也由容量200kg以上的桶裝焊絲取代過去15kg的盤裝焊絲。

為進(jìn)一步提高U肋角焊縫的焊接效率，近年來開始應(yīng)用雙絲氣體保護(hù)焊工藝，通過在門式焊接操作機(jī)上同一焊臂上前后安裝兩把焊槍來實(shí)現(xiàn)。雙絲不共熔池，前槍采用藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊或?qū)嵭竞附z富氬氣保護(hù)焊，進(jìn)行打底焊，后槍采用藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊，進(jìn)行蓋面焊。

U肋板單元自動(dòng)化焊接技術(shù)

在港珠澳大橋工程建設(shè)之前，我國鋼橋制造行業(yè)的自動(dòng)化水平較低，U肋板單元普遍采用導(dǎo)輪式角焊小車進(jìn)行焊接，焊縫的質(zhì)量穩(wěn)定性欠佳。2011年開始，國內(nèi)各大鋼橋制造廠通過技術(shù)引進(jìn)與自主創(chuàng)新，全面升級(jí)鋼箱梁板單元自動(dòng)化焊接技術(shù)。

（1）焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)?目前，U肋焊接的焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)和方式主要有機(jī)械輪式、感應(yīng)探頭式和電弧傳感式三種，其技術(shù)復(fù)雜度和焊縫跟蹤精度依次提高。

（2）自動(dòng)化焊接裝備?國內(nèi)幾大鋼橋制造廠借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，自主開發(fā)了U肋板單元自動(dòng)化焊接裝備，其基本結(jié)構(gòu)是在自行門架上安裝多個(gè)焊接操作臂，形成了三種各有特點(diǎn)的U肋板單元自動(dòng)化焊接方案。具體如下：一是以中鐵山橋?yàn)榇淼摹昂附訖C(jī)器人＋搖擺斜胎架”方案（見圖1a）；二是以中鐵寶橋?yàn)榇淼摹岸囝^焊接專機(jī)＋固定平胎架”方案（見圖1b）；三是以武船重工為代表的“多頭焊接專機(jī)+搖擺斜胎架”方案（見圖1c）。其中“搖擺斜胎架方案”具有“中國特色”，可使U肋角焊縫處于船形位焊接，有助于改善焊縫成形，“液壓式板單元反變形角焊搖擺胎架”先由武船重工提出，于2006年申請(qǐng)了專利。

（a）焊接機(jī)器人+搖擺斜胎架

（b）多頭焊接專機(jī)+固定平胎架

（c）多頭焊接專機(jī)+搖擺斜胎架

圖1    U肋板單元自動(dòng)化焊接裝備

各種U肋板單元自動(dòng)化焊接裝備方式的技術(shù)特點(diǎn)與使用效果比較如附表所示。

在U肋板單元的組裝定位焊方面，中鐵山橋采用了焊接機(jī)器人進(jìn)行定位焊的焊接，可有效提高定位焊縫的質(zhì)量穩(wěn)定性（見圖2）。

圖2    U肋板單元自動(dòng)組裝和機(jī)器人定位焊系統(tǒng)

U肋焊縫無損檢測(cè)及焊后矯形技術(shù)

（1）焊縫無損檢測(cè)技術(shù)?U肋角焊縫為部分熔透角焊縫，且截面尺寸小，采用常規(guī)A型超聲檢測(cè)技術(shù)的準(zhǔn)確性和重復(fù)性都存在較大的問題，因此過去一直缺乏對(duì)U肋角焊縫內(nèi)部質(zhì)量的有效檢測(cè)手段。2011年，武船重工針對(duì)8mm厚U肋角焊縫進(jìn)行了無損檢測(cè)技術(shù)研究，提出采用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)對(duì)于U肋角焊縫具有較高的檢測(cè)精度，同時(shí)指出對(duì)于檢測(cè)U肋角焊縫的焊接裂紋缺陷非常有效。

2012年，在港珠澳大橋業(yè)主的主持下，江蘇法爾勝檢測(cè)公司對(duì)U肋焊縫超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了專題研究。目前，超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)已在多個(gè)橋梁工程中應(yīng)用。

考慮到既有的超聲相控陣檢測(cè)方法僅對(duì)于U肋角焊縫縱向裂紋比較敏感，于2016年，武船重工提出了采用專用相控陣探頭騎行于U肋角焊縫上進(jìn)行掃查的方法進(jìn)行內(nèi)部橫向裂紋的檢測(cè)，具有很高的檢出率。圖3為U肋角焊縫橫向裂紋檢測(cè)的探頭掃查方式，圖4為內(nèi)部橫向裂紋的特征缺陷信號(hào)圖像。

圖3   橫向裂紋檢測(cè)的探頭掃查方式

圖4    橫向裂紋特征缺陷信號(hào)圖像

（2） 焊后矯形技術(shù)?U肋板單元焊后同時(shí)存在橫向與縱向變形，機(jī)械矯形技術(shù)難度大。武船重工于2012年研制了國內(nèi)首臺(tái)U肋板單元機(jī)械輥壓矯正機(jī)，前期使用效果不理想，在2015年通過設(shè)備改進(jìn)和矯正工藝優(yōu)化，突破了關(guān)鍵技術(shù)，滿足了U肋板單元焊后矯正需求。相對(duì)于采用火焰矯正，顯著提高了矯正工效。

U肋焊接新技術(shù)的發(fā)展

盡管正交異性鋼橋面板的設(shè)計(jì)理念和制造工藝技術(shù)得到了改進(jìn)，U肋焊縫的耐久性得到有效的提高，相關(guān)疲勞試驗(yàn)結(jié)果也滿足了規(guī)范要求（200萬次或500萬次），但面對(duì)鋼橋100年以上的使用需求和日益增加的交通壓力，進(jìn)一步提高焊縫疲勞壽命是非常有必要的。中國企業(yè)近年來在U肋焊接技術(shù)上開始了新的探索和實(shí)踐。

（1）厚邊U肋技術(shù)?厚邊U肋由鋼板連續(xù)軋制漸變成形，采用軋輥專用模具使U肋端部兩側(cè)圓弧形漸變加厚，厚度由8mm增厚至12mm，并一次性開制好焊接坡口和鈍邊。采用厚邊U肋，通過減少焊縫與板厚中心線的偏心度，增加U肋焊縫的計(jì)算厚度，以提高焊縫的抗疲勞性能。厚邊U肋的端部形狀如圖5所示。

圖5    厚邊U肋形狀

厚邊U肋技術(shù)關(guān)鍵在于U肋軋制成形過程控制及尺寸精度的保證，焊縫形式仍然為單側(cè)焊接部分熔透角焊縫，焊縫根部的應(yīng)力集中現(xiàn)象同樣存在，技術(shù)特點(diǎn)限制了其焊縫的抗疲勞性能又更大的提升空間。此外，厚邊U肋對(duì)加工過程控制要求較高，較易出現(xiàn)U肋旁彎過大、邊緣直線度超差，鈍邊尺寸不均等問題。北京三元橋、武漢楊泗港長江大橋等橋梁工程應(yīng)用了厚邊U肋技術(shù)。

（2）U肋內(nèi)焊技術(shù)?U肋內(nèi)焊技術(shù)即通過專用焊接設(shè)備，將焊槍送進(jìn)U肋內(nèi)部，進(jìn)行U肋內(nèi)側(cè)角焊縫的施焊工作，完成內(nèi)焊工作后，再進(jìn)行外側(cè)焊縫的焊接。2011年開始，武船重工與武漢鋰鑫自動(dòng)化公司聯(lián)合開發(fā)U肋內(nèi)焊技術(shù)，攻克了焊接行進(jìn)可靠性設(shè)計(jì)、狹小封閉空間焊接系統(tǒng)集成、遠(yuǎn)距離送絲、焊縫檢測(cè)及返修等關(guān)鍵技術(shù)，于2016年完成世界上首條U肋內(nèi)焊生產(chǎn)線的建設(shè)。U肋內(nèi)焊技術(shù)首次應(yīng)用于武漢沌口長江公路大橋項(xiàng)目，實(shí)施過程順利，目前正在廣東西江大橋等項(xiàng)目中推廣應(yīng)用。

通過U肋內(nèi)焊技術(shù)，將U肋與橋面板之間的連接焊縫由單側(cè)角焊縫改變?yōu)殡p側(cè)角焊縫形式，徹底改變了焊縫對(duì)U肋腹板的偏心狀態(tài)，大幅提高焊縫的計(jì)算厚度。相關(guān)疲勞試驗(yàn)表明，相比傳統(tǒng)技術(shù)，應(yīng)用U肋內(nèi)焊技術(shù)可使焊縫疲勞壽命提高到2～4倍。圖6為U肋內(nèi)焊焊接過程，圖7為內(nèi)、外焊后U肋焊縫宏觀斷面。

圖6    U肋內(nèi)焊焊接過程

圖7    U肋焊縫宏觀斷面

在U肋內(nèi)側(cè)焊接角焊縫后，再焊接外側(cè)坡口角焊縫，可避免焊縫燒穿，為外側(cè)焊縫工藝優(yōu)化提供了更為廣闊的空間，比如在U肋外側(cè)可靠地實(shí)施埋弧焊工藝，有助于提高焊接工效，改善作業(yè)環(huán)境條件。今后的技術(shù)改進(jìn)方向還包括：在現(xiàn)有內(nèi)焊設(shè)備基礎(chǔ)上，加裝U肋組裝定位設(shè)備，將內(nèi)焊焊縫充當(dāng)連續(xù)定位焊，取消外側(cè)間斷定位焊；加裝外焊自動(dòng)焊設(shè)備，可考慮U肋內(nèi)、外焊縫同時(shí)焊接等。

在實(shí)施了U肋內(nèi)焊后，形成了雙側(cè)角焊縫，中間未焊透處（每側(cè)角焊縫根部）位于U肋焊縫接頭的內(nèi)部，在橋面車輪荷載作用下其應(yīng)力幅值很低，并非疲勞裂紋敏感區(qū)；雙側(cè)焊的疲勞裂紋敏感區(qū)為內(nèi)、外側(cè)焊縫的焊腳處（橋面板側(cè)），圖8為U肋單側(cè)焊與雙側(cè)焊疲勞試驗(yàn)斷裂情況；因而，當(dāng)有條件實(shí)現(xiàn)U肋雙側(cè)角焊縫時(shí)，應(yīng)無需再要求焊縫全熔透，而應(yīng)通過改善接頭焊腳處的成形細(xì)節(jié)進(jìn)一步提高抗疲勞性能。筆者認(rèn)為：在雙側(cè)焊條件下正交異性鋼橋面U肋焊縫的熔透率要求60%左右較為合適，既保證了抗疲勞性能，同時(shí)可減小焊接工作量。

圖8    U肋單側(cè)焊與雙側(cè)焊疲勞試驗(yàn)斷裂情況

（3）U肋內(nèi)側(cè)貼襯墊單面焊雙面成形技術(shù)?U肋內(nèi)側(cè)貼襯墊單面焊雙面成形技術(shù)，即采用專用工裝進(jìn)入U(xiǎn)肋內(nèi)部，將焊接襯墊緊貼于U肋內(nèi)側(cè)與橋面板夾角處；將焊接工件置于斜胎架上，使U肋焊縫處于船形位，在外側(cè)采用埋弧焊工藝。利用強(qiáng)烈的電弧熱將焊接坡口根部母材及定位焊熔透，并借助內(nèi)側(cè)襯墊在焊縫背面強(qiáng)制成形，以此實(shí)現(xiàn)U肋焊縫單面焊雙面成形和全熔透的效果，以期大幅提高U肋焊縫的抗疲勞性能。武漢天高熔接公司進(jìn)行了該技術(shù)的研究開發(fā)，目前已完成了試驗(yàn)室階段工作。

該技術(shù)工裝設(shè)備相對(duì)簡單，焊接工效高，但因須采用大電流的焊接工藝，焊接變形會(huì)相應(yīng)增加。若要在實(shí)際產(chǎn)品的焊接中實(shí)現(xiàn)焊縫的全熔透，對(duì)于焊接坡口精度和焊接參數(shù)的穩(wěn)定性要求較高，此外焊縫背面在襯墊側(cè)被迫成形，需關(guān)注其成形質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性問題。U肋單面焊雙面成形技術(shù)的應(yīng)用效果有待在實(shí)際產(chǎn)品中的驗(yàn)證。

結(jié)語

U肋角焊縫是正交異性鋼橋面板的關(guān)鍵承力焊縫，疲勞開裂問題突出，該焊縫數(shù)量多，質(zhì)量要求高。我國橋梁建設(shè)者和焊接工作者把握重大工程實(shí)踐機(jī)遇，銳意進(jìn)取，勇于創(chuàng)新，在正交異性鋼橋面U肋焊接技術(shù)水平上趕超發(fā)達(dá)國家。

近十年來，各大鋼橋制造廠全面配置了自動(dòng)化、智能化焊接裝備，推行了金屬粉芯藥芯焊絲、雙絲氣保焊等高效化焊接材料與工藝，將先進(jìn)的超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于U肋角焊縫的無損檢測(cè)，成功開發(fā)應(yīng)用了U肋內(nèi)焊技術(shù)，以全新的技術(shù)途徑解決焊縫疲勞耐久性問題。