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钢桥建设中焊接技术的新进展
作者:不详 来源:钛业信息网 阅读:3476 时间:2007-04-11 00:51:53 栏目:行业新闻

      我国钢桥的建设已经有100多年的历史,就铁路钢桥而言,解放前由于材料、设计水平、制造水平、施工技术等条件的限制,当时所建的钢桥多是跨度很小的钢板梁桥。解放后,经过几十年的发展,我国铁路钢桥的整体技术水?#25509;辛?#38271;足的进步,使结构型式多样化、桥梁规模大型化、钢桥连接全焊化,这表现在钢桥材料的?#27426;?#24320;发利用,设计理论、设计理念、设计手段的更新和提高,科研工作的?#27426;?#28145;化并及时应用于设计、施工,同时施工、制造水平的提高。特别是近10年来,整体节点的出?#36136;?#24471;焊接不但用于构件组成,而且用于构件的联接,节省了钢材用量并使结构整体质量更加易于保障,结合梁的采用使钢桥的应?#27599;?#38388;得到进一步的拓展,主跨312m的芜湖长江公铁?#25509;?#22823;桥的建成标志着我国铁路大跨度钢桥的建设达到了一个新的高度。就公路桥梁而言,20世纪80年代中期以前,由于国家钢材缺乏,加之公路桥梁的中小跨度可?#22278;?#29992;RC梁或PC梁予以解决,使得公路钢桥极少采用钢梁,20世纪80年代中期以后,尤其是近十年来,我国公路大跨度钢桥得到了?#20260;?#30340;发展,无论是跨度还是设计制造技术都正在迅速向世界水平接近,其中已经建成采用全焊钢箱梁悬索桥的江阴长江大桥主跨达1385m,居世界第4位,采用全焊钢箱梁斜拉桥的南京长江二桥南汊桥主跨达628m,居世界第3位。可以说,20世纪世界焊接钢桥技术有了很大的发展,而20世纪的后10年,也是我国焊接钢桥技术?#20260;?#21457;展并接近世界水平的?#24179;?#21457;展阶段。 

中国钢桥技术最新进展 

1 新一代桥梁用钢的研制 

      钢桥的发展离不开桥梁用钢的?#27426;?#24320;发,但是相对于桥梁技术的发展而言,桥?#28938;?#26448;的发展虽?#40644;?#27493;早,但由于产量、用量的限制,在?#27426;?#26102;期内发展较为缓慢,16Mn、16Mnq钢在铁路、公路钢桥的应用相当广泛,并占据了相当长的时间,但也反映出钢桥设计选材上的局限性,而且16Mnq钢的板厚效应明显,限制了铁路钢桥一般桥式跨度的进一步发展。为了改变这一?#27426;?#23616;面,铁道部与原冶金部联合进?#36763;?#36866;应钢桥发展新钢种的研制,在铁路研制并应用了15MnNbq、14MnNbq钢种,其中典型的是14MnNbq,以16Mnq为基础,适当降低碳当量并加入Nb等微量元素,采用先进的控温控轧和钢液炉外精炼技术,进行正火处理,细化晶粒并降低有害元素和气体的含量,大大降低板厚效应,在钢板使用厚度上达到50mm,针对YB/168-70和YB(T)10-81中U型缺口冲击要求难?#26376;?#36275;桥梁设计要求的实?#26159;?#20917;,这一钢种采用与国际接轨的V型缺口冲击韧性作为交货条件,并具有?#24049;?#30340;缺口冲击韧性和焊接性能。芜湖长江大桥的冲击韧性交货条件为-40゜C的V型缺口冲击韧性值为120J,实?#20351;?#36135;的-40゜C的V型缺口冲击韧性值的平均值达234J。南京长江二桥要求采用WQ490E热轧钢板,其冲击韧性交货条件为-40゜C的V型缺口冲击韧性值为30J,其实?#20351;?#36135;的-40゜C的V型缺口冲击韧性值的平均值达158J。可以看出,我国桥梁用钢由于采用了先进的冶炼、轧制及热处理等技术,保证了钢板的抗断裂性能和焊接性能要求。 

2 新结构形式 

⑴ 芜湖长江大桥 

      芜湖长江大桥是国内首次采用板桁组合结构建造的一座公铁?#25509;?#26725;梁,其中铁路全长10521m,公路全长5681m,正桥主航采用主跨312m的低塔、斜拉索加劲的连续钢桁梁结构,该桥的低塔是由于受附近机场静空限制,在总体布置和方案选取上具有相当难度和复?#26377;裕?#22240;而在设计上采用了一系列新材料、新结构和新工艺,并针对设计、制造和施工进?#36763;?#19968;系列科研攻关,对荷载等级、刚度标准、钢材选型、构造细节疲劳设计、焊接韧性标准等进?#36763;?#29702;论和试验研究,为该桥的设计、制造和施工提供了保证。

⑵ SRC梁、结合梁应用于铁路桥梁 

      SRC梁是将钢梁作为劲性骨架并外包混凝土的桥梁形式,适用于跨线桥等对施工或?#28938;?#31561;有特殊要求的地段,一般使用在中小跨度的桥梁,钢梁一般为焊接工字梁,施工时可?#22278;?#24517;采用施工鹰架,在跨线施工时可?#22278;?#24433;响线下运营。这种桥梁形式充分发挥了钢与混凝土各自在力学性能上的优?#30130;?#22312;?#20998;蕖?#26085;本铁路已经使用几十年,经过铁道科学研究院的理论和试验研究,已经在京九线等新建线路和既有线改造中采用了SRC简支梁(跨度12m)、连续梁(两跨24m)和斜梁(45゜跨度27.6米斜梁)。在我国第一条客运专线秦沈线建设中采用了结合梁的结构形式,其中钢梁有工字梁和箱形梁两?#20013;?#24335;,在厂内焊接制造,运至施工现场进行混凝土部分及桥面板的灌注,共有24m、32m、48m和50m几种跨度。 

⑶ 钢管拱桥——水柏线北?#25506;?#22823;桥 

      水柏线北?#25506;?#22823;桥主桥为上承式钢管混凝土拱桥,为我国第一座铁路钢管混凝土拱桥,是目前世界上最大跨度的上承式铁路钢管混凝土拱桥,其跨度达236m,桥面距江面高差达280米,也是目前国内最高的铁路拱桥,钢管采用厂内预制,现场节段间焊接,拱圈施工采用两岸半拱平转法?#19979;#?#36716;体重量达上万吨。 

3 新构造及联接形式 

⑴ 整体节点 

      整体节点是焊接代替栓接一个重要进步,节?#20960;?#26448;并保证连接的可靠性,这一进步也是在厚板性能和焊接工艺得到保证的前提下取得的。京九铁路的孙口黄河大桥正桥4m×108m无竖杆三角形双线桁梁首次采用了整体节点、节点外拼接新技术,杆件为箱形截面,在工厂焊接制造成节段,采用整体节点使高强度螺栓节省30%,钢材节省4%。芜湖长江大桥主桥也普遍采用了整体节点。

⑵ 锚箱结构 

      南京长江二桥和芜湖长江大桥的斜拉索与桥梁连接均采用了锚箱结构形式,锚箱结构由于其整体性好、刚度大因而具有很高的可靠性。南京长江二桥的锚箱由承压板、纵锚板、盖板组成,并与钢箱?#28938;?#26495;依斜拉索角度焊接成整体。芜湖长江大桥锚箱则采用双室箱,并与钢桁?#28938;?#24378;度螺栓连接,锚箱的特点是钢板厚、钢板立体连接、几何精度要求高、焊接难度大且焊接变形难以控制。采用?#19997;?#38388;组装工艺、立体连接的高强度螺栓孔钻制、焊接?#25215;?#36873;择及焊接变形控制等保证质量要求。

⑶ 钢桥现场全断面焊接 

      秦沈客运专线是我国第一条接近高速的客运专线,对基础设施建设的标?#24049;?#26045;工质量要求很高。在我国铁路桥梁史上首次使用钢—混凝土结合全焊工型板梁。其主要优点是全桥整体性强,传力明确,省料,施工简单,造型美观,但同时,也提出了现场焊、手工焊、厚板对接焊三大技术难题。铁道部专门列科研课题进行研究,通过科研攻关、相应试验研究及焊接工艺评定,解决了上述问题,实现了现场的全断面焊接,为铁路钢桥的现场断面焊接打下了?#24049;?#30340;基础。 

4 科研成果及相关标准 

⑴ 钢桥设计理论 

      我国钢桥的设计长期采用容许应力理论和极限强度理论,其中大跨度铁路钢桥设计采用容许应力理论。铁道部?#30001;?#19990;纪八十年代开始研究可靠度理论用于桥梁设计规范,并已取得实质性进展,现在上部结构的规改工作已经完成,预计基于可靠度理论的桥梁设计规范的颁布执行将会使钢桥设计迈上一个新台阶。 

⑵ 针对钢桥建设的试验研究 

      对于新的钢桥结构和构造形式,需要相应的理论和试验研究加以保证,为此,针对H形压杆残余应力和极限?#24615;?#33021;力、整体节点受力性能、大型钢箱梁节段间焊栓受力性能、锚箱结构板材抗层?#27492;?#35010;及整体性能、实桥模型力学性能等方面做了深入的理论分析和试验研究,取得的成果为钢桥设计和制造提供?#19997;?#38752;依据。 

⑶ 铁路钢?#29260;?#21171;设计方法研究 

      铁路钢桥承受的荷载为循环往复荷载,因而既有钢桥的疲劳问题比较突出,为了解决这一问题,铁道部科学研究院结合新线建设芜湖长江大桥和高速铁路研究进?#36763;?#26377;针对性的铁路钢?#29260;?#21171;设计研究。根据芜湖长江大桥采用新材料、整体节点等特点,做了9组大尺寸构造细节的疲劳试验并回归分析得到疲劳试验曲线,结合以往数据得到芜湖桥钢梁14种构造细节的疲劳强度,为设计提供?#19997;?#38752;依据。

⑷ 焊缝强度及断裂韧性准则的变迁 

      钢桥的焊缝存在初始缺陷并处于应力集中的位置,因而是结构的薄弱?#26041;冢?#20197;往我国钢桥的防断裂设计采用常规U型缺口冲击?#36947;?#30830;定韧性指标,这难以反映钢材和相应焊缝的实?#26159;?#20917;,近年来的钢桥设计开始采用V型缺口冲击值作为韧性指标,同时将焊缝强度(韧性值)与基材强度(韧性值)匹配考虑,从而桥梁结构的整体力学性能达到最优化。芜湖长江大桥焊接接头质量标准如下:1)焊缝强度 对接焊缝屈服强度、极限强度不低于基材标准,并不超过基材标准100Mpa;角接焊缝屈服强度、极限强度不低于基材标准,并不超过基材标准120Mpa;2)焊缝韧性(包括焊缝、熔合线、热影响区) 对接焊缝及受拉的开坡口的角接焊缝各部位-30゜C时的V型缺口冲击功不低于48J;角接焊缝及棱角焊缝各部位-30゜C时的V型缺口冲击功不低于34J。 

新世纪我国钢桥发展的展望 

      我国地域辽阔,所建铁路、公路需要跨越大江、大河、高山、?#25239;?#31561;不同地域和高原、严寒等不同环境条件,我国的经济正处于腾飞的?#24049;?#21457;展阶段,可以预计,新世纪我国钢桥将会有一个更加瞩目的发展,其标志为: 

1 桥梁跨度将进一步加大,铁路钢桥的跨度将达500m左右,公路钢桥跨度将达1800m左右。 

2 使用功能对结构的要求将更?#29992;?#26174;:①速铁路?#28304;?#36328;度钢桥刚度的要求,以保证走行性、舒适性等要求;②桥梁形?#25509;?#21608;围景观的协调性;③特殊环?#24120;?#22914;青藏铁路)对钢材及结构的特殊要求。 

3 桥梁建造费用和寿命周期内维护费用的通盘考虑将会?#39592;?#26753;设计更加合理。 

4 焊接在钢桥制造和施工中所占比例将进一步加大,将?#20260;?#28938;向全焊过渡。 

5 新的结构和构造形式将?#39592;?#26753;结构形式更丰富:①现有的结构和构造形式将更加成熟并进一步推广应用;②组合结构将进一步拓展应?#27599;?#38388;;③耐候钢桥将发挥其潜力。 

6 桥梁设计手段、制造技术、施工管理水平等的更新和提高将会更加保证桥梁的总体质量和使用要求。 

7 设计理论的更新与科研成果的应用将带动钢桥技术的整体发展。

 
 
 
 
   
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