超大截面钢桥异形塔柱及其制作方法

摘要

本发明涉及一种超大截面钢桥异形塔柱的制作方法，其特征在于所述异形塔柱包括三个单元件：顶部圆管结构段（1）、主体横断面为三块超厚板组成的等边三角形柱体（2）和铸钢件底座（3），等边三角形柱体（2）的三块壁板分别由多块自上而下逐渐增厚的钢板组成，所述方法包括以下步骤：步骤一、计算机零件放样；步骤二、下料切割；步骤三、单元件坡口开设；步骤四、单元件划线、装配、焊接、矫正；步骤五、制作胎架，设置牙板，绘制地样；步骤六、塔柱整体焊接；步骤七、电加热消应。

说明书

技术领域

本发明涉及钢结构制作技术领域，具体是涉及一种超大截面桥梁异形塔柱及其制作方法。

背景技术

超大截面桥梁异形塔柱节段为上海市云翔大型社区配套蕴藻浜大桥针形独塔斜拉桥下塔柱。其主体横断面为三块超厚板组成的等边三角形，截面尺寸由上端向下渐缩，截面最大尺寸3682*3682（mm），最小尺寸为1900*1900（mm）。塔柱主要材质为Q345qD，主体板厚均在100mm以上，最厚处达到150mm。底座为铸钢件，材质为ZG275-485H。节点部位结构复杂，焊缝密集。

此复杂结构塔柱在桥梁行业罕见，且制作过程涉及到诸多核心技术：

（1）超大截面桥梁异性塔柱坡口设计；

（2）超厚桥梁钢板（150mm）数控切割机下料技术；

（3）超大深度坡口（＞200mm）半自动开设技术；

（4）铸钢件ZG275-485H与Q345qD焊接技术；

（5）大范围仰焊技术应用；

（6）超大截面桥梁异性塔柱焊接顺序；

（7）节点、环焊缝电加热消应力技术。

采用目前的塔柱结构制作方法很难进行完整的实现。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种超大截面钢桥异形塔柱及其制作方法，采用该方法制成的塔柱结构可以很好的应用于超大截面的钢桥上。

本发明的目的是这样实现的：一种超大截面钢桥异形塔柱的制作方法，所述异形塔柱包括三个单元件：顶部圆管结构段、主体横断面为三块超厚板组成的等边三角形柱体和铸钢件底座，等边三角形柱体的三块壁板分别由多块自上而下逐渐增厚的钢板组成，所述方法包括以下步骤：

步骤一、计算机零件放样

计算机零件放样过程中，考虑焊接变形、焊接填充量的因素，优化焊接坡口，同时根据塔柱的三角形柱体特征，制定焊接防撕裂坡口，将防撕裂坡口均开设在板厚方向上；

步骤二、下料切割

制作过程中，采用数控切割机下料，确定割嘴型号为5号，钢板预留割缝补偿为3mm，切割氧压力为0.7~0.8Mpa，丙烷压力0.05MPa以上，气割速度150mm，气体流量180mm，切割后对钢板切割面进行检查，同时复核零件尺寸，检查气割面硬度，确保切割质量；

步骤三、单元件坡口开设

采用多角度多次火焰切割坡口的方式，保证气割面硬度符合规范要求；

步骤四、单元件划线、装配、焊接、矫正

单元件验收完成后，再进行整体装配拼装，并在等边三角形柱体内部进行加劲单元的焊接，最后矫正以符合设计要求；

步骤五、制作胎架，设置牙板，绘制地样

制作塔柱节段整体拼装专用胎架，并设置牙板标高，控制整体线性，绘制地样线；

步骤六、塔柱整体焊接

1）铸钢件、中部三角形柱体和顶部圆管结构段三者焊接

采用电加热对焊缝区域进行均匀加热，焊后采用电加热进行包裹，后热处理，焊接前预热温度为200~250℃，层间温度控制在230~250℃，后热温度300~350℃，后热时间3h，后热完成，石棉布保温缓冷至环境温度；

2）三角形柱体壁板之间的坡口焊接

对位于上方的两块壁板上的坡口进行常规立焊，对位于下方两侧的坡口进行仰焊，焊前预热150±10℃，然后采用电加热对焊缝区域进行均匀加热，对于仰焊坡口首先对坡口进行焊接区域的划分，并标记好焊接的优先级，采用由坡口一侧逐渐向另一侧焊接的方式进行划分，然后对于划分好的焊接区域采用多道次进行焊接；

步骤七、电加热消应

  对步骤六完成焊接后的塔柱节段环口焊缝以及中部三角形柱体拼接区域进行电加热消应。

  优选地，步骤一种坡口开设位置位于角接接头钢板的板厚方向。

优选地，步骤四中整个单元件的装配、焊接过程主要包括：三角形柱体壁板拼接，柱内加劲单元制作，壁板单元制作，圆管结构段制作四个部分。

优选地，步骤六中焊接所用的焊丝为药芯焊丝。     优选地，步骤六中采用红外线测温仪在距离焊缝75mm处进行测温，确保层间温度符合要求。

  优选地，步骤七进行电加热消应时在塔柱下方每间隔3米放置一个支座，在每个支座下放置滚动装置，确保热处理过程中塔柱的自由伸缩。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、将防撕裂坡口均开设在板厚方向上，避免在母材上发生层状撕裂，将撕裂的可能降至最低，同时减小了钢材厚度方向上母材的厚度，改变了焊接收缩应力的方向，优化部分仰焊位置坡口为横焊位置，减小焊接难度

2、采用数控切割机下料。切割前确定割嘴型号，钢板预留割缝补偿，切割中控制气体压力、流量，避免割不透、锯齿等切割缺陷。

3、采用多角度多次切割的方式，成功保证了切割面的质量，并且每个切割面均进行表面硬度的测量，保证气割面硬度符合规范要求，很好的保证了构件不等厚对接的消斜效果，并且为后续不等厚对接坡口的焊接提供了便利。

4、单元件验收完成后，再进行整体拼装，有利于控制焊接变形，并能规避整体拼装可能出现作业空间受限的情况。

5、焊前预热可以延长焊缝金属从峰值温度降到室温的冷却时间，使焊缝中的扩散氢有效溢出，避免冷裂纹的产生，同时延长焊接接头的冷却时间，改善焊缝金属及热影响区的显微组织，降低热影响区硬度，提高抗裂性能。

6、为了减少焊接残余应力，在多层多道的基础上，通过“大步骤、小道次”的控制，一部分焊缝的收缩变形先自由的释放，减少了焊缝残余应力，同时减少了焊缝发生焊接缺陷的几率。

7、焊接完成后进行去除应力热处理，主要有以下作用：

a.消除焊缝中氢，提高焊接接头的抗裂性和韧性。

b.降低焊接接头中的残余应力，消除冷作硬化，提高接头抗断和耐应力腐蚀的能力。 

c.稳定焊接结构的形状，消除焊件在使用过程中的畸变。

通过消应力退火处理，可去除焊件70％内应力，大大提高焊接构件的整体承力性能。

附图说明

图1为本发明涉及的超大截面桥梁异形塔柱的结构示意图。

图2为本发明中坡口优化示意图。

图3为本发明中制定的专用防撕裂坡口示意图。

图4为本发明中多角度、分步骤坡口开设示意图。

图5—图8为本发明单元件划线、装配、焊接、矫正的示意图。

图9—图10为本发明异形塔柱的整体拼装示意图。

图11—图12为本发明中仰焊坡口层道次、焊接顺序示意图。

图13—图16为本发明中塔柱节段整体焊接顺序示意图。

图17为本发明中热处理工艺示意图。

图18为本发明中热处理范围示意图。

图19为本发明中热处理前后维氏硬度定性分析的示意图。

其中：

顶部圆管结构段1、等边三角形柱体2、底座3。

具体实施方式

参见图1，本发明涉及一种超大截面钢桥异形塔柱的制作方法，所述异形塔柱包括三个单元件：由三个圆管柱和柱顶板组成的顶部圆管结构段1、主体横断面为三块超厚板组成的等边三角形柱体2和底座3，三角形柱体的截面尺寸由上端向下渐缩，底座为铸钢件。主要材质为Q345qD，等边三角形柱体的三块壁板分别由顶部向下逐渐变厚的钢板组成，厚度分别为100mm、120mm和150mm，铸钢件材质为ZG275-485H。节点部位结构复杂，焊缝密集，重量超过220吨。

所述制作方法包括以下步骤：

步骤一、计算机零件放样

因塔柱板厚大，结构复杂，计算机零件放样过程中，考虑焊接变形、焊接填充量的因素，优化焊接坡口，同时根据塔柱的三角形柱体特征，制定专用焊接防撕裂坡口。

图2所示，设计要求≥85％熔深焊接。实际情况下，由于焊接作业空间限制，只能反坡进行焊接。根据实际焊接条件，将熔深坡口优化为坡口较小的全熔透坡口，焊接填充量减小2/3，减小焊接变形，减少焊接应用。

同时根据塔柱特征，制定专用焊接防撕裂坡口，见图3。将防撕裂坡口均开设在板厚方向上，将撕裂的可能降至最低。

众所周知，层状撕裂是厚板焊接过程中非常严重的质量事故。其主要原因是由于钢板的内部存在有分层的夹杂物（沿轧制方向），在焊接时产生的垂直于轧制方向的应力，致使在热影响区或稍远的地方，产生“台阶”式层状开裂。

下塔柱壁板厚度达到100、120、150mm，而其三角形的特点，使得钢板之间必定为角接接头，其发生层状撕裂的倾向大。为了避免在母材上发生层状撕裂，将坡口开设于角接接头钢板的板厚方向。

此坡口主要具有以下优势：

1）减小了钢材厚度方向上母材的厚度。

2）改变了焊接收缩应力的方向。

3）优化部分仰焊位置坡口为横焊位置，减小焊接难度。

步骤二、下料切割

制作厂下料采用丙烷+高压氧的组合，进行钢板切割。超厚板的切割，关键在于下料精度及切割面质量。针对150、120、100mm厚Q345qD下料的课题，要确定切割参数，确保气割质量。

制作过程中，超厚桥梁钢板Q345qD采用数控切割机下料。切割前确定割嘴型号，钢板预留割缝补偿。切割中控制气体压力、流量，避免割不透、锯齿等切割缺陷。

经过多次试验及实际钢板切割验证，切割150、120、100mm厚Q345qD钢板采用以下参数，质量稳定可控。 

割嘴号割缝补偿切割氧压力丙烷压力气割速度气体流量5号3mm0.7~0.8MPa0.05MPa以上150mm180mm

切割后对钢板切割面进行检查，同时复核零件尺寸，检查气割面硬度，确保切割质量。

步骤三、单元件坡口开设

坡口开设，可采用常规火焰切割及铣边机两种方案。

铣边机开设坡口，为较为理想的方式。但一般铣边机仅适合开设120mm以下坡口。并且因下塔柱零件均为异形，并非常见的直条坡口。相应的，坡口种类繁多、样式复杂，需要专用切割胎架，且铣边过程中无法进行微调，很难控制坡口大小及精度。如采购新型的坡口开设装置，则至少需要300万人民币以及半年的定制时间，工程期限也不满足。

所以排除铣边机开设坡口，仍用常规的火焰切割坡口。仍采用与下料相同的施工方式，先试验后施工，确保坡口开设质量。切割坡口前进行划线，坡口开设后进行测量。

在火焰开设消斜坡口试验中发现较严重问题。当开设的坡口深度达到180mm以上时，由于切割深度过大，气流到达坡口端部时已经分散，气流压力不能有效吹除铁水，导致切割面成弧形，严重影响坡口开设质量。

最后经过多次试验，采用多角度多次切割的方式，成功保证了切割面的质量，并且每个切割面均进行表面硬度的测量，保证气割面硬度符合规范要求。

参见图4，切割顺序为：①切割枪头与水平面成75°切割第一刀；②留3mm切割补偿量，与水平面成84°切割第二刀。

通过以上方式开设的坡口，很好的保证了构件不等厚对接的消斜效果，并且为后续不等厚对接坡口的焊接提供了便利。

步骤四、单元件划线、装配、焊接、矫正

单元件验收完成后，再进行整体拼装，有利于控制焊接变形。并能规避整体拼装可能出现作业空间受限的情况。

参见图5—图8，整个单元件的装配、焊接过程主要包括：三角形柱体壁板拼接，柱内加劲单元制作，壁板单元制作，圆管结构段制作四个部分。

步骤五、制作胎架，设置牙板，绘制地样

制作塔柱节段整体拼装专用胎架，并设置牙板标高，控制整体线性，绘制地样线，严控整体装配精度。

参见图9—图10，此步骤主要包括三角形柱体与铸钢件上胎，装配中塔圆管结构段。过程中做好胎架加固，设置牙板，绘制地样。

步骤六、塔柱整体焊接

1）铸钢件、中部三角形柱体和顶部圆管结构段三者焊接

下塔柱铸钢件ZG275-485H与桥梁结构用钢Q345qD-Z25焊接节点，其中铸钢件ZG275-485H板厚为100mm，桥梁结构用钢Q345qD-Z25板厚为150mm。下表为铸钢件及Q345qD-Z25化学成分及力学性能表。

铸钢ZG275-485H与Q345qD-Z25复验化学成分

 铸钢ZG275-485H与Q345qD-Z25力学性能

牌号屈服强度（MPa）抗拉强度（MPa）断后伸长率（%）冲击功（J）Q345qD-Z25≥335≥490≥2047（-20℃）ZG275-485H≥275≥485≥2040（室温）

①焊前预热、层间温度，焊后保温：

焊前预热主要作用在于延长焊缝金属从峰值温度降到室温的冷却时间，使焊缝中的扩散氢有效溢出，避免冷裂纹的产生。同时延长焊接接头从800~500℃的冷却时间，改善焊缝金属及热影响区的显微组织，降低热影响区硬度，提高抗裂性能。

估算的预热温度公式：

 [C]化=C+Mn/9+Cr/9+Ni/18+Mo/13（化学成分影响的碳当量）；

由于Q345qD-Z25（150mm）和ZG275-485H（100mm）焊接时，接头板厚较大，考虑厚度因素，碳当量计算：

[C]厚=0.005δ[C]化（板厚影响的碳当量）

总的碳当量公式：[C]总=[C]化+[C]厚；

焊接预热温度根据经验公式：T=350（[C]总-0.25）1/2。

铸钢ZG275-485H（100mm）与Q345qD-Z25（150mm）预温度见下表： 

材质[C]化/％[C]厚/％[C]总/％T/℃Q345qD-Z250.39080.29310.6839230ZG275-485H0.28750.14380.4313149

预热温度：异种钢焊接时，预热温度应以预热温度高的钢材一侧为最低预热温度。此处，Q345qD所需的预热温度较高，考虑到《钢结构焊接规范》（GB50661-2011）对此种钢材的最低预热温度，并且为了不使焊缝及热影响区晶粒粗大，焊接前预热温度适当降低，取200℃，同时预热温度≤250℃，保证层温控制在200~250℃之间。

层间温度：为了不使焊缝及热影响区晶粒粗大，层温控制在230~250℃之间。

焊后保温：为保证焊后氢能及时溢出，防止产生冷裂纹，焊后紧急后热处理，后热温度300~350℃，后热时间3h。后热完成，石棉布保温缓冷至环境温度。

焊接过程中，温度控制要求高。采用电加热对焊缝区域进行均匀加热。焊接过程中如发现部分焊缝区域温度低于预热要求，须对此区域再次进行加热达到预热温度要求。焊后采用电加热进行包裹，后热处理。

②焊丝选用：

选用E501T-1焊丝。保证Q345qD-Z25与ZG275-485H等强连接，同时碳含量低，有效减小焊缝及热影响区的淬硬倾向，减小裂纹产生的概率。并且考虑到焊接位置为仰角焊及立角焊，采用药芯焊丝保证表面成型。

③焊接工艺参数:

2）三角形柱体深度150mm、长度15500mm的坡口仰焊技术

焊接难点：仰焊过程中，铁水的重力妨碍熔滴过渡，阻碍焊缝的冶金过程。同时，下滴的铁水也可能对焊接作业人员产生危害。仰焊技术对焊接作业人员技能水平提出了较高的要求，同时本工程仰角焊长度达到15500mm，焊缝深度达到150mm，对工程焊接作业提出了非常高的要求。

①焊接坡口：

为了避免在母材上发生层状撕裂，将坡口全部开设于板厚方向；同时此种坡口部分焊接位置接近于横焊，有利于焊接作业及焊缝表面成型。

②焊工选拔：

a.收集有焊工等级证（仰焊）的相关焊接作业人员。

b.对具有相关资质的焊工进行t=30mm试板仰焊考试。

c.选拔出技能水平过硬的6名焊工进行构件的焊接。

③坡口焊接顺序：

根据焊接工艺评定，制定坡口焊接顺序。为了减少焊接残余应力，在多层多道的基础上，通过“大步骤、小道次”的控制。一部分焊缝的收缩变形先自由的释放，减少了焊缝残余应力，同时减少了焊缝发生焊接缺陷的几率。见附图11—图12，首先对坡口进行焊接区域的划分，并标记好焊接的优先级，采用由坡口一侧逐渐向另一侧焊接的方式进行划分，此为大步骤控制，然后对于划分好的焊接区域采用多道次进行焊接，此为小道次。

④焊接工艺参数:

⑤焊接注意点：

焊前预热150±10℃。采用电加热对焊缝区域进行均匀加热。焊接过程中如发现部分焊缝区域温度低于100℃，须对此区域再次进行加热达到预热温度要求。

焊接过程控制：

a．施焊工艺参数严格按照所列焊接参数执行，严格控制焊接线能量。焊接作业过程中，质检部门须监督焊接作业参数。气保焊焊接参数不得大于上表所列的15％，埋弧焊焊接参数不得大于上表所列的10％。

b．在厚板焊接过程中，多层多道焊，严禁摆宽道。焊道宽度大于20mm，须分道焊接。

c．厚板焊接需要较长时间才能施焊完成，因此加强对焊接过程的中间检查非常重要。每焊接完一道，焊工清理完药皮后，质检员须用手电照明检查焊缝。确认无夹渣、气孔等缺陷及层间已清理干净后方可下一道焊接。若有以上缺陷或未清理干净的，须立刻进行处理。 

d．焊接过程中须严格控制层间温度。严防焊缝、热影响区域过热。红外线测温仪测温点为距离焊缝75mm处。层间温度控制在50-250℃。

e. 由于焊缝到此较多，要求焊缝起弧点、熄弧点错开25mm。

3）塔柱节段整体焊接顺序、工艺

塔柱三角形柱体及两端部焊缝焊接顺序见附图13—图16，焊接过程中多名焊工同时对称焊接，分段退焊。

步骤七、塔柱节段环口焊缝、端头节点区域电加热消应

1）技术原理

焊件在冷却过程中由于各部位冷却速度不同产生内应力，同时大型结构焊接件由于焊接量大，导致焊件内部产生大量焊接残余应力。若内应力、残余应力较大而未及时予以去除，常导致工件变形甚至形成裂纹。

去应力退火是将工件缓慢加热到工件A1点以下某个温度，保温一段时间，使金属内部发生弛豫，然后缓冷的过程。

去除应力热处理主要有以下作用：

a.消除焊缝中氢，提高焊接接头的抗裂性和韧性。

b.降低焊接接头中的残余应力，消除冷作硬化，提高接头抗断和耐应力腐蚀的能力。 

c.稳定焊接结构的形状，消除焊件在使用过程中的畸变。

通过消应力退火处理，可去除焊件70％内应力，大大提高焊接构件的整体承力性能。

2）热处理工艺

大的焊接构件，难以在加热炉内进行去应力退火，常常采用远红外热辐射方式局部退火。

根据JB／T 6046-1992 碳钢、低合金钢焊接结构件焊后热处理方法，GB 150-2011 压力容器，制定热处理工艺，见附图17。

3）热处理范围见附图18

4）施工保证

a.塔柱在热处理过程中会热胀冷缩，为防止工件产生拘束应力和残余变形，塔柱每间隔3米放置一个支座，支座下需放置滚动装置，确保热处理过程中工件的自由伸缩，参见附图18。

b.热处理过程中应严格执行热处理工艺规范，防止工件在热处理过程中温差过大造成温差应力。

5）热处理前后维氏硬度定性分析

热处理前后对此桥梁塔柱表面硬度进行测量，定性分析构件表面硬度的变化趋势，侧面表明构件内应力在电加热消应力前后的消除情况，见附图19。