天津市团泊新桥钢塔制作难点

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摘要：天津市团泊新桥采用了两个“彩针形”独塔斜拉桥，跨越独流减河两侧的深槽，斜拉桥主跨138米，副跨2x30米。我们针对本工程钢塔制作难点总结了以下两点，大型桥梁异种材质材料焊接工艺，桥梁用50mm厚度钢管相贯线型接口焊接。

关键词：异型材料焊接、钢管相贯线

中图分类号：TV547.6文献标识码： A

团泊新桥主桥采用了世界上独一无二的“彩针型”独塔斜两拉桥形式，桥塔向河道中心方向倾斜 18°，其设计主要由下塔铸钢结构和三根主塔钢管以及横向联接管构成。主塔全长120米，共分三段，下塔和中塔为受力结构，上塔为装饰结构。其下塔材料材质为船用铸钢GS20Mn5，中塔钢管桥梁用钢板，材质为Q345qD，管径1200mm，壁厚50mm，焊缝等级为超声波探伤一级，全部现场焊接。本文主要就下塔柱与钢管可焊接性工艺以及壁厚50mm钢板卷制成外管径1200mm单元管件并形成相贯线焊接形式。

团泊新桥示意图

一、异种材质可焊性研究：

下塔采用GS20Mn5铸钢结构，为壁厚150mm的空腔结构，具体断面形式见下图：

下塔铸钢件断面图 中塔与下塔联接断面图

由上图可以看出三根管径1200mm，壁厚50mm钢管与GS20Mn5铸钢结构形成T字型焊缝。

1.1 可焊性成分分析：

铸钢下塔材料为GS20Mn5，按德国标准生产，材料的化学成分要求如下表,同时，钢板生产单位提供了出厂产品合格证(20060107),确认了理化检测实际结果如下表：

表一：GS20Mn5铸钢材料化学成分（质量分数）（%）标准值，出自(德国DIN标准焊接结构用低合金铸钢 DIN17182-1992)与实测对比表

成分 C Si Mn P S Ni Cr Mo

标准值 0.17-0.23 ≦0.60 1-1.50 ≦0.02 ≦0.015 ≦0.4 ≦0.3 ≦0.15

实测值 0.21 0.28 1.21 0.010 0.005 0.23 0.23 0.079

表二：GS20Mn5铸钢材料机械性能标准值表

壁厚 σs(N/mm2) σb(N/mm2) δ Αk(J-0℃)

标准值 50mm ≧280 500-650 ≧22 ≧34

上述表格表明,构件理化性能符合德国标准要求. 该材料相当于我国ZG20SiMn。按照国际焊接学会提出的碳当量计算公式,进行碳当量计算计算如下:

Cq=C+Mn/6+( Ni +Cu) /15+ (Cr +Mo +V)/5

取C=0.21, Mn=1.21,Ni =0.23, Cr =0.23,Mo =0.079%

则Cq=0.21+1.21/6+0.23/15+(0.23+0.079)/5=0.4888%

依据《焊接技术》国际焊接学会推荐碳当量公式CE(IIW)：CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)

(式中的元素符号均表示该元素的质量分数，下同。)该式主要适用于中、高强度的非调质低合金高强度钢。当CE(IIW)＜0.40%时，钢材淬硬倾向不大，焊接性良好，不需预热；公式规定的范围

CE(IIW)=0.40%～0.60%，钢材淬硬倾向较大，焊接性较好，但有一定产生裂纹的倾向；

特别当大于0.5%时，钢材易于淬硬，焊接前需预热。

上述参数，GS20Mn5铸钢材料化学成分其碳当量为0.4888%，处于0.40%～0.50%之间，固焊接性能较好，但有一定裂纹产生的倾向，所以需匹配相应的焊接材料。

1.2 焊接材料选用：

焊条采用AWS E5015-G（J507Ni），因J507Ni属超低氢钠型药皮低合金钢焊条，焊接时采用直流反接，能进行全位置焊接，电弧稳定燃烧、飞溅少、脱渣性好。熔敷金属具有良好的塑性、低温韧性及抗裂性能。适用于较重要的碳钢、低合金钢制造的采油平台、船舶、高压容器等结构的焊接。

考虑到与GS20Mn5铸钢平台抗拉强度σb达到500-650(N/mm2)，屈服强度大于280(N/mm2)，但主塔钢管的材质为Q345qD，其σb为490 (N/mm2)，屈服强度只有345MPa，而结507焊条敷溶金属的σb保证值大于490MPa，屈服强度≥390MPa，根据低强度理论，决定采用AWS E5015-G（J507Ni）焊条。

J507Ni熔敷金属化学成分(%)

化学成分 C Mn Si S P Ni

保证值 ≤0.08 0.8~1.3 ≤0.5 ≤0.030 ≤0.030 1.20~2.00

J507Ni熔敷金属力学性能

实验项目 Rm(MP) ReL或Rp0.2(Mpa) A(%) KV2(J)

保证值 ≥490 ≥390 ≥22 ≥53(-40℃)

一般结果 500~600 400~490 24~32 100~170

1.3 施焊要求：

GS20Mn5型铸钢焊前焊后必须进行热处理，焊前预热采用火焰加热，温度控制在150℃，加热范围每侧宽度均应大于焊件厚度的1.5倍，且范围不小于100mm，施焊过程中层间温度不低于预热温度，焊后热处理应在焊后立即进行，采用石棉保温材料，保温时间为两小时。

母材 钢号 Q345qD 规

格 Φ1200×50 供货 状态 热轧 生产厂

GS20Mn5 浇铸

焊材生产厂 金桥 类型 E5015-G 烘干制度(℃/h) 350*1.5

焊接设备型号 ZX-500 电源及极性 直流反接 焊接位置 6G

预热温度(℃) 层间温度(℃) 100~150 后热温度(℃)及时间

操作要领 焊前用钢丝刷及砂轮清理坡口 焊接 工艺 参数 焊

道 焊条

(焊丝) 电流

(A) 电压

(V) 焊接速度(cm/min)

每层焊后应认真清理氧化皮、焊渣、飞溅等杂物; 打底 φ3.2 80~120 25~36 30~40

每层焊接接头应错开,不应重叠在一个位置; 中间 φ4.0 90~160 22~36 30~50

最后 φ3.2 90~140 22~36 30~40

二、50mm钢管相贯线焊接：

中塔柱由三根外径1200mm厚度50mm的主塔钢管组成，高度为77m。钢管弯曲半径为660.8m。主塔钢管之间设置横连，横连的作用有二，第一是将三根主塔钢管连接成为整体，第二是作为斜拉索的塔上锚固区，横连间距为7m，斜拉索锚固横连为外径1200mm厚度50mm的钢管，共9道，普通横连为外径800mm厚度60mm的钢管，共两道。如下图所示：

钢塔示意图

加工制作工艺流程：

由于本工程的特定造型，中塔钢管材料材质为Q345qD，管径1200mm，壁厚50mm，焊缝等级为超声波探伤一级。我们制定了，板材复验切割下料管材卷制焊接工艺组装零部件整体试拼装的制作工艺流程，出于考虑节省材料，难点就在于确定相贯线横连卷管的下料尺寸。

我们以上图中HL2-5为例来说明下料尺寸的确定，HL2-5的L长度为4200mm。展开图的长度理论尺寸应为圆周周长即，1200*3.142= 3770mm，而实际如图尺寸3613mm，即1150*3.142=3613mm，原因是钢板在卷制过程中的钢板厚度差、延展率以及卷板完成后形成对接焊缝，1150mm这个直径参数选择是我们做了几组参数选择试验得出来的，适合厚度大于30mm钢板卷管，即选择钢板厚度一半处作为外径参数。

理论上两等直径的两圆柱体，若它们的轴线相交，其相贯线也退化为平面曲线椭圆，如图所示。

我们就是以机械图中手工相贯线画法将整个直径方向96等分，在横连中间处作为基线，把每个等分线长度返到展开圆周上形成了如图HL2-5右侧的展开图。

展开图的宽度理论尺寸为，最凸处宽度尺寸应为4200mm，而图纸中展开边线的数据为3752mm，这是因为相贯线展开时候考虑到卷板的圆周变为3613mm，展开时直径变为1150，而1150线在投影图上的长度为,4200-224*2=3752mm，其它各个线的长度都是这么确定，最终形成了展开相贯线下料尺寸。

其中按照上述方法确定的尺寸展开图，进行1：1放样，利用数控火焰切割机切割板材，使用专用卷管机卷制钢板成管单元。根据主塔钢管的坐标绘制平躺下的主塔平面坐标，用28#工字钢焊接两个工装胎，分别长80m，宽10m，平均高60cm。首先安放底边的两根钢管，再定位两侧横连，定位后安装顶端钢管，使之成为三角形，最终如上图所示，分段焊接完成。

正是解决了上述两个方面的难题，我们顺利的完成了钢塔的加工制作任务，保证了工程工期。由于未来钢结构的发展多元化，关于异种材质焊接的研究实践我们还会继续下去；虽然当今各类机械画图软件多种多样，而手工机械画图方法对于相对传统的钢结构焊接来说还是不可或缺的。