双面焊接抗疲劳——U肋内焊技术及其在沌口长江大桥上的应用

钢箱梁桥梁由于结构简单、用料省、建设周期短、制造成本低等诸多优点，被大量应用于大跨径桥梁建设中， 这种桥梁的面底板大多采用正交异性板结构形式。其典型截面如图1。此类面底板大量采用U肋进行加劲，U肋与面底板进行焊接连接。U肋板厚一般为6～10mm、下张口300～400mm、高度约300 mm的U形结构。

图1 典型的钢箱梁桥梁截面

由于板单元件一般较长，其长度通常在数米到十几米之间，U肋横截面尺寸又较小，内部无法焊接，因此，U肋与面底板间的角焊缝均只能在外面进行单面焊接，设计要求U肋与面底板间角焊缝的熔透深度不能小于U肋板厚度的80%。厂家在制造过程中为了满足设计要求，一般需要对U 肋开制坡口，留出0.5～1.0mm钝边，如图2所示。

（左）图2 U肋坡口加工图     

(右）图3 实际U肋焊接接头金相及成形

为了保证80%的熔透深度和获得良好的焊缝成形，板单元件一般需要在船形或亚船形位置进行焊接施工，焊缝成形及实际接头的宏观金相如图3所示。

由于U肋内侧均不能焊接，故存在一个连续或者断续的深度不大于1.6mm的开口，类似一个纵向的大“裂纹”。这将造成应力集中，抗疲劳性能差，在交变载荷的作用下， 开裂便极易发生，受力示意图如图4所示。

图4 U肋接头受力示意图

事实上，如前文所述，由于应力集中而导致的U肋角焊缝及面板的疲劳开裂现象，在国内外相同类型桥梁中经常出现，最早发生于英国的塞文桥，德国、日本、美国、荷兰、法国等国家也相继出现了正交异性桥面板疲劳开裂的案例。桥面板开裂甚至裂穿，桥面污水将流入桥梁内部， 实景照片见图5—7。

图5  图6  图7 

工作原理

整个U肋内焊系统由以下几个分系统组成：板单元件自动定位和装夹系统；小型机器人系统；机器人匹配和联接系统；远程集中控制系统；工作平台及行走系统；焊接冷却系统；焊接烟尘回收系统；焊接图像监控系统共8个分系统组成。该系统最多可同时焊接6根U肋内部的双侧角焊缝，即同时有12把焊枪进行焊接，自动化程度较高，一到两人即可操作。

采用U肋内焊系统焊接U肋板单元件的整个工作流程为：

U肋板单元件组装（半自动或全自动）→焊接U肋内部角焊缝→焊接U肋外部角焊缝→U肋板单元件校正→U肋外部角焊缝检测（常规方法检测）→U肋内部角焊缝检测（专用检测设备检测）→修补（若有）→U肋外部角焊缝修补（常规方法）→U肋内部角焊缝修补（专用设备）→验收。

U肋内焊系统的实景见图8。

图8 U肋内焊系统

焊接实况

U肋内焊系统分别采用药芯焊丝、实心焊丝、金属芯焊丝进行实际焊接，焊丝直径分别为φ1.2mm、φ1.4mm和φ1.6mm，保护气体采用二氧化碳焊接气体或富氩焊接气体，各种工艺方案均可以适应。成形的U肋内部双侧的角焊缝都比较饱满、焊缝成形美观，焊脚尺寸在6～9mm之间， 焊接完工后U肋的实景照片见图9—12。

（左上）图9 12米长U肋焊后割开  

（右上）图10 U肋焊缝成形（金属芯焊丝）

（左下）图11 U肋焊缝成形（实心焊丝）  

（右下）图12 U肋焊缝成形（药芯焊丝）

力学性能试验

由于焊接方法不变，若是采用相同的焊接材料，则U肋双面焊接的接头力学性能将与单面焊接的接头性能一致。目前，桥梁用钢的屈服强度一般为345Mpa～390Mpa，若是采用ER50-6、E501T-1等强度相当的常规焊接材料，那么对于板厚为8mm的U肋而言，则双面焊接仅需6mm的角焊缝， 此时接头强度将超过U肋本身。

实际焊接采用的是ER50-6,φ1.2mm实心焊丝，在底板为水平位置时，焊接U肋的内外角焊缝，U肋不开坡口。焊接规范及焊缝尺寸见表1。

表1

将U肋角焊缝截取下来，将U肋角焊缝及母材均加工成平行，制作成3件拉伸试样，进行拉力试验，试验结果如下：

抗拉强度分别为：540Mpa、530Mpa、535Mpa，3件试样均断在母材，说明U肋角焊缝强度大于母材。

实际试验过程照片见图13、图14、图15。

图13 加工后的U肋焊接接头

图14 U肋接头拉伸

图15 试验后的U肋焊接接头

金相试验

采用U肋内焊系统焊接U肋内焊缝后，再采用角焊小车焊接U肋外侧角焊缝，焊接材料为E501T-1，焊丝直径φ1.2mm，U肋未开坡口，从焊接完工后的U肋接头中，随机抽取3个接头，进行宏观金相试验。结果表明，焊缝熔合良好，焊缝内部无缺陷，焊缝成形美观。实际取样时的照片见图16，U肋焊接接头宏观金相结果如图17。

（左）图16 在实际焊接后的工件上随机取样  

（右）图17 三件U肋焊接接头的宏观金相

疲劳试验

U肋焊接接头的疲劳试验目的有二：一方面，U肋双面焊的实施能较明显的提升正交异性板的抗疲劳性能；另一方面，50%熔透率坡口焊缝不降低80%熔透率坡口焊缝的抗疲劳性能，有效节省焊材、提升工效。疲劳试验设计了6组对比试验模型：

①　单肋单面焊缝连接试件—S1a;

②　单肋双面焊缝（80%熔透率坡口焊缝）连接试件—S1b；

③　单肋双面焊缝（50%熔透率坡口焊缝）连接试件—S1c；

④　双肋单面焊缝连接试件—S2a;

⑤　双肋双面焊缝（80%熔透率坡口焊缝）连接试件—S2b；

⑥ 双肋双面焊缝（50%熔透率坡口焊缝）连接试件—S2c。

单肋和双肋的试验模型断面图见图18、19。

图18 单肋模型断面图（单面焊缝和双面焊缝）

图19 双肋模型断面图（单面焊缝和双面焊缝）

目前，双肋单焊缝的试件在加载470万次后应力值开始发生变化，双肋双焊缝的试件在加载900万次后，应力状态仍然稳定，具体加载方式见表2。

表2 疲劳荷载加载方式

应用了U肋内焊技术的武汉沌口长江大桥，连接武汉市四环线西、南段，是四环线工程的重要组成部分和跨越长江的关键控制性工程之一，项目线路全长8.599km，采用八车道高速公路标准建设，设计时速为100 km/h，采用公路一级标准设计，含跨江大桥主体工程3.22Km及接线工程5.379Km。其中，主桥长1510m，主跨为760m双塔双索面半漂浮体系斜拉桥，钻石型主塔，塔高233.7m，桥宽46m，为长江上最宽的大桥。图21为武汉沌口长江大桥的效果图。

图21 武汉沌口长江大桥效果图

U肋焊接施工时，先使用U肋内焊自动化生产线焊接U肋内侧角焊缝，然后焊接U肋外侧角焊缝， U肋内焊施工时的焊接实景图见图22。

图22 武汉沌口长江大桥U肋内焊施工

U肋内焊自动化生产线在狭小空间焊接系统集成技术、焊缝自动跟踪与调节技术、远距离送丝技术、焊缝成形实时监控技术等方面取得了重大突破，U肋内部角焊缝焊接外观成形美观，经检测，质量标准均符合设计图纸和标准规范的要求，实际焊接完工产品照片见图23。

图23 U肋内部角焊缝的实景及局部放大图

U肋内焊技术打破了传统U肋角焊缝焊接的技术瓶颈， 将采用特殊设计的焊接机器人送入U肋内部进行焊接，可以同时对6根U肋内部双侧的角焊缝进行焊接施工，在U肋内部预焊角焊缝，可有效降低外侧角焊缝的焊接难度，避免烧穿缺陷，增加焊缝熔深，焊接效率高，焊缝成形美观， 消除了U肋内部存在的焊接缺欠，极大地提高了桥面正交异形板U肋角焊缝的抗疲劳强度，是U肋板单元制造在焊接装备、焊接工艺、焊缝性能上全方位的技术提升。

U肋内焊技术实现U肋角焊缝的双面焊，首次在武汉沌口长江大桥的施工中得到了应用，为钢桥寿命周期内实现健康运营提供坚实的技术保障，也为焊接工艺的优化提供了广阔空间，在正交异性钢桥面板的施工中具有重要的应用价值。