钢管混凝土拱桥管节点焊接裂纹成因分析及预防.pdf

公路 交通技术 2 0 1 0年 2月 第 1 期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t F e b 2 0 1 0 N o 1 钢管混凝土拱桥管节点焊接裂纹成因分析及预防 白玉慧 ，陈 枯 ，程振 国 ( 1 重庆交通大学 土木建筑学院，重庆4 0 0 0 7 4 ；2 湖北省荆门市交通局，湖北 荆门4 4 8 0 0 0 ) 摘要：钢管混凝土拱桥管节点经常存在结构不连续加工和焊接缺陷，在主支管连接的接头区，容易出现焊接裂 纹，随着裂纹不断扩展，将导致整个构件破坏，从而影响结构的服役安全性和耐久性。对管节点结构特点和焊接裂 纹产生原 因进行 分析 ，提 出避免管节点焊接裂纹产 生的预 防措施。 关键词：钢管混凝土拱桥；管节点；焊接裂纹；成因；预防 文章编号 ：1 0 0 9 6 4 7 7 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 8 2 0 3 中图分类号 ：U 4 4 8 2 2 文献标识码 ：B An a ly s i s o f Ca u s e s o f W e l d i n g Cr a c k s o n Tu b e No d e s i n St e e l Tu b e Co n c r e t e Ar c h Br i d g e s a n d Pr e v e n t i o n B AI Yu h u i ，C HEN Z h e ，CHE NG Z h e n g u o 近年来 ，随着钢管混凝土拱桥的迅速发展， 管 结构在桥梁建设 中得到 了广泛应用 。钢管混凝 土 拱桥中多采用主支管直接相贯焊接的节点构造形 式 。对焊接管结构而言 ，节点是关键部位 ，也是 整个结构的薄弱环节。一般情况下 ，管节点在焊 接部位不可避免地存在着结构 的不连续加 工和 焊 接缺陷。在支主管连接的相贯线处 ，由于焊接残 余应力 和应力集 中现象的存在 ，在交变载荷作用 下 ，接头高应力区的危险点很容易产生疲劳破坏。 随着疲劳裂纹的不断扩展 ，最后导致整个构件 承 载能力丧失 ，从而影响结构 的服役安全性 和耐久 性 。管节点除了发生疲劳断裂破坏外 ，还易发生 冲剪破坏 、塑性变形 、脆性断裂破坏 。因此 ，管 节点的安全性 、可靠性对钢管混凝土拱桥结构 的 设计使用寿命影 响至关重要 。本文简要介绍钢管 混凝土拱桥 中管节点处焊接裂纹形成的原 因以及 预防裂纹形成的有效控制措施。 1 管节点结构特点 钢管混凝土拱桥中，管节点是由几个主支管交 汇而成的三维空间薄壁结构 ，应力分布十分复杂。 其中节点是连接各个杆件的关键部位 ，也是最薄弱 的环节 ，因为节点的破坏往往导致与之相连若干杆 件的失效， 从而使整个结构破坏。根据各节点支管 在每个载荷工况下具体的载荷形式 ，节点可分 为 K 、T或Y形等类，K形节点即是一个支管中的冲 收稿 日期 ：2 0 0 9 0 7 0 9 作者简介 ：白玉慧 ( 1 9 8 2 一 ) ，女 ，山西省朔州市人 ，在读研究生 剪载荷实质上为位于节点同一平面内同一侧的其它 支管所平衡 ；在 T形和 Y形节点中 ，支管 中的冲 剪载荷被弦杆 中的剪力平衡【 l J 。图 1 是 K型管节点 的基本形式 ，管节点几何形式参数与以下几个因数 相关 ：弦杆径厚比 T ，T=D2 T ；偏心距 e ；管径 比 3 ，3=dD；壁厚 比 7 ，丁 =t 丁 ；斜杆交角 9 ； 支杆长度与支杆外半径之 比 O t ， =2 l d 。 图 1 管节点的基本形式 管节点具有下列特点 ： 1 )结构刚度大。由于管节点处的支管大都采 用钢板卷制而成 ，自身刚度大 ，弦管在很短长度范 围内及不同空间方向上集 中了 2个或更 多个支管， 管节点处刚度更大 。这种构造对满足管节点处的强 度有利 ，但却增大 了管节点焊接的拘束度 ，对管节 点焊接不利 。 2 )管节点处弦管与支管 的壁厚较大。如弦管 的厚度为 3 O一5 0 mm，而与其相连 的支管厚度为 2 04 0 m m，如此厚的管件连接处焊接加工的坡 口 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 第 1 期 白玉慧，等 ：钢管混凝土拱桥管节点焊接裂纹成因分析及预防 8 3 较大 ，焊接工作量较大 ，难度也大。并且由于管节 点处空间位置狭小 ，有时需数个焊接人员同时焊 接，也增加了焊接的工作难度。 3 )弦管与支管所用材料强度高。尤其是弦管 在此位置一般采用具有 z向性 能的 Q 3 4 5 ，其屈服 强度为 3 4 5 MP a ，抗拉强度为 5 5 0 MP a 。而支管所 用材料一般为 Q 3 4 5或 Q 2 3 5 ，其强度较高 ，增 大 了保证焊接质量的难度。 由以上管节点的结构特点可知 ，管节点焊接难 度大 ，焊接质量难保证，特别容易形成焊接裂纹。 2 裂纹 成因分析 钢管混凝土拱桥 中管结构所用材料 为 Q 3 4 5 C， 是优质低合金高强钢，其化学成分和力学性能分别 见表 1 和表 2 。 表 1 Q3 4 5 C钢化学成分 牌号 等级c Mn S i P S V N b T i Q 3 4 5 c O 2 1 6 O 5 5 O 0 3 5 0 0 3 5 o 1 5 o 0 6 0 2 从表 1中得知 ，Q 3 4 5 C低合金高强钢 P 、S等 杂质含量很低 ，在一定范围内且施焊条件理想的情 况下 ，管 节点不易产生焊接裂纹 。但在施工现场 ， 发现管节点裂纹多数分布于焊接接头的热影响区和 熔合线附近 ，且具有延迟性 ，裂纹 断面有金属光 泽 ，因而断定此种裂纹为焊接冷裂纹口 1 。冷裂纹的 提法是相对热裂纹而言，一般指在室温附近出现的 裂纹 ，其产生的条件为 6 mi n s ，即节点处局部位 置的延性 6 mi n不足以承受所发生应变 s的作用时 出现冷裂纹 。s与节点处的拘束应力有关 ， 6 mi n 与焊接冷却过程中的致脆因素有关 ，主要是淬硬组 织的存在和氢脆的作用。这 2种致脆因素的有效作 用温度区间正是在室温附近，通常在 Ms( 马氏体 转变开始温度)以下因此 ，最易在管接头冷却到 室温附近见到冷裂纹。产生这种冷裂纹的原因主要 为焊接接头含氢量、材质的淬硬倾向现象及约束应 力的影响【 等。 1 )含氢量对裂纹的影响。 扩散氢对钢的冷裂产生直接影响。焊接时 ，焊 接材料中的水分 、电弧周围空气中的水蒸气 、焊丝 和母材表面上的铁锈油污等杂质 ，在施焊时经 电 弧热分解而给焊缝 中带人氢 ，而扩撒氢会造成氢 脆 ，促使增大冷裂纹的倾向。 焊接时，在高温条件下 ，大量 的氢溶解在溶 池 中，在随后 的冷却过程中 ，由于溶解度急剧 降 低，氢将极力逸出，但因焊接时冷速过快，使氢 来不及逸 出而保留在焊缝金属 中，焊缝 中的氢处 于过饱和状态 。随着放置时间的增加 ，部分氢从 焊缝 中逸 出，部分氢则扩散到钢微缺陷处 ，成 为 残余氢 ，而这些残余氢继续对焊缝起作用 ，成 为 冷裂纹的罪魁祸首 ”1 。 2 )材质淬硬对裂纹的影响。 钢的淬硬倾向主要决定于其化学成分 、钢管 厚度 、焊接工艺和冷却条件等 ，其中化学成分有 很大的影响 。钢的淬硬倾向越大 ，越易产生裂纹。 钢管混凝土拱桥 中管结构主要采用的是 Q 3 4 5 低合 金结构钢 ，低合金钢含有锰 、钒等合金元素而具 有较高的强度 。Q 3 4 5的屈服强度 比 Q 2 3 5提高将 近一半 ，抗拉强度也提高不少 。但抗拉强度提高 时相对降低 了塑性 和韧性 ，对焊接结构来说增加 了转脆倾向。 焊接条件下 ，近缝 区的加热温度很高 ，使奥 氏体 晶粒发生严重长大 ，当快速冷却时 ，粗大 的 奥 氏体将转变为马氏体【8 】 。由金属强度理论可知 ， 马氏体是一种脆硬组织 ，发生断裂时只消耗较低 的能量。因此 ，焊接接头有马氏体存在时 ，裂纹 易于形成并扩展。另外 ，淬硬会形成更多的晶格 缺 陷空位和位错 ，在应力和热 力不平衡 的条 件下 ，空位和位错会发生移动和聚集 ，当浓度达 到一定的临界值后 ，就会形成裂纹 源 ，在应力和 氢的作用下 ，裂纹源不断扩展 ，形成宏观裂纹。 3 )约束应力对裂纹的影响。 焊接接头在约束状态下产生 的焊接应力对延 时裂纹起着很大的作用。焊接过程是一个不均匀 加热和冷却的过程 ，会产生纵 向和横 向焊接残余 应 力【9 。施焊 时 ，焊件上 产生不均 匀 的温 度场 ， 焊缝及附近温度最高 ，其近邻区域 温度则急剧下 降。不均匀的温度要求产生不均匀 的膨胀 ，高温 处 的钢材膨胀最大 ，由于受到两侧温度较低 、膨 胀较小 的钢材 的限制 ，产生 了热状态塑性压缩 。 当焊缝冷却时 ，被塑性压缩 的焊缝 区趋向于缩得 比原始长度稍短 ，这种缩短变形受 到两侧钢材 的 限制 ，使焊缝区产生纵 向拉应力。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 0血 焊缝在施焊过程中，先后冷却的时间不同，先 焊的焊缝已经凝 固，且具有一定 的强度 ，会阻止后 焊焊缝在横向的 自由膨胀 ，使其发生横 向的塑性压 缩变形。在管节点的焊接连接中，焊缝需要多层施 焊 ，因此 ，除有纵向和横向残余应力外 ，还存在着 厚度方向的残余应力。这 3 种应力形成 比较严重的 同号三轴应力 ，大大降低了材料 的塑性 ，增高了强 度和硬度 ，在低温环境下 ，更使裂纹容易发生和发 展 ，加速构件的脆性破坏。 3 焊接裂纹预防措施 从管节点结构特点分析来看 ，管节点焊接的难 点是支管与弦管相连接的接头区，在焊缝及焊缝热 影响区很容易产生焊接裂纹 ，特别是焊缝热影响区 更容易产生焊接裂纹 ，弦管管壁在厚度方向上也容 易出现层状撕裂 。根据焊接裂纹产生的原因及影响 因素 ，结合管节点的结构特点 ，制定了合理的预防 焊接裂纹措施 ，具体如下： 1 )做好焊前准备 。焊接前要做好清理工 作 ， 即把焊接部位的油污、铁锈、夹渣、夹碳、灰尘清 除干净 ；保持坡 口的干燥 ；焊接材料需储存在 干 燥 、通风良好的地方 ，焊条等在使用前需烘干；焊 接施工时，焊接作业区的相对湿度不得大于 9 0 。 2 )选择适宜的焊接材料。限制母材及焊接材 料 ( 包括焊条 、焊丝 、焊剂和保护气体)中易偏析 元素和有害杂质的含量 ，特别应控制硫 、磷的含量 和降低含碳 ，一般用于焊接的钢材中硫的含量不应 大于 0 0 4 5 ，磷 的含量不应大于 0 0 5 5 。另外 ， 钢材含碳量越高 ，焊接 陛能越差 ，一般焊缝中碳的 含量控制在 0 1 0 以下时 ，产生裂纹敏感性 可大 大降低。 3 )选用适当的焊前预热温度。适当的预热温 度会降低焊缝冷却速度 ，可使氢更易从焊缝熔池向 大气中扩散 ，减少焊缝中扩散氢含量 ，并且可以降 低焊接区的温度梯度和焊缝的冷却速度 ，减少过硬 马氏体的含量，减小温差应力。预热温度应通过工 艺评定来确定 ，预热范围一般为坡 口两侧 3倍， 环境温度低时还应增大预热温度和预热范围。 4 )选用适 当的后热温度。随着焊接层数的增 多 ，焊缝中扩散氢会逐渐积累。在焊后趁焊缝温度 未降低时应立即进行后热， 使扩散氢有充分的时间 溢出，起到很好的消氢作用 ，同时还可以降低焊缝 中的残余应力，减少冷裂纹产生的机率。后热温度 一 般为 2 0 02 5 0 ，后热时间为 0 5 1 5 h 。 5 )制定合理的施焊次序。采用合理的施焊次 序 ，可减少焊接残余应力和焊接变形 ，降低约束 应力 ，避免 出现裂纹。当几个构件连接时 ，应避 免焊缝集中 ，尽量避免焊缝三向相交 ；焊缝尽可 能对称布置 ；焊缝尺寸要适当，不宜太大，便于 焊接操作 ，避免仰焊等。 4结语 针对钢管混凝土拱桥管节点焊接 ，进行了多次 摸索试验，找到了有效防止产生焊缝裂纹的控制方 法和措施，为钢管混凝土拱桥焊接管节点积累了一 定的经验 ，同时也可为其它行业焊接施工提供参考。 参 考 文 献 1 苗文成 海洋平台管节点裂纹成 因分析及 防止f J 1焊接 技术，2 0 0 4 ， 3 3 (4 ) ： 5 6 2 李志祥 H型钢焊接裂纹探讨J 1 南通航运职业技术学 院院报， 2 0 0 8 ， 7 ( 2 ) ： 9 3 3 陈伯蠡焊接工程缺欠分析与对策 一 2版 M 北京：机 械工业出版社，2 0 0 5 【 4 】 陈 燕 红焊 接 冷 裂纹 的预 防技 术 企 业 技 术开 发 ， 2 0 0 6 ,2 5 ( 7 ) 3 4 5 5 5 王元 良 焊接 与焊接结 构 北 京：中 国铁道 出版社 ， 1 9 8 6 芮树祥， 忻鼎乾焊接工工艺学 M】 哈尔滨：哈尔滨工 程大学出版社，1 9 9 8 7 王文瀚 焊接技术 手册 M 】 郑 州：河南科 学技术 出版 社 ，1 9 9 9 8 美 国焊接 学会 结构 焊 接委 员会 A WS D 1 1 ：2 0 0 0美 国 A WS焊接规范【 S 美 国：美国钢结构学会，2 0 0 0 【 9 中冶集团建筑研究总院 J G J 8 1 2 0 0 2 建筑钢结构焊 接技术规程【 S 】 北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 2 【 1 O 孙志刚 低碳钢产生焊接裂纹的分析及预防I J 】安装， 2 0 0 3 (4 ) ： 1 2 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m