钢结构桥焊接应力与变形分析

随着桥梁施工技术的不断进步，钢结构桥因其高强度、轻重量和高自动化水平，已成为现代桥梁工程的核心结构形式。在钢结构的制造与装配过程中，焊接作为主要加工工艺，被广泛应用于钢梁、桁架、节点板等关键部件的生产。焊接效率与质量不仅决定了生产进度和制造成本，还直接影响整个桥梁结构的使用寿命与维护费用。

然而，在焊接过程中产生的高温及其冷却速度的不均匀，必然导致焊接应力与变形。焊接应力是指焊缝及热影响区因热胀冷缩产生的内应力，而焊接变形则表现为构件几何形状偏离设计尺寸的现象。在大型钢结构桥梁构件的制造与安装中，这些问题会严重影响构件尺寸精度与结构稳定性，从而降低经济效益。

近年来，随着复杂异形节点焊接技术的广泛应用，如何科学控制焊接过程中的应力与变形，并有效改进焊接工艺与焊后处理措施，已成为钢结构制造行业的重点研究方向。
新天地钢结构在焊接质量控制领域持续创新，从广东中江高速东风立交桥钢箱梁项目开始，逐步在顺兴桥、佛山滘通河桥等项目中应用改进后的焊接工艺，大幅提升了焊接质量与结构耐久性。

钢结构桥焊接质量控制标准与要求

焊接生产中的应力与变形控制标准：

在钢结构桥梁的焊接生产中，应力与变形控制是核心质量要求。《公路钢结构桥梁制作安装技术规范》（JTG/T 3651-2022）第 7.2.5 条规定：焊接前的预热温度应通过工艺评定试验确定，预热范围应为焊缝两侧板厚的 1.5 倍且不小于 100mm，测温点应在焊缝边缘 30-50mm 内。第 7.2.7 条第 3 款规定，点焊应无裂纹、夹渣、焊瘤等缺陷，电弧坑应填满。

对于出现裂纹的点焊，应先查明原因再处理，并在保持尺寸正确的前提下增加补焊。焊后引弧板与试板应采用气割切除并磨平，不得损伤母材。焊缝缺陷须采用碳弧气刨或机械方式清除，并在裂纹两端外延 50mm；补焊时应重新开坡口并打磨至金属光泽。

焊接完成后，钢构件应进行外观检查、几何尺寸检验及必要的残余应力与变形测试：

• 外观检查：不得存在咬边、裂纹、气孔、焊瘤、飞溅及未熔合等常见焊接缺陷。
• 尺寸精度：构件的变形值应控制在设计允许偏差范围内，主要包括板件翘曲、梁体扭曲及焊角偏差。
• 结构稳定性：对于应力集中高的节点及焊缝区域，应通过结构分析控制残余应力水平。
• 疲劳性能：对于受交变载荷显著影响的焊接构件，应评估残余应力对疲劳寿命的影响并进行疲劳等级验证。

焊接应力与变形的成因分析

焊接应力与变形的本质来源于热输入不均导致的塑性变形以及结构约束效应的共同作用。主要原因如下：

焊接加热不均

焊接是一个加热与加压的过程。然而在实际生产中，钢结构桥构件的温度分布往往极不均匀。无约束构件在加热和冷却过程中会自由变形，因此加热时不会产生内应力；而当冷却后，变形与残余应力也自然消失。相反，有约束的构件在加热过程中会产生非自由变形，从而导致内部与外部的变形。

如果构件在焊后能够完全自由收缩，只会产生变形而不会产生残余应力；当构件受到强约束时，变形受限但残余应力很大；而在部分约束的情况下，变形与残余应力会同时存在。总体而言，当焊接热输入超过金属屈服点时，就会发生塑性焊接变形，冷却后残余应力与焊接变形将不可避免。

焊缝金属收缩与组织变化

焊缝金属在冷却凝固过程中会自然收缩，导致构件产生变形与残余应力。由于焊接通常是分段进行的，先焊部位会影响后焊部位，造成整体收缩与应力叠加。
此外，当构件材料内部组织发生变化时，也会产生焊接变形和焊接应力。金属在焊缝区从熔化到凝固的过程中，组织由奥氏体转变为珠光体或贝氏体，晶格收缩带来的微观应变与热应力叠加，形成总残余应力。若未来行业能在细晶强化或纳米金属材料方面取得突破，将极大提升钢结构桥梁的综合力学性能。

构件刚度与约束程度变化

在制造过程中，构件的刚度对焊接变形有显著影响。当构件刚度大时，焊后变形小但残余应力大；刚度不足时，变形大而应力小。
同样，约束程度也会影响变形。约束强时，焊后变形小但应力高；约束弱时，焊后变形大但残余应力低。
当构件不同部位刚度差异较大时，热胀冷缩难以协调，会形成自平衡的内力体系。如果固定支架设置不合理或吊装顺序错误，会导致局部约束增强，出现不对称变形的不利后果。

焊接顺序与方向不当

焊接应力与变形的影响

在焊接过程中，钢结构桥梁构件受热传导影响，当温度分布不均、局部加热或冷却时间不一致时，会产生焊接变形。
多层焊接时，由于焊道冷却时间不同，局部热量集中会造成变形和应力叠加。

焊接残余应力对构件强度的影响

在制造过程中，若构件金属具有一定塑性变形能力，焊接应力对静载强度影响不大。但当材料处于脆性状态时，内部拉应力与外部应力叠加，会导致构件断裂。当焊接温度低于材料的脆性转变温度时，残余应力与外部载荷的组合会降低结构的安全系数。

焊接变形的典型形式包括：

• 角变形：焊缝两侧温度梯度不同导致收缩不均，引起翼缘、腹板或节点处的角度变形。
• 波浪形变与扭曲：箱梁板和桁架杆件在高温反复膨胀冷却下易出现波浪形起伏，若约束不均则可能产生整体扭曲。
• 装配偏差与错位：焊接变形的累积会导致孔位错位、连接板偏移、梁段高差，延误安装进度并加剧应力损伤。
• 结构开裂与焊缝损伤：残余应力集中于热影响区，当叠加交通荷载时，易出现微裂纹扩展或局部断裂，严重时影响钢结构桥的稳定性与疲劳寿命。

焊接残余应力对加工尺寸精度的影响

在制造过程中，焊接会在钢构件内部产生复杂的内应力。当对构件进行机加工时，去除金属会打破原有应力平衡，使应力重新分布并引发变形。因此，在加工前应进行应力释放处理，以确保尺寸精度。

焊接残余应力对构件稳定性的影响

制造中产生的内应力与外部压应力叠加，会显著影响构件稳定性。其影响程度取决于截面特性与应力分布。
有效截面距离中性轴越远，构件的整体稳定性越高。为确保钢结构桥梁充分发挥材料性能，必须采取必要措施在焊接过程中防止和控制变形，并在焊后对关键部位进行消除残余应力处理。

结论

焊接残余应力与变形是钢结构桥制造中无法回避的核心技术问题。它们不仅影响构件装配精度与结构安全性，还会缩短桥梁使用寿命。
虽然完全消除焊接变形难度极大，但通过标准化与智能化生产流程，可有效降低其不利影响。

在新天地钢结构的项目实践中，通过优化构件设计、焊接路径、控制热输入、选择合理的焊接方法，并结合焊后热处理或机械处理等手段，可有效控制焊接应力与变形，提升钢结构桥梁的制造质量与使用安全性。