国家体育场鸟巢工程钢结构加工制作介绍

1国家体育场钢结构制作与施工技术简介以人为本、科技为先长江精工钢结构(集团)股份有限公司CHANGJIANG&JINGGONGSTEELSTRUCTURE(GROUP)CO.,LTD2工程概况国家体育场空间钢结构由24榀门式钢桁架围绕着体育场内部碗状看台区旋转而成，钢结构屋盖呈双曲面马鞍型，南北向结构高度为40.746m，东西向结构高度为67.122m。屋顶主结构均为箱型截面，上弦杆截面基本为1000mm×1000mm，下弦杆截面基本为800mm×800mm，腹杆截面基本为600mm×600mm，腹杆与上下弦杆相贯，屋顶矢高为12.000m。竖向由24根组合钢柱形成支撑，每根组合钢柱由两根1200mm×1200mm的弯扭箱型钢柱和一根菱形钢柱组成，荷载通过它们传递至基础。立面次结构截面基本为1200mm×1000mm，顶面次结构截面基本为1000mm×1000mm。以人为本、科技为先3钢板厚度：最大厚度100mm。当厚度≤34mm时，采用Q345钢材；当厚度≥36mm时，采用Q345GJ钢材；少量厚钢板采用Q460、S460ML钢材。厚度分布：·组合钢柱：除少量棱形柱底部和顶部为90~100mm，其余为50~80mm，另外两根方形斜柱板厚绝大多数为30、25、20mm。·桁架上弦杆：个别段为50mm外，其余均在40mm以下，大多数为30、25、20mm。·桁架下弦杆：个别段为50、42mm外，其余绝大多数为20mm。·腹杆：20、14、10mm，多数为10mm。·次结构：板厚最大36mm，绝大部分为20mm以下。以人为本、科技为先工程概况4以人为本、科技为先冲击性能要求Z向性能要求钢板厚度(mm)T＜4040≤t≤6060＜t≤80t＞80Z向要求--Z15Z25Z35钢材牌号主结构次结构Q345、Q345GJD级，-2000C时AK≥34JC级，00C时AK≥34JQ460、S460MLE级，-4000C时AK≥34J----钢材性能工程概况5鸟巢的关键技术问题——焊接一、焊接关键技术；㈠.焊接变形与残余应力控制㈡.高拘束条件下焊接热裂纹控制技术的应用㈢.高拘束条件下控制冷裂纹技术的应用㈣.高强超厚钢板焊接技术Q460E高强度结构钢的焊接试验和焊接工艺研究；㈤.铸钢件焊接技术㈥.焊接工艺评定1、大规模异种钢材、高强钢材、铸钢件的焊接2、大规模低温焊接的实施3、焊接坡口的形式与尺寸确定4、焊材匹配与选用㈦.焊接顺序选择以人为本、科技为先6鸟巢的关键技术问题——加工制作二、加工制作关键技术㈠.重型钢结构柱脚制作技术㈡.无模成型工艺技术㈢.巨型桁架柱制作技术㈣.弯扭构件制作技术㈤.大跨度巨型空间桁架制作技术以人为本、科技为先7鸟巢的关键技术问题——拼装与安装三、拼装、安装关键技术㈠.立柱构件预拼装㈡.主结构吊装㈢.次结构吊装㈣.测量技术㈤.卸载技术以人为本、科技为先8㈠.焊接变形与残余应力控制1、角焊缝不是主要受力焊缝，控制焊接残余应力大小的关键是控制焊缝的最小焊脚尺寸。厚板对接焊缝的残余能量以焊缝的收缩变形和焊接残余应力的形式存在于焊缝和HAZ之中；因此控制焊接变形及焊接残余应力必须综合治理。实践证明：焊接应力及残余应力同时存在于同一焊件之中，既相辅相成又可以相互转换，2、当焊接变形（收缩量）完全实现时，焊接残余应力是一个非常小的安全值；当焊接变形因约束不能实现时，对接焊缝的两端会产生极大的拉应力场；拉应力场的大小完全取决于焊缝横截面积的大小。3、鸟巢采用减少固定焊缝的焊肉截面积和采用能量密度相对较高的焊接方法（如熔化极气体保护焊和药芯焊丝自保护焊等），并采用较小的热输入（即小线能量E），以达到控制焊接残余应力的目的。以人为本、科技为先焊接技术9㈡.高拘束条件下焊接热裂纹控制技术的应用根据焊接应用技术理论，在高约束条件下和冶金反应不充分的前提，焊缝金属极易在焊缝中部形成偏夕，当约束超过偏夕部分所存在的抗拉能力时，结晶将收到极大影响，沿晶界开裂而形成裂纹。国家体育场钢结构基本属于高约束条件焊接，我们采用对称施焊的原则，开发了一套控制热裂纹的焊接工艺，获得了成功。以人为本、科技为先焊接技术10㈢.高拘束条件下控制冷裂纹技术的应用按照焊接技术应用理论，我们从坡口控制、预热规范的控制、焊接规范的控制，层间温度的控制、后热温度的控制着手，严格按焊接工艺规程执行，以厚板焊接控制层状撕裂为主攻方向，严格控制氢致裂纹的产生而获得了成功。从目前为止，我们没有发现一例冷裂纹和延迟裂纹的产生。以人为本、科技为先焊接技术11㈣.高强超厚钢板焊接技术——Q460E高强度结构钢的焊接试验和焊接工艺1.焊接性试验⑴.焊接冷裂纹敏感性试验⑵.层状撕裂问题分析2.焊接工艺评定试验以人为本、科技为先焊接技术12焊接性试验(1).焊接冷裂纹敏感性试验a.焊接冷裂纹敏感性分析b.热影响区最高硬度试验c.斜Y坡口焊接裂纹试验试验结果：常温不预热焊接，在焊缝根部均出现裂纹，预热到100度以上时，绝大部分试验焊缝中心及热影响区未出现裂纹，其他短裂纹均出现在收弧弧坑处或焊缝中段。预热温度150℃及以上试验焊缝中心及热影响区均未出现裂纹，选用焊接材料在正常线能量下、预热温度150℃及以上小铁研试验结果好。以人为本、科技为先焊接技术13⑵.层状撕裂问题分析：a.层状撕裂危险性分析b.层状撕裂敏感性试验--Z向窗口试验产生层状撕裂主要是取决于钢材的材质，而本工程所选用的钢板其性能上满足Z35要求，实测钢材的φZ值均在50左右，因此，该钢材具有比较好的抗层状撕裂性能。以人为本、科技为先焊接技术14㈤.铸钢件焊接技术以人为本、科技为先焊接技术高强度特厚铸钢件的焊接难度较大，按照焊接性试验----焊接工艺评定----焊接规程制定与执行的程序进行，原则上拟采取以下措施：提高焊接预热温度，焊后保温缓冷，冬季低温时焊后要立即重新加热到一定温度并定时保温；选用低温韧性好的焊材，如E50焊条，ER50-6、7焊丝；采用两对边同时施焊并分段多人同时退焊的顺序，以减小峰值应力、防止裂纹产生。15㈥.焊接工艺评定1、大规模异种钢材、高强钢材、铸钢件的焊接2、大规模低温焊接的实施3、焊接坡口的形式与尺寸确定4、焊材匹配与选用以人为本、科技为先国家体育场工程进行焊接工艺评定的钢种组合有：（1）Q345＋Q345（2）Q345DGJ＋Q345DGJ（3）Q345CGJ＋Q345CGJ（4）Q460＋Q460（5）S460ML＋S460ML（6）GS16Mn5＋Q345CGJ（7）GS20Mn5＋Q345CGJ（8）Q460＋GS20Mn5（9）S460ml＋GS20Mn5（10）GS20Mn5＋Q345DGJ（11）GS16Mn5＋Q345DGJ（12）Q345＋MLO焊接技术16以人为本、科技为先焊接技术1、焊接工程的总体思路先主后次，先大后小，高能密度，较小输入，分段跳焊，锤击焊缝，应变适当，工程全优。2、合拢段焊缝的变形及应力控制措施在屋顶整体焊接顺序中，最后两组（条）焊缝是合拢段焊缝，是整个工程的关键焊缝，关系到工程的成败。㈦.焊接顺序选择171.重型钢结构柱脚制作技术⑴.装配工艺及隐蔽焊缝处理；⑵.预拼装技术；以人为本、科技为先加工制作技术18⑴.装配工艺及隐蔽焊缝处理；由于柱脚为复杂结构，既有箱型截面，又有斜T型截面，又有多边形截面，并且，箱体节点内部横、纵向隔板较多，其外形尺寸达5384*4755*6250，吨位达162吨，柱脚节点整体组装后，无法满足运输条件，因此，考虑了柱脚分段，如下图所示：以人为本、科技为先加工制作技术19⑵.预拼装工艺控制；根据柱脚部分的结构形式，为保证现场的顺利安装，减少现场对构件的安装调整时间，同时保证构件的拼装精度，对出厂的构件进行了厂内预拼装。C14柱脚预拼装工艺流程以人为本、科技为先加工制作技术20C14柱脚预拼装的相关施工图片：C14-1，2的整体拼装预拼装完毕以人为本、科技为先加工制作技术212.无模成型工艺技术⑴.无模多点成形的成形原理⑵.无模多点成形与模具成形的比较⑶.无模多点成形系统的基本构成⑷.无模多点成形模具成形过程⑸.无模成形的计算机曲面造型⑹.国家体育场无模多点成形设备主要技术参数⑺.国家体育场无模多点成形工艺参数⑻.无模多点成形实际操作的照片以人为本、科技为先加工制作技术22⑴.无模多点成型的原理无模多点成形就是将多点成形技术和计算机技术结合为一体的先进制造技术，实际上是一种数控模具成形。多点成形是金属板材三维曲面成形的新技术，其原理是将传统的整体模具离散成一系列规则排列、高度可调的冲头。在整体模具成形中，板材由模具曲面来成形，而多点成形则通过对各基本体运动的实时控制，自由地构造出成形面，实现板材的三维曲面成形。它是对三维曲面类板件传统生产方式的重大创新。如下图所示。以人为本、科技为先加工制作技术23⑵.模具整体成型与无模多点成型的比较各冲头的行程可分别调节，改变各冲头的位置就改变字成形曲面，也就是相当于重新构造了成形模具，体现了多点成形的柔性特点；而整体模具的造型单一，需一种产品一种模具。整体模具成形多点成形以人为本、科技为先加工制作技术24⑶.无模多点成型的基本构成调节上、下冲头行程有一套专门的调整机构，而板材成形又需要一套加载机构，以上、下冲头及这两种机构为核心就构成了多点成形压力机。该套多点成形设备由三大部分组成，即CAD软件系统、控制系统及多点成形主机，如图2所示。CAD软系统根据要求的成形件的目标形状进行几何造型、成形工艺计算。将数据文件传给控制系统，控制系统根据这些数据控制冲头的调整机构，从而构造出成形面，然后控制加载机构成形出所需的零件产品。CAD软件系统计算机控制系统多点成形主机成形件多点成形系统的基本构成以人为本、科技为先加工制作技术25⑷.无模多点成型模具的成型过程该套多点成形设备的主要成形方法是：成形前把冲头调整到所需的适当位置，使各冲头形成构件曲面的包络面。在成形过程中各冲头间无相运动。如下图所示。（a）成形开始（b）成形过程中（c）成形结束无模多点成形模具成形过程以人为本、科技为先加工制作技术26⑸.无模成型的计算机曲面造型①.打开多点成形CAD-CAM软件，并输入工件名称、曲面造型方法、板厚及回弹系数。以人为本、科技为先加工制作技术27以人为本、科技为先②.根据加工图确定坐标总点数加工制作技术28③.将弯扭板件的三维空间坐标拷贝至多点成形CAD-CAM软件。以人为本、科技为先加工制作技术29④.弯扭板件三维造型以人为本、科技为先加工制作技术30⑹.国家体育场无模多点成形设备主要技术参数压力机模具输送装置以人为本、科技为先加工制作技术31⑺.国家体育场无模多点成形工艺参数闭合高度以人为本、科技为先加工制作技术32相关的图片无模多点成形设备无模多点送料装置以人为本、科技为先加工制作技术33无模成形计算机调形无模成形调形后板件的输入板件的压制板件弯扭成型后弯扭板件的装配以人为本、科技为先加工制作技术343.巨型桁架柱制作技术⑴.桁架柱装配工艺及隐蔽焊缝的处理⑵.桁架柱预拼装技术；以人为本、科技为先加工制作技术35⑴.桁架柱装配工艺及隐蔽焊缝的处理菱形内柱属于组合钢柱的一部分，整根钢柱截面均为菱形状，菱形内柱和外柱之间有许多腹杆，特别是菱形内柱下柱顶节点处，杆件交汇数量非常集中，有10余根腹杆相交，并且钢板厚度较大，制作难度非常大如下图所示：以人为本、科技为先加工制作技术36牛腿的预拼装：考虑到钢柱上由于大型牛腿的存在，其外形尺寸已超过了公路运输的能力，因此，对部分牛腿采取工厂组焊，并由现场进行装配的措施，因此，发现场牛腿在出厂前必须进行厂内预拼装。首先，根据图纸划出钢柱中心线和待拼装牛腿的定位中心线，根据图纸尺寸要求确定并预拼牛腿，预拼完毕后划出牛腿（现场焊接）与菱形内柱本体之间分段定位组装对合线，并用样冲眼进行标识作为现场组装定位的基准，如下图所示：以人为本、科技为先加工制作技术37相关的施工图片：以人为本、科技为先加工制作技术38⑵.组合钢柱的预拼装：根据桁架柱部分的结构形式，为保证现场的顺