国家体育场(鸟巢)工程钢结构焊接概述

国家体育场(鸟巢)工程钢结构焊接概述李久林(国家体育场鸟巢城建国华钢结构分部，北京100101)摘要：“鸟巢”工程采用国产钢，全焊钢结构，构件截面均为箱形截面，其空间位置复杂，形体宏大、美观。介绍了鸟巢钢结构焊接中Q460E-Z35钢可焊性试验、焊工队伍组建、应力应变控制、焊接工艺评定、低温焊接等情况。重点描述了焊工队伍的选拔、管理和低温施焊技术的工艺规程，是建筑钢结构焊接的重要参考资料。关键词：国产Q460E-Z25钢鸟巢工程焊接技术管理中图分类号：TG457文献标识码：C文章编号：1001-2303(2008)04-0001-03SummarizeofsteelstructureweldingprojectinNationalstadium(Bird'snest)LIJiu-lin(TheNationalstadium(Bird'snest)CityconstructionGuohuasteelstructurebranch，Beijing100101，China)Abstract：TheBird'snestprojectadoptsteelthatwasmadeinChina，structure．Thecomponentsectionallwasboxtypesection．Therewascomplexspatiallocation，grandioseandhandsomebody．difficultproblems，includeweldabilitytestforQ460E-Z35，establishmentofwelderteam，the，weldingprocedurequalification，lowtemperaturewelding，andsoon．Thekeydescriptionswerethechosenandmanagementofwelderteam，andtheprocessspecificationoflowtemperaturewelding，andcontributingtothedevelopmentofthearchitecturesteelstructureweldingprojectinChina．Keywords：steelmadeinChinaQ460E-Z35；Birdsnestproject；weldingtechnique；management0前言国家体育场位于北京市城府路南侧，奥林匹克公园中心区内，是北京2008年奥运会的主体育场。建筑顶面呈马鞍型，长轴为332．3m，短轴为297．3m，南北跨度结构相对标高为42．246m，东西跨度结构相对标高为69．900m，屋盖中间开洞长度为185．3m，宽度为127．5m。主桁架围绕屋盖中间的开口放射形布置，与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。大跨度屋盖支撑在周边的24根桁架柱之上。主桁架尽可能直通或接近直通，并在中部形成由分段直线构成的内环。钢结构总量约5.3万t，构件截面均为箱形截面，其空间位置复杂多变，形体宏大、美观。“鸟巢”是全焊钢结构，整个系统没有一颗镙钉和铆钉，所有钢材全部国产。主桁架共有48榀，分别由外围24榀桁架柱开始向中间延伸，在中间形成椭圆形的环。主桁架的轴线高度为12m，上下弦及腹杆均为箱形截面构件。焊缝31万m，所耗焊材2千多t。1迎难而上、悉心策划国家体育场(鸟巢)钢结构焊接工程主要有七大难关：(1)Q460E-Z35可焊性试验难关。破这道难关不仅需要勇气和胆识，而且更需要冷静的科学头脑和扎实的业务基本功，敢于承担风险、敢冒天下之大不违。(2)组建焊接铁军难关。任何优秀的方案、良好的愿望都要通过焊工去实现、去完成；而当年合格焊工“杯水车薪”，焊工队伍的组建成为“鸟巢”钢结构焊接工程的第一个看似简单而难度极高的难关。(3)应力应变控制难关。由于结构过于复杂，造成“设计难、画图难、制作施工更难”的严峻局面，尤其是难度极大的柱脚的拼装，主、辅结构应力应变的控制，以及合龙和卸载的高标准严要求，应力应变成为了焊接工程的第二个拦路虎。(4)焊接工艺评定难关。“鸟巢”钢结构焊接工程涉及六大钢种、十九个规格，从8~110mm包函三种异种钢材的厚板焊工艺；其工艺评定不仅难度高而且工作量相当大，要准确快速完成焊接工艺评定不是简单易行的事。(5)低温焊接难关。由于合龙温度的要求，“鸟巢”钢结构焊接要经历一个冬天，于是涉及到焊接界最关心的低温焊接性问题，现行各国的技术标准都没有统一规定，无经验可循。因此低温焊接工艺不仅要求在实践上有所建树，且在标准和理论上应该有所突破。(6)大面积推广仰焊技术难关。因为“鸟巢”特殊结构决定了控制结构初始应力的难度。24榀门式钢架中有22榀贯通或基本贯通，最大跨度为259m左右，如果不采用仰焊技术，控制焊接应力应变的对称施焊工艺就不能应用，上下翼缘受热不均，必然带来收缩量的不一致。上下弦杆同时不均匀的变形，使本来就十分复杂的结构体系变得更为复杂。仰焊技术有它的难点，也有很多优点，这些优点是建筑钢结构焊接工程最需要、最重要的技术指标。不过这些指标没有被人们认识、或者没有完全认识，因此推广仰焊技术是另一难关。(7)“鸟巢”钢结构焊接工程合龙难关。在“鸟巢”建筑钢结构中首次提出了“合龙”概念，丰富和发展了建筑钢结构焊接应用技术理论，无论是理论和实践都证明，“合龙”肯定是一场攻坚战。围绕这七大难关，紧贴同焊接热裂纹、冷裂纹、层状撕裂作斗争的焊接工程技术路线，大大小小的各类焊接技术问题会随时出现，正是因为碰到和解决了大量的技术问题，丰富了我们的实践经验，坚定了我们必胜的信心，在制定技术路线时真正做到了“心齐、气顺、方向明”。城建领导组建了由建筑钢结构行业的知名专家组成的专家顾问组，特别增加了焊接专家的比例，提出了“一焊、二吊、三卸载”的专业排序，从焊工考核培训为基础，以Q460E-Z35钢焊接性试验为先导，详细策划了焊接工艺评定、异种钢焊接、柱脚的焊接顺序、主、辅钢结构应力应变控制、低温试验、特殊焊缝处理等具体项目的运作。重点抓好合龙和卸载。技术路线确定之后，真正意义上的攻坚战打响了。2焊绣“鸟巢”一路过关斩将科学技术是第一生产力，对Q460E-Z35可焊性试验进行了多项焊接技术试验研究：首先进行了Q460E-Z35焊接性试验及焊接技术的应用研究，主要包括SH-CCT图的试验研究、Q460E-Z35热切割试验、Q460E-Z35热矫正试验、Q460E-Z35焊接冷裂纹试验研究、Q460E-Z35刚性焊接试验研究；然后进行了Q460E+Q460E仰O、横H、立V、δ＝110mm、Q460E+Q345GJD仰O、横H、立V、δ＝110mm，100mm、Q460E+GS-20Mn5V仰O、横H、立V、δ＝110mm的焊接工艺评定23项；其余Q345、Q345GJC、Q345GJD、GS-20Mn5V分别根据焊接组合、焊接位置、板厚，按JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》的要求分别进行焊接工艺评定161项，同时进行了GMAW、FCAW-G大流量防风试验；为了适应和解决冬季施工难题，进行了大规模的低温焊接试验24项，当立面次结构安装时，又进行了特殊焊缝的试验研究，所有试验全部按预定目标完成，试验结果准确可靠，成为国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程焊接规程的有力技术支持，在技术路线的制定过程中起到了决定性的作用。参加“鸟巢”钢结构焊接工程的焊工需经过“验证”和选拔，其工作量相当大，“验证”焊工911名，录取832名，含工厂焊工，从中挑选265人强化培训。在中冶集团建研总院焊接研究所、首钢焊工培训中心的全力协助下，半军事化的严格训练规定焊工必须完成如下蹲、俯卧撑等锻炼项目，目的是提高焊工的体能，以适应仰焊的要求。除此之外，还有针对性的进狭窄地方的模拟训练，全方位的提高焊工的素质。因此一支焊接铁军悄然而成，200名焊接高手A证成为了“鸟巢”钢结构焊接工程的弄潮儿，加上现场“验证”考试合格近300名焊工B证，这支由近500名焊工组成浩浩荡荡的名符其实正规铁军忠实地执行全面质量管理的各项规定，不拆不扣地按《国家体育场“鸟巢”钢结构焊接管理规程》工作，在特殊的焊接岗位上克服一个又一个困难，取得了一个又一个胜利；刚开始，焊工的个人水平还不具备单独完成“鸟巢”厚板焊缝的能力，根据焊工当时的水平，将焊工分成打底、填充、盖面三部分。利用整个团队的能力来打开局面，开一个好头，这就是我们“合理组织”的全部内容。首战13号柱脚，连续奋战64h，耗尽近6t焊材，厚板焊（含厚板仰焊），一次合格率高达100%；厚板焊接靠的是团队实力，工程中不允许有丝毫马虎，倘若有一个焊工思想不集中，整条焊缝将“前功尽弃”；首战成功，显示了整个团队无坚不摧的实力。此战，为“鸟巢”工程开了一个好头，坚定了焊工必胜的信心。“鸟巢”钢结构焊接工程一路过关斩将，捷报频传，整个工程焊缝一次合格率高达99．7%，成为了建筑钢结构焊接工程的典范。我国冬季覆盖范围大，建筑钢结构焊接工程冬季施工倍受焊接界人士的关注。钢结构焊接工程能否在冬季施工，有没有临界施工焊接的最低温度，历来是学术界、工程界致力解决的难题。美国国家标准AWSD1.1／D1.1M：2006《钢结构焊接规范》规定：-20℃为停止焊接的温度，但又申明采取相应措施仍然可以焊接。我国JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》规定：焊接作业区环境温度低于0℃时，应根据钢材、焊材制定适当措施；日本建筑学会JASS6《钢结构工程》规定的最低施焊温度为-5℃。这些标准各不相同的规定说明：各国有各国的具体情况，没有统一的“临界施焊最低温度”的定义，只能根据具体情况，作出适合于客观环境的正确决策。国家体育场鸟巢钢结构焊接工程中，有1000t以上的钢结构要在冬季完成焊接施工，根据工程实际，我们认为：冬季施焊的临界温度不能只从钢材、焊材的承受能力来规定，而必须从人、机、料、法、环五大管理要素来确定，不能简单从事。根据这一基本思想，国家体育场鸟巢焊接专家组织了大规模低温焊接试验，收到了很好的成效，制定了《国家体育场钢结构低温焊接规程》，确定了-15℃为停止施焊的温度。实践证明，低温焊接试验是成功的，-15℃停止施是科学的，国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程冬季施工取得了十分突出的成绩，充分证实了建筑钢结构冬季施焊的可行性、安全性。建筑钢结构冬季施焊，必然为项目带来巨大的直接经济效益，为抢夺工期赢得十分宝贵的时间。因此，国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程中的低温焊接技术、规程、经验，能被广大工程界所接受，应该得到大面积的推广应用。“合龙”是焊接工序的收关之作，是钢结构支撑塔架卸载的前提条件，合龙焊缝在一定程度上决定整体钢结构体系的初始应力状态。从严格的意义上讲：合龙焊缝属于带载焊接的范畴，具有很高的难度。同时合龙焊缝也具有极大的焊接残余应力，容易形成焊接残余应力集中的焊缝，因此存在一定的风险。国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程中的主桁架和立面结构各设置了四条合龙线，其中，主桁架合龙口64个，立面结构的合龙口28个，合龙口数量众多。立面结构和主桁架采取分次合龙方案，但一次合龙的对接口数量仍高达32个。由于“鸟巢”钢构件直接暴露于室外，冬季时，钢构件的温度与室外气温基本相同。夏季时，室外气温最高，同时太阳照射强度也最大，太阳照射将引起构件温度显著升高。结构在迎光面与背光面的温差，以及屋面、立面钢构件的温差将形成梯度较大的温度场分布。温度变化将在结构中引起很大的内力和变形，对结构合龙的安全性将产生显著的影响，由于合龙温度是以钢结构杆件的平均温度为准，因此，合龙工程必须在构件受热均匀的环境中进行。也就是说：合龙工程必须在没有日照的夜间并且在构件温度均匀时进行，这就是合龙工程对环境温度的具体要求。由于合龙对温度环境要求高，要求焊工有一次合格达100%的绝招，而且能吃苦耐劳，“令行禁止”，行动整齐划一；我们的焊接铁军举手宣誓：坚决拿下合龙焊缝一次合格率100%的指标，让全国人民放心，三天三夜，吃、喝、拉、撒