(5)鸟巢焊接技术

1国家体育场（鸟巢）工程焊接技术的专题汇报2一、工程概况二、工程特点三、施工方案简介四、难点分析五、钢结构焊接变形及残余应力的分析与对策六、焊接技术及焊接工艺评定七、焊接顺序八、焊接坡口形式与尺寸九、超高强钢特厚板焊接技术十、层状撕裂问题分析十一、铸钢件焊接技术十二、科技创新及攻关目录3一、工程概况国家体育场位于奥林匹克公园中心区的南部，主体建筑紧邻北京城市中轴线，并与国家体育馆和国家游泳中心相对于中轴线均衡布置。国家体育场工程是北京奥林匹克公园内的标志性建筑，也是北京最大的具有国际先进水平的多功能体育场，国家体育场成为奥林匹克运动留给城市的宝贵遗产。国家体育场主体钢结构工程屋面外形呈双曲马鞍状，整体结构形状内互相纺织成一个完整曲面。主体钢结构由主屋盖结构、屋顶次结构、竖向立面结构组成。钢结构总量约为40000吨，具有建设规模宏大、结构形式复杂、建设工期短、建设标准高、制造安装难度极大、焊接量大、安全隐患多、施工风险大等特点。4国家体育场看台的放射状混凝土框架结构与环绕它们并形成主屋盖的空间钢结构完全分离。空间钢结构由24榀门式桁架围绕着体育场内部碗状看台区旋转而成，其中22榀贯通或基本贯通。结构组件相互支撑、形成网格状构架，组成体育场整体的“鸟巢”造型。所有钢结构构件形成结构及建筑外形。5工程±0.000标高相对于绝对标高为43.50m，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600mm×600mm，腹杆与上下弦杆相贯，屋顶矢高12.00m。竖向由24根组合钢结构柱支撑，每根组合钢结构柱由两根1200mm×1200mm箱型钢柱和一根菱形钢柱组成，荷载通过它传递至基础。立面次结构截面基本为1200mm×1000mm，顶面次结构截面基本为1000mm×1000mm。61、钢结构设计重量主桁架：12720吨组合柱：12548吨次结构：11670吨楼梯：4137吨马道：800吨合计：41875吨72、钢材型号厚度钢板的最大厚度100mm。当钢板厚度≤34mm时，采用Q345钢材；当钢板厚度≥36mm时，采用Q345GJ钢材；少量厚钢板采用Q460、S460ML钢材。局部采用铸钢件。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。·腹杆为20、14、10mm，多数为10mm。·次结构板厚最大36mm，绝大部分为20mm以下。83、钢材性能冲击性能要求钢材牌号主结构次结构Q345、Q345GJD级，-200C时AK≥34JC级，00C时AK≥34JQ460、S460MLE级，-400C时AK≥34J----Z向性能要求钢板厚度(mm)T＜4040≤t≤6060＜t≤80t＞80Z向要求--Z15Z25Z359二、工程特点1、工程规模大，构件吨位重·马鞍形钢屋盖长轴约333m，短轴约280m；内环长轴约182m，短轴约124m；矢高12m。·组合钢柱最大重量约重520t，每延米最重约10t；主桁架每延米最重约3t。102、节点复杂·主结构均为大截面箱型构件，节点在空间汇交多根杆件；次结构节点复杂多变、规律性少。组合钢柱菱形柱转换节点菱形柱顶节点11主桁架典型K型节点123、施工难度大·钢结构与混凝土结构施工交叉作业，必须从安全、质量、功能、工期、造价等方面综合考虑，选择最优施工方案。·钢结构制作方面，参与制作的单位多，加工制作的精度要求高，加工周期短，施工图非常规表达，节点设计复杂，且非一致，无法流水线生产。·钢结构工厂加工、多杆件汇交节点设计、现场以及高空组拼制作、钢屋架安装临时支撑的设计布置、吊装、焊接、安装测量、工况计算与实现难度大；·钢构件呈不规则形状，局部扭曲，截面不断变化，加工难度大；·钢结构现场组拼、安装精度要求高，精度控制实现难度大；·由于杆件组拼的桁架均为曲面，且设计要求曲线变化平滑自然，对焊工水平、焊接设备、组拼胎架要求很高；13·空间交汇的节点，杆件多而复杂，部分交汇角度小；局部超厚钢板焊接、高强钢Q460钢焊接、铸钢件焊接等纳入专门的研究课题，采取有效的预控措施，确保焊接质量，现场焊接难度大。现场焊接工作量大，焊材总消耗量约两百吨，·部分钢构件组拼而成的刚架为不规则曲面，对此巨型钢结构组拼和安装实施三维测量控制，确保组拼、安装的精度难；·针对钢结构复杂多变的曲线、曲面造型，必须通过计算机模拟制作、安装工况。由于曲线、曲面很难用方程式表达，因此工况计算、建模工作量大。·大跨度巨型钢结构屋盖，支撑数量多，分布面积大，卸载实施控制难度大。·钢结构100年使用年限，需要对构件进行长效防腐处理；而且由于防腐面积巨大，如需进行再次涂装工程量非常大且实施难度高。14三、施工方案简介根据调整后的初步设计图纸等技术条件,确定的最终安装方案为地面拼装高空散装的施工方法，即在场内布置78根支撑体系，主体结构分片或分块地面拼装成型后，通过800T及600T吊车吊装到临时支撑顶部，分四大区八个阶段对称完装及焊接，主结构结构及立面次结构完成后对78根支撑体系进行整体、同步卸载，最后安装平面次结构。1578个支撑体系图16钢柱安装采用地面组拼，分段吊装的施工方法。17主桁架安装采用地面分段拼装，高空散装的施工方法。18次结构的安装采用分段散装的施工方法。2(4.947)1(5.084)3(6.982)4(24.594)5(9.978)6(21.009)7(21.34)8(10.062)910(14.429)13(25.058)12(8.593)11(12.19)14(3.792)15(27.177)立面典型次结构安装平面典型次结构安装19四、难点分析设计新颖，节点复杂，主体结构呈双曲弯扭形态，制作难度极大，安装精度难以控制。（验收标准函待制定）单体构件大，无法直接运输和安装，需分段运输和安装。材质为低合金钢Q345、Q345GJ及少量Q460、Q460ML和铸钢，钢板最厚达100mm；构件截面均为箱型断面，焊接产生的应力、变形收缩值和层状撕裂很难控制；现场焊接量大，焊材总消耗量约数百吨。(焊缝总长度约为30万米)内环与主桁架相接处多为锐角连接，施工操作面小，焊接难度大，质量很难保证。20本工程卸载要求同步、等比卸载，由于体育场面积大，且支撑点位多，达到绝对同步很难。主体结构在地面拼装，尤其是在高空散装施工过程中的稳定性难以控制。主结构（主桁架）分段吊装定位及吊装姿态难以控制，每一次安装姿态基本不相同。分区施工过程中由于受到温度、焊接顺序及焊接应力、胎架不均匀沉降、制作及拼装精度等影响，区域变形难以掌握和测控，局部及整体施工精度难以控制。与土建工程存在立体交叉作业，必须统筹安排，确保工程有序施工。因此鸟巢施工过程必须从详图深化设计、钢材采购、构件加工制作及运输，到现场的施工准备、地面组拼、高空对接、整体同步卸载，统筹把握、同密安排、精心组织施工，使各工序间衔接紧密、资源配备充足，才能按期保质完成21五、钢结构焊接变形及残余应力的分析与对策焊接变形与残余应力是钢结构工程中必须认真对待的重大课题，必须有严密的工艺规程及对策，在工程的进行过程中，还必须采用科学合理的管理，使之形成完整的系统管理工程，确保钢结构工程质量。1.焊接变形与残余应力的基础分析国家体育场钢结构工程现场焊缝主要分为两大类型：角焊缝及对接焊缝。一般来说角焊缝的焊接变形不会太大，其残余能量主要以焊接残余应力的形式存在于钢结构的焊缝和HAZ之中；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，该结论的理论依据是能量守恒，见式（1），（2）。22设焊缝焊接的总能量E总=1；E总=W有+W无+ε+σ=1（1）当焊接结束后：ε+σ=E总-W有-W无=C＜1ε+σ=C＜1（2）式中：W有-----参加冶金反应的有用能量；W无-----所有无用能量的总和，包括：传导；辐射；对流所损失的能量；ε--------焊接变形所需的能量；σ--------焊接残余应力所需的能量；C-----焊接变形及残余应力所需的能量，是小于1的常数。根据式（2），焊接变形和焊接残余应力不仅存在于同一焊缝和HAZ，而且可以互相转化，在无外加能量的前提下，减少一方必须增大另一方。焊接变形以尺寸的误差明显表示在钢结构的实体上，焊接残余应力毫无外观表示存在于构件内部之中：当焊接残余应力σ残≥σs（母材屈服强度）时;钢结构就会出现失稳状态，严重时，会带来灾难性的后果。在国家体育场钢结构工程中，希望屋顶钢结构不要太大的变形而影响钢结构的安装精度和美观，又不希望有较大的焊接应力而影响结构的安全；所以控制焊接变形和焊接残余应力是该工程成功的关键。23在对接焊缝中：焊接变形为收缩变形，其收缩量的定量计算可按（3）式进行。Fε=0.2Fn/δ(3)式中：Fε—焊接变形的收缩量；Fn—焊缝的横截面积；δ—母材的板厚；该式在宝钢及其他工程中发挥重要作用。来源曾乐《焊接工程学》。该式的具体意义是，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。因此：根据式（3）可以作出对接焊缝控制焊接变形和焊接残余应力相互转化的工艺方法。国家体育场工程对接焊逢关键控制焊接残余应力。根据式（2）、（3），对接焊缝的焊接变形及应力控制主要有以下两种方法：A.用自由端自由收缩的方法来减少焊接残余应力。24固定焊口焊接图CO2焊自由端自由收缩示意图焊缝在对接钢构件时（多数为水平对接），在焊缝的另一端不加任何约束；以焊接变形（收缩变形）为代价减少焊接残余应力，见下图。该方法适合任何对接构件，采用该法前都应用（3）式进行计算，确定焊接变形的数值，必须在制作结构中预留。（如变形小可不考虑预留）B.在固定焊缝的焊接时，用减少焊缝焊肉的截面积的方法来实现减少焊接残余应力的目的。在固定焊缝的焊接中，用焊接变形（自由收缩）的焊接方法来减少焊接残余应力已不可能实现，因为构件两端的刚性很大，产生变形必然形成两端焊缝的强拉应力场，对焊缝的安全不利，唯一的方法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），这样便可以达到控制焊接残余应力的目的，见下图。25六、焊接技术及焊接工艺评定国家体育场（鸟巢）焊接技术归类表（计划1）序号焊接技术焊接位置使用部位备注1SAWFBOX梁柱制作（工厂）2SAW－DFBOX梁柱制作（工厂）双丝高速埋弧焊是用于δ=8㎜的BOX梁柱的制作（科技攻关项目）3ESW－MNVBOX梁柱制作（工厂）截面小于600×600BOX梁柱角板焊接4ESW－WEVBOX梁柱制作（工厂）截面小于600×600BOX梁柱角板焊接5CO2GMAWF、HBOX梁柱制作（工厂）6CO2FCAW-GF、V、HBOX梁柱对接（工地）主要用于合拢焊缝7EGWV1200×1200棱形柱（工地）（科研项目）8SAW(横焊)H工地横焊缝（科研项目）9FCAW－SSF、H工地焊缝小角度高空坡口焊接10SMAWF、V、H、O工地焊缝（1）铸钢同钢的焊接（2ET用于仰焊11SWF工厂26工艺评定（应有的部份）国家体育场工程需进行焊接工艺评定的钢种组合有：（1）Q345＋Q345（2）Q345DGJ