鸟巢焊接技术专题汇报

1、1国家体育场（鸟巢）工程焊接技术的国家体育场（鸟巢）工程焊接技术的专题汇报专题汇报23l 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。l 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。l 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

2、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。 5l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1000mm1000mm，下弦杆截面基本为800mm800mm，腹杆截面基本600mm600mm，腹杆与上下弦杆

3、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1200mm1200mm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1200mm1000mm，顶面次结构截面基本为1000mm1000mm。 6l主桁架：12720吨l组合柱：12548吨l次结构：11670吨l楼 梯：4137吨l马 道：800吨l合 计：41875吨 7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90100

4、mm，其余为5080mm，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。 8冲击性能要求冲击性能要求钢材牌号主结构次结构Q345、Q345GJD级，-200C时AK34JC级，00C时AK34JQ460、S460MLE级，-400C时AK34J-Z Z向性能要求向性能要求钢板厚度(mm)T4040t6060t80t80Z向要求-Z15Z25Z359l马鞍形钢

5、屋盖长轴约333m，短轴约280m；内环长轴约182m，短轴约124m；矢高12m。l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。 10l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。 11l主桁架典型K型节点 12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、

6、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

7、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。 14l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

8、支撑体系图16l钢柱安装采用地面组拼，分段吊装的施工方法。17l主桁架安装采用地面分段拼装，高空散装的施工方法。18l次结构的安装采用分段散装的施工方法。2 ( 4 . 9 4 7 )1( 5 . 0 8 4 )3( 6 . 9 8 2 )4( 2 4 . 5 9 4 )5( 9 . 9 7 8 )6( 2 1 . 0 0 9 )7( 2 1 . 3 4 )8( 1 0 . 0 6 2 )91 0 ( 1 4 . 4 2 9 )1 3( 2 5 . 0 5 8 )1 2( 8 . 5 9 3 )1 1( 1 2 . 1 9 )1 4( 3 . 7 9 2 )1 5( 2 7 . 1 7 7 )

9、立面典型次结构安装平面典型次结构安装19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

10、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

11、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。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

12、能量E总=1；E总= W有+ W无+=1 （1）当焊接结束后：+= E总 -W有-W无= C1+= C1 （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；-焊接变形所需的能量；-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：当焊接残余应力残s（母材屈服强度）时;钢结构就会出现失稳状态，严重时，

13、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。F=0.2 Fn / (3)式中：F焊接变形的收缩量；Fn 焊缝的横截面积； 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

14、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

15、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。 25l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） 2SAWDFBOX梁柱制作（工厂）双丝高速埋弧焊是用于=8的BOX梁柱的制作（科技攻关项目）3ESWMNV

16、BOX梁柱制作（工厂）截面小于600600BOX梁柱角板焊接4ESWWEVBOX梁柱制作（工厂）截面小于600600BOX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7EGWV12001200棱形柱（工地）（科研项目）8SAW(横焊)H工地横焊缝（科研项目）9FCAWSSF、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 26l国家体育场工程需进行焊接工艺评定的钢种组合有：l（1）Q345Q345（2）Q345DGJQ345DGJ（3）Q345C

17、GJQ345CGJ（4）Q460Q460l（5）S460MLS460ML （6）GS16Mn5Q345CGJl（7）GS20Mn5Q345CGJ（8）Q460GS20 Mn5l（9）S460mlGS20 Mn5（10）GS20 Mn5Q345DGJl（11）GS16 Mn5Q345DGJ（12）Q345MLO 27序号钢种组合试件板厚SAWSAWDESWMNESWWECO2GMAWCO2FCAWGEGWSAW（H）FCAWSSSMAWSW1（1）70，36，20331199111302（2）70，30，20331199111303（3）70，36，20331199111304（4）70，362

18、20066000605（5）70，36220066000606（6）70，36000000000607（7）70，36000000000608（8）70，36000000000609（9）70，360000000006010（10）70，360000000006011（11）70，360000000006012（12）70，36，2000 0 0 0 0 00 0 09合计 131333393633357928：同安装工艺共同决定每一根主结构的安装顺序，确认起始点和合拢点，合拢点严禁在构件自重应力的集中点。：以JGJ81-2002钢结构焊接规程为指导思想，以焊接应力变形控制的理论为基础，编制科

19、学合理的焊接程序，有效的控制钢结构整体的应力及变形，使焊接残余应力和变形相对合理的存在结构之中，希望焊接应力不至于过大而影响结构安全（应尽可能小），又不希望有过大形变而影响美观，使国家体育场工程既安全又美观。：即执行焊接程序的组织保证：（1）施工各单位必须统一严格执行焊接程序；（2）统一焊接程序、焊接方案交底；（3）统一焊接技术（焊接方法）；（4）统一工艺评定；（5）统一焊工培训；（6）统一质量检测。：重点抓好三个工艺评定：（1）Q460钢的焊接工艺评定;(2)厚板焊接工艺评定（分层）；（3）抓好铸钢同钢、异种钢的焊接工艺评定。尚应注意重要的焊缝先焊，次要的后焊，收缩量大的先焊，收缩量小的后焊

20、，尽量采用如渣气联合保护焊和减少应力的焊接工艺。2930l第一阶段：A，BlA为内圈节点，B为外圈节点；l由内向外的方向焊接标志及顺序为A1、A2、A3、A4、A5；l由外向内的方向焊接标志及顺序为B1、B2。l第二阶段：C，DlC为内圈节点，D为外圈节点；l由内向外的方向焊接标志及顺序为C1、C2、C3、C4；l由外向内的方向焊接标志及顺序为D1、D2、D3、D4。l第三阶段：El由内向外的方向焊接标志及顺序为A、C、E；l由外向内的方向焊接标志及顺序为E1、E2。l内圈的焊接顺序：l由内向外的方向焊接标志及顺序为A、C、E；l由外向内的方向焊接标志及顺序为E1、E2。l在各阶段内圈桁架吊装

21、就位后，按照先焊接内圈后焊接桁架的焊接顺序，其余桁架接缝采取按区沿轴线方向的焊接顺序，由外向内逐一扩散同步焊接；各区之间的连接采用先封闭焊接内圈，后连接主桁架的焊接顺序。 31在焊接方法上采用气体保护焊，渣气联合保护，药芯自保护等高能密度的焊接方式和小的焊接线能量（即小的E总），这样可以获得较理想的焊接变形和残余应力状态。在具体消除应力的措施上，对长焊缝采用分段跳焊和锤击焊缝的方法（用锤击法消除中间焊层应力时，应采用圆头小锤和小型震动工具进行，不应对根部焊缝，盖面焊缝或焊缝坡口边缘母材进行锤击）。可以达到减少焊缝残余应力的目的。因此，实现焊接顺序的总体思路肯定可以获得钢结构构件屋顶尺寸的稳定和

22、合理焊接残余应力，从而保证工程的安全可靠。B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。 合 拢 段 焊 缝 安 装 示 意 图112232从上图中可知，合拢段焊缝的焊接有相当难度，根据我们的经验，要想达到理想的质量目标，必须进行以下工作：（1）节点的优化，在图中11、22截面中，要求坡口为V型、X型；（2）其位置为平焊和立焊。并在安装过程中有定位的约束。（3）在具体焊接顺序上必须遵守：先焊11截面，再焊22截面。在同一截面的焊接中，应当遵守由下而上的焊接顺序。（4）在焊接22截面的过程中必须做到：a. 在保证焊透

23、的前提下，应用小的坡口；从此来尽量减少焊肉的截面积（在制作时加工完成）；b. 当坡口间隙过大时，应在一侧先堆焊，后磨光；c. X型坡口不留间隙、顶紧（立焊）、V型坡口尽量不留间隙；d. V型坡口不留间隙难以焊透，因此反面应清根，并焊退火焊道，X型坡口清根后焊另一面。e. 遵守焊接顺序的总思路，应用对称施焊，分段跳焊和锤击焊缝的工艺进行（详见作业计划）。f. V型坡口经堆焊间隙还大时；该焊口为累积收缩量的集中体现，可按下图处理。 说明：图中1先焊； 2垫板10mm；当间隙大于20mm时，应采取堆焊工艺，应用CO2气体保护焊进行。V型坡口衬垫示意图2110mm20mm 33次结构的安装工艺是：分区

24、安装，由下而上，顺势发展，形成整体。因此焊接的指导思想应当是：一端自由，跟随进行，多点开花，对称适量，区中合拢。按吊装顺序进行,原则上先焊横杆件后焊竖杆件。柱间次结构的焊接先于主桁架，根据分段安装顺序采取逐段由下往上，先焊横向杆件予以定位，后焊竖向杆件的顺序。并按照三柱间两小区同时对称施焊的原则。 34典型立面次结构焊接顺序如下图所示：E4E3*2E2*2F1F1F1E2E1*23F2D1C4*2F2C3*2C2D1D1F2C1*221D2D2B1*2B1D3A5A4*2D2A3*2A2A1*2B1B2B2B2说 明 ：（ 1） 焊 接 顺 序 接装上 后 可 焊 1以 下 区 域 ， 3装

25、上 后 可 焊 2以 下 区域 ， 最 后 焊 3以 上 次 结 构 。（ 2） 先 焊 横 杆 ， 后 焊 竖 杆 。（ 3） 数 据 相 同 的 同 步 焊 接 ， 字 母 脚 标 为 焊接 顺 序 ， 脚 标 后 的 数 字 为 焊 口 数 ， 其 中 对称 焊 口 为 同 步 焊 接 。35l以主桁架为主干对称焊接，每一焊接单元由外向内，由两端向中间焊接。典型顶面次结构焊接顺序如下图所示： 说明：（1）焊接顺序 、由内向外焊接 、内外向内焊接（2）焊接的原则是：以主桁架为主干对称焊接（3）顺序中的脚标数为焊接的先后顺序，脚 标后的数字为焊接的焊口数，其中的对 称焊口为同步焊接焊口。36

26、坡口形式与尺寸 t35+58铸钢件38t35+5小角度V型坡口 铸钢件与柱的对接焊缝坡口 焊接坡口采用小角度V型坡口形式，如上图。主要考虑在保证焊透的前提下采用小角度、窄间隙单面焊接坡口，可减少收缩量。 37或38焊接方法焊接材料焊接工艺参数 备注标准型号规格(mm)电流(A)电压(V)气流量(L/min)GMAW实心焊丝ER50-6,7ER55-6,71.226032030345080 FCAW药性焊丝E50E551.226030030345080 SMAWE5015，E55153.2901202226/ 41601802426/ 52002402628/ 39序号母材焊接材料GMAW或FC

27、AW-GSMAW标准型号标准强度保证值标准型号标准强度保证值sbsb1Q345DER50-6,7420500E5015390490E504004802Q345GJDER50-6,7420500E5015390490E504004803GS20Mn5V+Q345D、Q345GJDER50-6,7420500E5015390490E504004804S460MLS460MLER55-6,7470550E5515440540E554705505S460MLQ345DER50-6,7420500E5015390490E504004804041l为解决国内建筑钢结构未曾使用过的Q460和S460ML钢特

28、厚板（100mm）封闭断面构件焊接裂纹倾向大的难题，拟采取以下技术措施：l通过国际通用的标准试验方法了解和评估该钢种的焊接性，以制定适当的焊接工艺参数，然后以拟订的参数按相关规程要求进行接头焊接工艺评定；l工艺评定合格后制定专项施工焊接工艺规程并严格执行；lS460ML为热机械轧制（TMCP）钢材，焊接性应比正火钢好，但是因板厚达100mm，原则上拟采用稍高的焊前预热温度防止裂纹，同时还要控制热输入量上限，以防止近缝区软化；l选用强度匹配适当并且塑性比较好的焊材，如E5515-C1，ER55-6，7以应对超高强钢塑性差，焊接残余应力高引起的裂纹敏感性。Q460与Q345钢的焊接采用E50及ER

29、50型焊丝；l板厚达100mm的S460ML钢，EN10113-3标准未限定其碳当量，冲击韧性也未达到设计要求，拟寻求同等级性能更好的钢材，例如新日铁的BT-HT440新一代抗震结构钢，100mm厚板其当量不大于0.47，可改善焊接性，适当简化焊接工艺，确保接头性能。 42启裂分类成 因措 施第第类类以焊根裂纹,焊趾裂纹为启裂源,沿HAZ发展的层状撕裂。1. 影响冷裂的因素:Pcm、HD、RF；2. 伸长的MnS夹杂物；3. 角变形引起的应变集中。1.同防止冷裂纹的措施；2.降低钢中的S的含量；3.改变接头及坡口形式,防止角变形及应力集中。第第类类以轧制夹层为启裂源,沿HAZ发展的层状撕裂。1.伸长的MnS夹杂物及硅酸盐夹杂物；2.拘束度加大应变时效。1. 减少拘束度；2. 采用低氢焊材；3. 改进接头和坡口形式；4. 堆焊隔离层。第第类类以轧制夹层为裂源,沿远离HAZ的母材中心发展的层状撕裂。1.轧制的长条MnS夹杂物及硅酸盐夹杂物；2. 拘束度增加；3. 应变时效。1. 减