北京体育馆钢结构工程焊接应力应变控制技术

国家体育场（鸟巢）钢结构工程焊接应力应变控制技术探讨北京****钢结构工程有限公司二00五年三月目录TOC\o"1-3"\h\zHYPERLINK\l"_Toc98315899"一、工程概况2HYPERLINK\l"_Toc98315900"1.钢结构设计重量3HYPERLINK\l"_Toc98315901"2.钢材型号厚度3HYPERLINK\l"_Toc98315902"3.钢材性能4HYPERLINK\l"_Toc98315903"二、工程特点4HYPERLINK\l"_Toc98315904"1.工程规模大，构件吨位重4HYPERLINK\l"_Toc98315905"2.节点复杂5HYPERLINK\l"_Toc98315906"3.施工难度大5HYPERLINK\l"_Toc98315907"4.工期要求紧6HYPERLINK\l"_Toc98315908"三、施工方案简介6HYPERLINK\l"_Toc98315909"四、难点分析10HYPERLINK\l"_Toc98315910"五、钢结构焊接变形及残余应力的分析与对策11HYPERLINK\l"_Toc98315911"1.焊接变形与残余应力的基础分析11HYPERLINK\l"_Toc98315912"六、焊接工艺评定13HYPERLINK\l"_Toc98315913"1.国家体育场（鸟巢）焊接技术归类表（计划1）13HYPERLINK\l"_Toc98315914"2.工艺评定（应有的部份）13HYPERLINK\l"_Toc98315915"七、焊接坡口形式与尺寸15HYPERLINK\l"_Toc98315916"1、坡口形式与尺寸15HYPERLINK\l"_Toc98315917"2、焊材匹配与选用16HYPERLINK\l"_Toc98315918"八、焊接顺序17HYPERLINK\l"_Toc98315919"1、焊接工程的总体思路17HYPERLINK\l"_Toc98315920"2、主结构焊接的指导思想17HYPERLINK\l"_Toc98315921"九、超高强钢特厚板焊接技术21HYPERLINK\l"_Toc98315922"十、层状撕裂问题分析23HYPERLINK\l"_Toc98315923"十一、铸钢件焊接技术24HYPERLINK\l"_Toc98315924"十二、科技创新及攻关24一、工程概况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。工程±0.000标高相对于绝对标高为43.500m，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12.000m。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。1.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2.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。3.钢材性能冲击性能要求钢材牌号主结构次结构Q345、Q3445GJD级，-2000CC时AK≥34JC级，00C时AKK≥34JQ460、S4660MLE级，-4000CC时AK≥34JZ向性能要求钢板厚度(mm))T＜4040≤t≤6060＜t≤80t＞80Z向要求--Z15Z25Z35二、工程主要特点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。2.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主桁架典型K型节点三、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。四、层状撕裂问题分析层状撕裂风险性分析：启裂分类成因措施第Ⅰ类以焊根裂纹,焊趾趾裂纹为启裂裂源,沿HAZ发展的层状状撕裂。影响冷裂的因素::Pcm、HD、RF；伸长的MnS夹杂杂物；角变形引起的应变变集中。1.同防止冷裂纹的措措施；2.降低钢中的S的含含量；3.改变接头及坡口形形式,防止角变形形及应力集中中。第Ⅱ类以轧制夹层为启裂裂源,沿HAZ发展的层状状撕裂。伸长的MnS夹杂杂物及硅酸盐盐夹杂物；拘束度加大应变时时效。减少拘束度；采用低氢焊材；改进接头和坡口形形式；堆焊隔离层。第Ⅲ类以轧制夹层为裂源源,沿远离HAZ的母材中心心发展的层状状撕裂。轧制的长条MnSS夹杂物及硅硅酸盐夹杂物物；拘束度增加；应变时效。减小拘束度；改进接头或坡口形形式；堆焊隔离层；钢板两端机械加工工。由于焊接接头的形成方式对钢板板厚方向的拘束比较大，因此，从接头方式角度来讲存在一定的倾向性，根据层状撕裂经验公式：LTR=INF（A）+INF（B）+INF（C）+INF（D）+INF（E）；INF（A）为焊脚尺寸S的影响，S值越大，LTR越大。所以不应采用过大的焊脚尺寸。INF（B）为接头形成方式的影响。INF（C）为承受横向拘束时板厚δ对LTR的影响，δ越大，LTR越大。INF（D）为拘束度的影响，拘束度Rf越大，层状撕裂倾向越大。INF（E）为预热条件的影响，采用预热有利。根据所计算的LTR值知道，板厚大于40mm其层状撕裂的危险性很大，但产生层状撕裂最主要是取决于钢材的材质，因此本工程所选用的钢板其性能一定要满足Z15～Z35的要求，同时在应力应变的控制上采用有力防止层状撕裂现象的出现。四、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）。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。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。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。六、焊接工艺评定1.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（工工厂）2SAW－DFBOX梁柱制作（工工厂）双丝高速埋弧焊是是用于δ=8㎜的BOX梁柱的制作作（科技攻关关项目）3ESW－MNVBOX梁柱制作（工工厂）截面小于600××600BOOX梁柱角板焊焊接4ESW－WEVBOX梁柱制作（工工厂）截面小于600××600BOOX梁柱角板焊焊接5CO2GMAWF、HBOX梁柱制作（工工厂）6CO2FCAW--GF、V、HBOX梁柱对接（工工地）主要用于合拢焊缝缝7EGWV1200×12000棱形柱（工工地）（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焊接10SMAWF、V、H工地焊缝铸钢同钢的焊接用用于仰焊11SWF工厂2.工艺评定（应有的部份）2.1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＋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＋MLO2.2焊接工艺项目评定表序号钢种组合试件板厚SAWSAW－DESW－MNESW－WECO2GMAWCO2FCAWGGEGWSAW（H）FCAW－SSSMAWSW1（1）70，36，20331199111302（2）70，30，20331199111303（3）70，36，20331199111304（4）70，36220066000605（5）70，36220066000606（6）70，36000000000607（7）70，36000000000608（8）70，36000000000609（9）70，360000000006010（10）70，360000000006011（11）70，360000000006012（12）70，36，209合计1313333936333579∑=176七、焊接坡口形式与尺寸1、坡口形式与尺寸小角度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。柱与柱的现场吊装对接坡口·焊接参数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/miin)GMAW实心焊丝丝ER50-6,7ER55-6,7φ1.2260～32030～3450～80FCAW药性焊丝丝E50E55φ1.2260～30030～3450～80SMAWE5015，E55515φ3.290～12022～26/φ4160～18024～26/φ5200～24026～28/2、焊材匹配与选用焊材的选用遵循“等强匹配”原则。·母材设计采用Q345D或Q345GJD结构钢(局部采用Q460、S460ML钢)，其厚度方向性能须符合设计及GB5313-85中规定的Z向性能的要求。根据以往工程经验，铸钢件建议使用GS－20Mn5V（DIN17182）。铸钢GS－20Mn5V的化学成分与Q345D相近，其碳当量极限值为0.42，与Q345D钢材的可焊性较好。·焊材根据母材及焊缝性能，钢结构安装焊接主要采用半自动二氧化碳气体保护焊（GMAW），焊接位置困难之处如仰焊采用手工电弧焊（SMAW）。焊材选用见表一。表一：焊材选用序号母材焊接材料GMAW或FCAAW-GSMAW标准型号标准强度保证值标准型号标准强度保证值σsσbσsσb1Q345D72Q345GJD73GS－20Mn55V+Q345D、QQ345GJJD74SL7E551544054057八、焊接顺序1、焊接工程的总体思路协同安装，科学编程，六个统一，攻克难关；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。协同安装：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。科学编程：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。六个统一：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。攻克难关：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，尽量采用如渣气联合保护焊和减少应力的焊接工艺。2、主结构焊接的指导思想A.焊接顺序根据主结构“分区安装，分步进行，基本对称，控制合拢”的思想，焊接程序应当是：第一步：以柱为点，弧线同步，内外并进，分头进行，监测应变，谨慎合拢。第二步：扇形分中，多点同步，分向进行，异向合拢。主结构总体焊接顺序：第一阶段：A，BA为内圈节点，B为外圈节点；由内向外的方向焊接标志及顺序为A1、A2、A3、A4、A5；由外向内的方向焊接标志及顺序为B1、B2。第二阶段：C，DC为内圈节点，D为外圈节点；由内向外的方向焊接标志及顺序为C1、C2、C3、C4；由外向内的方向焊接标志及顺序为D1、D2、D3、D4。第三阶段：E由内向外的方向焊接标志及顺序为A、C、E；由外向内的方向焊接标志及顺序为E1、E2。内圈的焊接顺序：由内向外的方向焊焊接标志及顺顺序为A、C、E；由外向内的方向焊焊接标志及顺顺序为E1、E2。在焊接方法上采用用气体保护焊焊，渣气联合合保护，药芯芯自保护等高高能密度的焊焊接方式和小小的焊接线能能量（即小的的E总），这样样可以获得较较理想的焊接接变形和残余余应力状态。在在具体消除应应力的措施上上，对长焊缝缝采用分段跳跳焊和锤击焊焊缝的方法（用用锤击法消除除中间焊层应应力时，应采采用圆头小锤锤和小型震动动工具进行，不不应对根部焊焊缝，盖面焊焊缝或焊缝坡坡口边缘母材材进行锤击）。可可以达到减少少焊缝残余应应力的目的。因因此，实现焊焊接顺序的总总体思路肯定定可以获得钢钢结构构件屋屋顶尺寸的稳稳定和合理焊焊接残余应力力，从而保证证工程的安全全可靠。B．合拢段焊缝的变变形及应力控控制措施在屋顶整体焊接顺顺序中，最后后两组（条）焊焊缝是合拢段段焊缝，是整整个工程的关关键焊缝，关关系到工程的的成败。从图（4）中可知知，合拢段焊焊缝的焊接有有相当难度，根根据我们的经经验，要想达达到理想的质质量目标，必必须进行以下下工作：节点的优化，在图图（1）中1－1、2－2截面中，要要求坡口为V型、X型；其位置为平焊和立立焊。并在安安装过程中有有定位的约束束。在具体焊接顺序上上必须遵守：：先焊1—1截面，再焊2－2截面。在同同一截面的焊焊接中，应当当遵守由下而而上的焊接顺顺序。在焊接2－2截面面的过程中必必须做到：在保证焊透的前提提下，应用小小的坡口；从从此来尽量减减少焊肉的截截面积（在制制作时加工完完成）；当坡口间隙过大时时，应在一侧侧先堆焊，后后磨光；X型坡口不留间隙、顶顶紧（立焊）、V型坡口尽量不留间隙；V型坡口不留间隙难难以焊透，因因此反面应清清根，并焊退退火焊道，X型坡口清根根后焊另一面面。遵守焊接顺序的总总思路，应用用对称施焊，分分段跳焊和锤锤击焊缝的工工艺进行（详详见作业计划划）。V型坡口经堆焊间隙隙还大时；该该焊口为累积积收缩量的集集中体现，可可按图（5）处理。说明：图中1———先焊；2——垫板δ＝10mm；当间隙大于20mmm时，应采取取堆焊工艺，应应用CO2气体保护焊焊进行。在各阶段内圈桁架架吊装就位后后，按照先焊焊接内圈后焊焊接桁架的焊焊接顺序，其其余桁架接缝缝采取按区沿沿轴线方向的的焊接顺序，由由外向内逐一一扩散同步焊焊接；各区之之间的连接采采用先封闭焊焊接内圈，后后连接主桁架架的焊接顺序序。立面次结构的焊接接顺序：按吊装顺序进行,,原则上先焊焊横杆件后焊焊竖杆件。柱间次结构的焊接接先于主桁架架，根据分段段安装顺序采采取逐段由下下往上，先焊焊横向杆件予予以定位，后后焊竖向杆件件的顺序。并并按照三柱间间两小区同时时对称施焊的的原则。典型型立面次结构构焊接顺序如如下图所示：：典型立面次结构焊焊接顺序示意意图顶面次结构焊接顺顺序：以主桁架为主干对对称焊接，每每一焊接单元元由外向内，由由两端向中间间焊接。典型型顶面次结构构焊接顺序如如下图所示：：局部焊接顺序：箱型梁由2名焊工工同步对称施施焊，采用多多层多道焊，如如下图示。同同一榀桁架上上下弦同时施施焊；一榀主主桁架两端接接缝不可同时时焊接，构件件连接避免随随装随焊，以以免收缩变形形累积而引起起节点移位；；菱形柱在拼拼装时，由4名焊工同步步对称施焊，采采用多层多道道施焊，如下下图示。九、超高强钢特厚厚板焊接技术术高强钢焊接性试验验及焊接工艺艺评定工作流流程图为解决国内建筑钢钢结构未曾使使用过的Q460和S460MML钢特厚板（100mm）封闭断面面构件焊接裂裂纹倾向大的的难题，拟采采取以下技术术措施：通过国际通用的标标准试验方法法了解和评估估该钢种的焊焊接性，以制制定适当的焊焊接工艺参数数，然后以拟拟订的参数按按相关规程要要求进行接头头焊接工艺评评定；工艺评定合格后制制定专项施工工焊接工艺规规程并严格执执行；S460ML为热热机械轧制（TMCP）钢材，焊焊接性应比正正火钢好，但但是因板厚达达100mmm，原则上拟拟采用稍高的的焊前预热温温度防止裂纹纹，同时还要要控制热输入入量上限，以以防止近缝区区软化；选用强度匹配适当当并且塑性比比较好的焊材材，如E55155-C1，ER55--6，7以应对超高高强钢塑性差差，焊接残余余应力高引起起的裂纹敏感感性。Q460与Q345钢的焊接采采用E50及ER50型焊丝；板厚达100mmm的S460MML钢，EN101113-3标准未限定定其碳当量，冲冲击韧性也未未达到设计要要求，拟寻求求同等级性能能更好的钢材材，例如新日日铁的BT-HTT440新一代抗震震结构钢，100mm厚板其当量量不大于0.47，可改改善焊接性，适适当简化焊接接工艺，确保保接头性能。十、层状撕裂问题题分析层状撕裂风险性分分析：启裂分类成因措施第Ⅰ类以焊根裂纹,焊趾趾裂纹为启裂裂源,沿HAZ发展的层状状撕裂。影响冷裂的因素::Pcm、HD、RF；伸长的MnS夹杂杂物；角变形引起的应变变集中。1.同防止冷裂纹的措措施；2.降低钢中的S的含含量；3.改变接头及坡口形形式,防止角变形形及应力集中中。第Ⅱ类以轧制夹层为启裂裂源,沿HAZ发展的层状状撕裂。伸长的MnS夹杂杂物及硅酸盐盐夹杂物；拘束度加大应变时时效。减少拘束度；采用低氢焊材；改进接头和坡口形形式；堆焊隔离层。第Ⅲ类以轧制夹层为裂源源,沿远离HAZ的母材中心心发展的层状状撕裂。轧制的长条MnSS夹杂物及硅硅酸盐夹杂物物；拘束度增加；应变时效。减小拘束度；改进接头或坡口形形式；堆焊隔离层；