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国家体育场（鸟巢）钢结构工程焊接应力应变控制技术探讨

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    北京城建精工钢结构工程有限公司
    刘子祥、李海斌
    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

    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。


    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

    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。


    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）。
    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＜1
    ε+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=0.2 Fn /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。


    3、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）。
    4、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。

    以上是我们的初步设想，任何技术的实施效果都要通过实践来进行验证。我们将在鸟巢工程的实践中以应用技术理论为基础，以全面质量管理为方法，全面、全员、全过程对焊接工程进行科学管理，以确保国家体育场（鸟巢）工程的顺利建成。
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