《鸟巢焊接技术》PPT课件.ppt

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1、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

2、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

3、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。,6,1、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：41

4、875吨,7,2、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90100mm，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。,8,3、钢材性能,冲击性能要求,Z

5、向性能要求,9,二、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。,10,2、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,11,主桁架典型K型节点,12,3、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，

6、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

7、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600

8、T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。,15,78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。,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

9、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

10、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

11、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+=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

12、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，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。,2

13、3,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：

14、A.用自由端自由收缩的方法来减少焊接残余应力。,24,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

15、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）,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）Q345Q345（2）Q345DGJQ345DGJ（3）Q345CGJQ345CGJ（4）Q460Q460（5）S460MLS460ML（6）GS16Mn5Q345CGJ（7）GS20Mn5Q345CGJ（8）Q460GS20 Mn5（9）S460mlGS20 Mn5（10）GS20 Mn5Q345DGJ

16、（11）GS16 Mn5Q345DGJ（12）Q345MLO,27,焊接工艺评定项目统计表,=176,28,七、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

17、（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。,29,2、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

18、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。,30,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

19、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。在各阶段内圈桁架吊装就位后，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。,3、主结构的焊接顺序实施,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

20、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。,32,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

21、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。,33,4

22、、次结构焊接,次结构的安装工艺是：分区安装，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。,34,5、立面次结构的焊接顺序,典型立面次结构焊接顺序如下图所示：,35,6、顶面次结构焊接顺序,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：,36,八、焊接坡口形式与尺寸,坡口形式与尺寸,小角度V型坡口 铸

23、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,柱与柱的现场吊装对接坡口,38,焊接参数,39,40,九、超高强钢特厚板焊接技术,41,为解决国内建筑钢结构未曾使用过的Q460和S460ML钢特厚板（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：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；工艺评定合格后制定专项施工焊接工艺规程并严格执行；S460ML为热机械轧制（TMCP）钢材，焊接性应比正火钢

24、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；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ER50型焊丝；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。,42,十、层状撕裂问题分析,.层状撕裂风险性分析：

25、,43,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对LTR的影响，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，而本工程所

26、选用的钢板其性能标准上满足Z15Z35的要求，但实测的钢材的Z值均在55左右，因此，该钢材具有比较好的抗层状撕裂的性能。,44,十一、铸钢件焊接技术,高强度特厚铸钢件的焊接难度较大，按照焊接性试验-焊接工艺评定-焊接规程制定与执行的程序进行，原则上拟采取以下措施：提高焊接预热温度，焊后保温缓冷，冬季低温时焊后要立即重新加热到一定温度并定时保温；选用低温韧性好的焊材，如E50焊条，ER50-6、7焊丝；采用两对边同时施焊并分段多人同时退焊的顺序，以减小峰值应力、防止裂纹产生。,45,十二、科技创新及攻关,由于国家体育场钢结构形体特殊，结构复杂且无规律可言，因此对施工技术要求极高，并且，由于钢结构

27、的特大跨度和安装位置多变，决定了钢结构吊装的难度，另外，现场的焊接量大，应力、应变控制难度极高，空中作业多，使得焊接难度增大。经过仔细研究，决定就：1、CO2气电立焊（EG）特厚板斜面焊接工艺的开发与应用；2、埋弧横焊技术在钢结构横焊焊缝中的应用；3、陶瓷衬垫取代坡口反面的钢板的工艺试验；4、适应多位变化特殊吊具的研究与试验；5、细长比大的矩形构件工装的研究与试验；6、GZJ环保型多功能工业清洗液的应用，7、双向弯扭构件的钢结构放样详绘制。8、超大截面双曲构件的制作及拼装、安装精度控制。9、区域变形（温度、沉降、焊接、制作安装精度影响）及整体变形控制技术研究。10、78个高悬臂临时支撑群的稳定性研究与实施。11、主桁架、柱、次结构等异型构件高空安装精确对口措施及工艺研究。等以上十一个项目拟进行立项及技术攻关。,46,谢谢,