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國家體育場（鳥巢）鋼結構安裝工程 焊接質量控制的有效途徑

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    戴為志 孔建平 蘆廣平 周浩東 田玉明
    長江精工鋼結構(集團)股份有限公司 紹興 312030，北京城建精工鋼結構工程有限公司 北京100012）
    摘要：通過對國家體育場（鳥巢）鋼結構安裝工程、焊接工程的簡要介紹，分析找出了焊接質量管理因素同焊接缺陷的聯系，提出了管理的要點和技術的重點，制定了正確的技術路線，建立質量控制體系，并把體系運行的幾個亮點進行了闡述。文章通過對國家體育場鋼結構安裝工程焊接質量控制途徑和過程說明，提出了焊接質量控制的有效途徑就是以工程特點為基礎，以TQC思想為指導，制定切合工程實際的技術方針路線，完善質量保證體系，從“人、機、料、法、環”五大要素入手，實現全員、全面、全過程的管理，形成焊接質量控制的核心思想。
    關鍵詞：焊接質量控制　焊接質量管理因素　焊接質量保證體系　Q460E?Z35鋼焊接性試驗　焊工考核和培訓　焊接工藝評定　焊接應力與應變的控制　大流量防風

    Valid Path of the Welding Quality Control in National Stadium （ NEST） Steel Structure Erection
    Engineering(Changjiang＆Jinggong steel structure（group）CO.,LTD，Shaoxing，312030，China ；Beijing
    Chengjian＆Jinggong Steel Structure Engineering CO.LTD，Beijing，100012,China)
    Abstract：According to the brief introduction on the erection and welding engineering of National
    Stadium， this article analyses the relation between quality?management elements and welding
    distortion， provides the key points of management and echnology， formulates the correct
    technology rote， erects quality controlling system，and introduces several bright points on the
    working process of system. By means of the introduction on the welding quality controlling path
    and process of National Stadium steel structure erection engineering， this paper announces that
    the valid path to control welding quality is to take the engineering characteristics as the
    undation， taking the TQC thought as the leading， drawing up to suit the engineering actual
    technique policy route， commencing from "person， machine， material， method， environment"
    five elements， to carry out the whole member， the whole aspect,the whole process,becoming the
    core thought of welding quantity control.
    Keywords：Welding quality controlling　Quality-management elements Welding Quality Guarantee
    System Q460E-Z35 Steel Weldability　Welding Procedure Evaluation　Welding Stress and Deformation
    control Large-flow gas to protect wind
    1. 前言
    國家體育場（鳥巢）鋼結構工程具有十分強烈的吸引力和挑戰性，獨特的全焊接重型鋼構高空大跨度馬鞍型設計造型，不僅使結構變為十分復雜，而且帶來難以控制的應力應變狀態，由此形成了“一焊，二吊，三卸載”的施工難關。作為貫穿整個工程決定結構安全運營的主導工序??焊接，其質量指標和施工難度之高可想而知，令世人矚目。業內專家，各級政府和相關領導對此給予了極大的關注，曾幾何時，在“鳥巢”工地形成了大家關心、擔心焊接，人人談論焊接的局面；緊迫感，使命感，強大的壓力油然而生。所幸的是隨著時間的推移，鳥巢的焊接工作在各級領導、專家的關懷下逐漸進入正軌，在工程中取得一定的成績；在此，我們僅目前取得的鋼結構現場安裝焊縫100％超聲波檢測，一次合格率大于99％，第三方抽查合格率100％的優異成績來回報社會各界對“鳥巢”鋼構安裝工程的關心和厚愛。
    2. 工程概況
    2.1　工程簡介
    國家體育場位于北京市成府路南側，奧林匹克公園中心區內，是北京2008年奧運會的主體育場。建筑頂面呈馬鞍型，長軸為332.3m，短軸為297.3m，最高點高度為68.5m，最低高度為40.1m。屋蓋中間開洞長度為185.3m，寬度為127.5m。
    主桁架圍繞屋蓋中間的開口放射型布置，與屋面及立面的次結構一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型。大跨度屋蓋支撐在周邊的24根桁架柱之上，主桁架盡可能直通或接近直通，并在中部形成由分段直線構成的內環洞口。為了避免出現過于復雜的節點，4榀主桁架在內環附近截斷。用分段直線代替主桁架空間彎扭曲線弦桿，減少構件的加工難度。將腹桿傾斜角度控制在60°左右，網格大小盡量均勻，上下弦節點對齊，具有較好的對稱性。桁架柱、弦桿與腹桿形成完整的桁架，腹桿主要連接于外柱與立面次結構的交點。腹桿軸線與內外柱軸線在同一平面內，腹桿寬度為1200mm，與菱形內柱同寬。在屋蓋上弦采用膜結構作為屋面圍護結構，屋蓋下弦采用聲學吊頂。主場看臺部分采用鋼筋混凝土框架－剪力墻結構體系，與大跨度鋼結構完全脫開。
    屋蓋主結構的桿件均為箱型構件，其中，主桁架斷面高度為12m，上弦桿截面為1200mm×1200mm～1000mm×1000mm，下弦桿截面為1000mm×1200mm～800mm×800mm，腹桿截面基本為600mm×600mm，主桁架沿洞口斜角交叉布置。桁架柱為三角形格構柱，每根格構柱由兩根1200mm×1200mm箱型外柱和一根1200mm×1200mm菱形內柱組成，腹桿截面為1000mm×1200mm。桁架柱上端大、下端小，上端與主桁架相連，下端埋入鋼筋混凝土承臺內，并將屋蓋荷載傳至基礎。
    2.2　安裝方案介紹
    本工程鋼結構體系新穎，經過多種施工方案反復比較、多次多層次的專家論證最終確定鋼結構總體安裝方案采用分塊高空散裝方法。主體鋼結構的安裝順序遵循對稱同步、盡早形成安裝區域局部穩定的原則，總體上分為三個階段八個區域，主體鋼結構共劃分230個安裝單元，其中：桁架柱48個安裝單元；平面主桁架166個安裝單元；立體桁架16個安裝單元。外環布置2臺800t履帶吊負責吊裝24根桁架柱和外圈主桁架，4臺150t履帶吊負責立面次結構的安裝；內環布置2臺600t履帶吊負責吊裝內圈和中圈主桁架；頂面次結構安裝階段，外環采用2臺300t履帶吊負責吊裝外圈肩部及頂面次結構，內環采用2臺150t履帶吊負責吊裝內圈頂面次結構。


    本工程采用了以制作為基礎，安裝為主線路，拼裝、涂裝、支撐塔架制作安裝等工序齊頭并進的網絡計劃，目的是在保證工程質量的前提下盡量縮短工期。詳見圖2

    3. 焊接工程概述
    本工程采用全焊鋼結構，所用鋼材全部國產化。當鋼板δ≤34mm時采用Q345鋼材；當鋼板厚36mm≤δ≤100mm時采用Q345GJD鋼材；當鋼板厚度100mm≤δ≤110mm時部分采用Q460E?Z35鋼材。桁架柱轉換部分采用GS20Mn5V鑄鋼節點。鋼材共計6個等級，板厚從8mm至140mm（鑄鋼）共有19個規格；設計用鋼量約為4.2萬噸。
    （1）本工程存在大量復雜的焊接節點，板件的厚度較大，板件之間的相互約束顯著，大量焊縫集中，焊接應力較大。特別是桁架柱柱腳結構復雜，內部勁板多數要求全焊透焊接，焊縫縱橫交錯，施工場地狹窄，控制焊接應力和焊接變形難度很大。

    （2）屋蓋主結構屬于大型大跨度空間結構，其自重產生的內力所占比例較大，主結構的施工和焊接順序對結構在重力載荷下的內力將產生明顯的影響，而主結構不規則的走向，很難排定焊接順序和安裝程序，因此控制其初始應力狀態不是一件容易的工作。
    （3）次結構安裝難度大于主結構，焊縫分布無規律可言，應力狀態也是十分復雜。

    （4）Q460E-Z35 δ＝110mm為國內建筑鋼結構首次使用，Q345GJD國內應用單位也不多，對上述鋼材的熱加工技術、焊接工藝無成熟經驗可借鑒；Q460E-Z35厚板焊接技術應用研究（可焊性試驗），目的是為Q460E-Z35鋼材焊接工藝的合理選擇與評定提供科學依據，以指導本工程Q460E-Z35的焊接施工；這項工作存在極大的風險和難度。
    （5）桁架柱、主桁架、次結構現場安裝焊縫大多為受力焊縫，根據設計要求均為一級全熔透焊縫，施工難度大，質量要求相當高，政治影響也很大。
    （6）鋼結構安裝工程采用的焊接技術有SMAW（手工電弧焊）、GSMAW、FCAW-G（H、F、V）；部分采用了GMAW-A（CO2實芯氣體全自動焊），FCAW-GA（CO2藥芯氣體全自動焊）。
    （7）工程中進行了多項焊接技術試驗研究：首先進行了Q460E-Z35焊接性試驗及焊接技術的應用研究，主要包括SH-CCT圖的試驗研究、Q460E-Z35熱切割試驗、Q460E-Z35熱矯正試驗、Q460E-Z35焊接冷裂紋試驗研究、Q460E-Z35剛性焊接試驗研究；然后進行了以及Q460E+Q460E（O、H、V、δ＝110mm）、Q460E+Q345GJD（O、H、V、δ＝110mm，100 mm）、Q460E+GS20Mn5V（O、H、V、δ＝110mm）的焊接工藝評定23項；其余Q345GJD、Q345、GS20Mn5V等鋼材，分別根據焊接技術、焊接位置、材料規格、以及異種鋼材的組合按JGJ81-2002《建筑鋼結構焊接技術規程》進行焊接工藝評定184項；同時進行了GMAW、FCAW-G大流量防風模擬試驗；為了適應冬季施工，進行了Q460E、Q345GJD鋼的低溫焊接試驗共24項。所有試驗全部按預期目標完成，試驗結果準確可靠，成為了國家體育場（鳥巢）鋼結構工程焊接規程有力的技術支持，在技術路線的制定過程中起到了決定性的作用。
    4. 全員、全面、全過程抓好影響焊接質量的“人、機、料、法、環”五要素
    經驗證明：TQC思想對焊接質量的控制是十分貼切而且有效的，始終應用TQC的基本思想，控制影響焊接的五要素是焊接工藝成功實施的基本保證，確保焊接工作有序進行的根本。
    4.1　分析十九項焊接質量管理要素同焊接十一項缺陷的關系，從中找出質量管理的重點和技術路線的關鍵線路。

    ◎強相關，有很大關系；○弱相關，有一定關系；□有影響
    表1明確地告訴我們管理重點是焊工，技術上的關鍵是防止焊接裂紋的產生。
    4.2　有針對性地組建焊接質量保證體系，從組織上確保焊接質量。
    質量管理的核心是形成了專家顧問、焊接工程師、焊接技師及相關專人人員相結合的技術組織形態，以焊工培訓、焊材、焊機的選擇為基礎，以控制焊接裂紋為主導的焊接技術路線，從方案編制、無損檢測、預熱后熱等質量控制環節上形成了一條科學嚴密的質量保證體系。
    本工程質量保證體系有六個重點：
    （1）第一次把焊機、焊材廠家作為質量保證體系中的重要閉環控制環節，形成了社會大協作的局面。
    針對工程特點，為確保工程質量，本工程所用的焊機和焊材在國內同類產品中間進行了有針對性的選擇，通過同廠家、實際操作者溝通、多次工藝試驗比較，最終選定了設備和材料。
    通過選擇試驗，確定了CL-500型CO2氣體保護焊機，該焊機能夠實現大流量防風的技術要求，可以提供70m和50m加長線纜，適應了高空戶外氣體保護焊的大規模應用要求。同時也選擇了ZX-500、ZX-400逆變焊條電弧焊機，部分排除了因焊機而產生焊接缺陷的機率。
    在焊接材料的選擇上，以滿足焊縫金屬強韌性要求為指標，通過調整焊縫金屬的微合金化的程度，同焊接規范相配合使焊縫金屬產生針狀鐵素體而獲得理想的焊縫強韌性，從而取得焊接工藝評定試驗的成功，確保工程實體質量。通過初步篩選，本安裝工程共選用了四種電焊條、三種實芯焊絲、三種藥芯焊絲，并通過工藝試驗作為現場指定焊接材料（表2）。

    （2）嚴把焊工水平關，確定焊工的有效證件范圍，制定嚴格的選拔和準入制度。各參施單位焊工必須持有“冶金、化工、造船、電力、壓力容器（省級以上）”焊工合格證之一，才能參加鳥巢工程驗證考試。本工程一共驗證考試911名焊工，通過了832名（B證）在此基礎上針對現場的特點，強化培訓165人（A證），參加現場拼裝、安裝工作，完成特殊焊接位置和特殊焊縫的焊接任務，由此極大的提高了整個軍團的作戰能力，滿足了厚板焊接的需要，確保了焊縫質量，有效保證了焊縫的一次合格率。
    （3）大規模采用遠紅外電加熱技術，對δ≥36mm的焊縫和重要焊接節點全部采用電加熱，由此保證了焊縫的預熱（后熱）溫度的均勻和準確性，對防止焊接裂紋的產生和控制應力應變起到積極的作用，特別在冬季施工中電加熱起到了不可替代的作用。
    （4） 第一次由施工單位牽頭進行了大規模高強鋼Q460E-Z35的焊接性試驗，積累了焊接性試驗的經驗，開發了焊接性試驗的方法，所有試驗為Q460E-Z35鋼的焊接規范提供了技術支持，使焊接工程獲得了成功，也為今后我國選用高強鋼的鋼結構工程提供了有益的借鑒經驗。
    （5）焊接工藝評定作為本工程具有否決權的工序之一得到了廣泛的重視。根據《建筑鋼結構焊接技術規程》（JGJ81-2002）相關規定，結合本工程特點，編寫完成《國家體育場鋼結構焊接工藝評定方案》，由各參施單位編制上報項目，通過專家審核后開始實施，在工藝評定過程中由監理單位見證，保證了試驗的可信度。焊接工藝評定涉及4種鋼材，分別是Q345D、Q345GJD、Q460E、GS20Mn5V；涉及焊接方法有：埋弧自動焊、手工電弧焊、CO2實芯焊絲氣體保護、CO2藥芯焊絲氣體保護焊；焊接位置有：橫、平、立、仰；試板的厚度涉及：12mm、20mm、42mm、50mm、70mm、80mm、110mm；試驗項目共計184項，涵蓋了國家體育場鋼結構從加工制作、拼裝到安裝涉及到的全部焊接內容。
    （6）自檢無損檢測單位的確定主要考慮人員素質、設備條件、技術支持等因素，無損檢測單位參與焊接的全過程管理，對坡口處理、焊接方法、焊接參數等進行見證，為最終檢測結果提供正確判斷。自檢單位與第三方監檢單位所采用的儀器精度、靈敏度、方法、焊縫探傷標準等完全一致，探傷結果百分之百吻合。
    5. 控制焊接應力變形的具體作法
    5.1　柱腳拼裝焊接變形的控制
    柱腳拼裝的原則是組裝服從于焊接。桁架柱柱腳零部件多、焊縫交錯、焊縫質量等級高，焊接位置困難，需通過焊接順序確定組裝順序，以實現焊接變形和焊接殘余應力控制。
    示例：C12柱腳受運輸條件限制，構件比較零散，在現場拼裝帶來很大難度，在進行焊接變形控制的同時，還有很多狹小空間焊接、Q460E鋼厚板焊接，C12柱腳拼裝集中體現了鳥巢鋼結構焊接的難點。（構件出廠分段圖）

    C12柱腳拼裝順序：步驟一、二采取橫拼的方式，變立焊縫為橫焊縫，兩側焊縫對稱施焊，預留焊接收縮量；步驟三首先在胎架上進行預拼，然后各自焊接，焊接時四周對稱施焊，預留收縮量，焊接過程中四周焊接速度一致，在構件上口設置尺寸觀測點，測量跟蹤觀測，發現位置偏移通過調整焊接速度來保證上口尺寸； 通過步驟三的預拼和焊接觀測，確保步驟四、五T形構件合攏尺寸的正確，步驟六完成散件的拼裝焊接。

    5.2　主桁架安裝焊接變形及應力的控制
    “ 控制兩點，確定方向，單桿雙焊，雙桿單焊，逐漸向合攏點逼近”。
    主要是控制起點和固定口，起點作為結構安全和穩定的必須控制點；固定口不能設置在構件重心或靠近重心和應力集中的地段。

    第一階段：A，B
    A為內圈節點，B為外圈節點；
    由內向外的方向焊接標志及順序為A1、A2、A3、A4、A5；
    由外向內的方向焊接標志及順序為B1、B2。
    第二階段：C，D
    C為內圈節點，D為外圈節點；
    由內向外的方向焊接標志及順序為C1、C2、C3、C4；
    由外向內的方向焊接標志及順序為D1、D2、D3、D4。
    第三階段：E
    由內向外的方向焊接標志及順序為A、C、E；
    由外向內的方向焊接標志及順序為E1、E2。
    內圈的焊接順序：
    由內向外的方向焊接標志及順序為A、C、E；
    由外向內的方向焊接標志及順序為E1、E2。
    在各階段內圈桁架吊裝就位后，按照先焊接內圈后焊接桁架的焊接順序，其余桁架接縫采取按區沿軸線方向的焊接順序，由外向內逐一擴散同步焊接；各區之間的連接采用先封閉焊接內圈，后連接主桁架的焊接順序。
    5.3　次結構安裝焊接變形及應力的控制
    “從下向上（立面次結構），以桁架柱（主結構）為中心對稱施焊；自由變形控制合攏。”
    次結構安裝難度大，由于次結構無規律可言，焊接方法只能原則控制，以立柱為中心對稱施焊可獲得均布應力，采用自由變形的方法可以最大限度的減少焊接應力。
    立面次結構的焊接順序：

    說明：（1）焊接順序接A→B→C→D→E→F，2裝上后可焊1以下區域，3裝上后可焊2以下區域，最后焊3以上次結構。（2）先焊橫切桿，后焊豎桿。（3）數據相同的同步焊接，字母腳標為焊接順序，腳標后的數字為焊口數，其中對稱焊口為同步焊接。
    頂面次結構焊接順序：
    以主桁架為主干對稱焊接，每一焊接單元由外向內，由兩端向中間焊接。典型頂面次結構焊接順序如下圖所示：

    5.4　大規模采用仰焊技術
    仰焊技術在焊接技術領域歷來存有爭議，由于對仰焊技術認識不深，過分地強調了仰焊的難度，在鋼結構領域內一度避免仰焊，然而國家體育場鋼結構工程根本無法避免仰焊，特別是主結構應力應變的控制中，避免仰焊將給工程帶來不可彌補的損失，因為這將改變整體結構的初始應力狀態，達不到設計要求，一旦有風載、雪載在應力集中點的疊加，將會給整個工程帶來災難性的事故。為此，我們決定大規模的推廣仰焊技術，保證工程的初始應力狀態，降低工程成本。
    采用仰焊技術的優點是：能有效控制焊接結構的初始應力，特別是箱形構件，采用仰焊技術可減少焊接工作量，有效控制構件的形變。仰焊技術的缺點是焊工的勞動強度相對較大，對操作技術要求較高。
    本工程中，我們通過焊接工藝評定試驗制定出科學合理的焊接規范，仰焊試板的超聲波探傷一次合格率為100％，試件力學指標也好于立焊焊縫；在實際操作方面，通過對焊工進行強化培訓，規范操作手法，強化體能訓練，為大規模應用仰焊技術提供了技術支持。經統計，鳥巢鋼結構采用仰焊技術占焊縫總長約為1/5，目前為止，已完成的仰焊縫返工率極低，在C19柱腳拼裝中完成約為5m長、δ＝80mm單V坡口（35°+8）的仰焊縫，UT探傷一次合格率100％。
    綜合比較，仰焊縫的質量好、成本低，所以本文建議要給予仰焊技術正確的定位。
    5.5　SMAW應用AV值，控制焊縫的熱輸入量。
    SMAW控制熱輸入量理論計算是不準確的，很難在工程中得到實際應用，根據我們的經驗，應用AV控制熱輸入量簡便易行，容易成功。
    在鳥巢工程中，焊接位置O（仰焊）、H（橫焊）、F（平焊）不容許擺動，焊接位置V可在15～20mm內擺動，因此規定在試驗成功的基礎上O（仰焊）、H（橫焊）、V（立焊），AV≥0.6，以實現大電流，薄焊道，多層多道的焊接技術，確保焊縫的質量。具體作法見下圖：

    6. GMAW，FCAW-G采用大流量、大規范焊接Q460E，Q345GJD（厚板）在現場施工獲得成功
    國家體育場鋼結構工程工期緊、任務重，應用電流密度大、熔敷效率高的焊接工藝勢在必行。根據理論計算，CO2氣體保護焊是焊條電弧焊的4倍工效，國家體育場焊接工作量之大是國內鋼結構工程之首，因此推廣應用CO2氣體保護焊是提高工效的有效途徑。我們在推廣應用實芯焊絲CO2氣體保護焊的基礎上，著重推廣藥芯焊絲CO2氣體保護焊，以此提高焊接工效和焊接質量。在推廣應用的過程中，通過一整套防風、預熱等工藝措施的實施，從而獲得了良好的焊接質量。
    6.1　防風試驗
    在施工現場能否大規模應用GMAW，FCAW-G技術是工程界普遍關注的問題，其核心是防風能力。從理論上分析采用二氧化碳大流量氣體保護可以提高防風能力，本工程我們進行了多次模擬試驗，進行了實際操作的可行性探索和焊接接頭的力學檢測。組合了有風條件下大流量和無風條件下大流量，焊材選擇實芯焊絲和藥芯焊絲兩種，選用了普通槍和防風槍，共計進行了8組焊接工藝評定，通過UT檢測和力學性能檢測合格。防風試驗的進行為指導工程施工，確保焊接質量提供了理論依據和操作指南。
    6.2　現場應用規范
    根據防風試驗我們確定了以下規范在現場應用獲得成功。

    7. 結束語
    一個嶄新理念的工程將給材料工業和施工技術提供一個進步的機會，不可否認：鳥巢工程在一定程度和范圍內檢驗了我國的鋼鐵工業水平和綜合施工能力，特別把焊接技術推進一個新階段，這是可喜可賀的。
    焊接質量是整個工程安全運營的根本保證，來不得絲毫的懈怠和馬虎。鳥巢工程在全面提升施工技術的同時，對質量管理能力也提出了挑戰。建立健全焊接質量管理體系，綜合治理影響焊接質量的各方面因素，在各個環節上切實控制，使質量管理體系保持一定深度的有效運行，是我們工程成功的關鍵。
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