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國家體育場（鳥巢）鋼結構工程焊接應力應變控制技術探討

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    北京城建精工鋼結構工程有限公司
    劉子祥、李海斌
    一、工程概況
    國家體育場看臺的放射狀混凝土框架結構與環繞它們并形成主屋蓋的空間鋼結構完全分離。空間鋼結構由24榀門式桁架圍繞著體育場內部碗狀看臺區旋轉而成，其中22榀貫通或基本貫通。結構組件相互支撐、形成網格狀構架，組成體育場整體的“鳥巢”造型。所有鋼結構構件形成結構及建筑外形。

    工程±0.000標高相對于絕對標高為43.500m，鋼結構屋蓋呈雙曲面馬鞍型，南北向結構高度為40.746m，東西向結構高度為67.122m。屋頂主結構均為箱型截面，上弦桿截面基本為1000mm×1000mm，下弦桿截面基本為800mm×800mm，腹桿截面基本為600mm×600mm，腹桿與上下弦桿相貫，屋頂矢高12.000m。豎向由24根組合鋼結構柱支撐，每根組合鋼結構柱由兩根1200mm×1200mm箱型鋼柱和一根菱形鋼柱組成，荷載通過它傳遞至基礎。立面次結構截面基本為1200mm×1000mm，頂面次結構截面基本為1000mm×1000mm。
    1.鋼結構設計重量
    主桁架：12720噸　組合柱：12548噸　次結構：11670噸
    樓 梯：4137噸　馬 道：800噸　　合 計：41875噸
    2.鋼材型號厚度
    鋼板的最大厚度100mm。當鋼板厚度≤34mm時，采用Q345鋼材；當鋼板厚度≥36mm時，采用Q345GJ鋼材；少量厚鋼板采用Q460、S460ML鋼材。局部采用鑄鋼件。
    厚度分布：
    •組合鋼柱除少量棱形柱底部和頂部為90~100mm，其余為50~80mm，另外兩根方形斜柱板厚絕大多數為30、25、20mm。
    •桁架上弦桿個別段為50mm外，其余均在40mm以下，大多數為30、25、20mm。
    •桁架下弦桿個別段為50、42mm外，其余絕大多數為20mm。
    •腹桿為20、14、10mm，多數為10mm。
    •次結構板厚最大36mm，絕大部分為20mm以下。
    3.鋼材性能

    1.工程規模大，構件噸位重
    •馬鞍形鋼屋蓋長軸約333m，短軸約280m；內環長軸約182m，短軸約124m；矢高12m。
    •組合鋼柱最大重量約重520t，每延米最重約10t；主桁架每延米最重約3t。
    2.節點復雜
    •主結構均為大截面箱型構件，節點在空間匯交多根桿件；次結構節點復雜多變、規律性少。


    三、施工方案簡介
    　　根據調整后的初步設計圖紙等技術條件 ,確定的最終安裝方案為地面拼裝高空散裝的施工方法 ，即在場內布置78根支撐體系，主體結構分片或分塊地面拼裝成型后，通過800T及600T吊車吊裝到臨時支撐頂部，分四大區八個階段對稱完裝及焊接，主結構結構及立面次結構完成后對78根支撐體系進行整體、同步卸載，最后安裝平面次結構。


    四、層狀撕裂問題分析

    由于焊接接頭的形成方式對鋼板板厚方向的拘束比較大，因此，從接頭方式角度來講存在一定的傾向性，根據層狀撕裂經驗公式：
    LTR=INF（A）+ INF（B）+ INF（C）+ INF（D）+ INF（E）；
    INF（A）為焊腳尺寸S的影響，S值越大，LTR越大。所以不應采用過大的焊腳尺寸。
    INF（B）為接頭形成方式的影響。
    INF（C）為承受橫向拘束時板厚δ對LTR的影響，δ越大，LTR越大。
    INF（D）為拘束度的影響，拘束度Rf越大，層狀撕裂傾向越大。
    INF（E）為預熱條件的影響，采用預熱有利。
    根據所計算的LTR值知道，板厚大于40mm其層狀撕裂的危險性很大，但產生層狀撕裂最主要是取決于鋼材的材質，因此本工程所選用的鋼板其性能一定要滿足Z15～Z35的要求，同時在應力應變的控制上采用有力防止層狀撕裂現象的出現。


    五、鋼結構焊接變形及殘余應力的分析與對策
    焊接變形與殘余應力是鋼結構工程中必須認真對待的重大課題，必須有嚴密的工藝規程及對策，在工程的進行過程中，還必須采用科學合理的管理，使之形成完整的系統管理工程，確保鋼結構工程質量。
    1.焊接變形與殘余應力的基礎分析
    國家體育場鋼結構工程現場焊縫主要分為兩大類型：角焊縫及對接焊縫。一般來說角焊縫的焊接變形不會太大，其殘余能量主要以焊接殘余應力的形式存在于鋼結構的焊縫和HAZ之中；角焊縫不是主要受力焊縫，控制焊接殘余應力大小的關鍵是控制焊縫的最小焊腳尺寸。厚板對接焊縫的殘余能量以焊縫的收縮變形和焊接殘余應力的形式存在于焊縫和HAZ之中；因此控制焊接變形及焊接殘余應力必須綜合治理。實踐證明：焊接應力及殘余應力同時存在于同一焊件之中，既相輔相成又可以相互轉換，該結論的理論依據是能量守恒，見式（1），（2）。
    設焊縫焊接的總能量E總=1；
    E總= W有+ W無+ε+σ=1 （1）
    當焊接結束后：
    ε+σ= E總 -W有-W無= C＜1
    ε+σ= C＜1 （2）
    式中： W有-----參加冶金反應的有用能量；
    W無-----所有無用能量的總和，包括：傳導；輻射；對流所損失的能量；
    ε--------焊接變形所需的能量；
    σ--------焊接殘余應力所需的能量；
    C -----焊接變形及殘余應力所需的能量，是小于1的常數。
    根據式（2），焊接變形和焊接殘余應力不僅存在于同一焊縫和HAZ，而且可以互相轉化，在無外加能量的前提下，減少一方必須增大另一方。焊接變形以尺寸的誤差明顯表示在鋼結構的實體上，焊接殘余應力毫無外觀表示存在于構件內部之中：當焊接殘余應力σ殘≥σs（母材屈服強度）時;鋼結構就會出現失穩狀態，嚴重時，會帶來災難性的后果。在國家體育場鋼結構工程中，希望屋頂鋼結構不要太大的變形而影響鋼結構的安裝精度和美觀，又不希望有較大的焊接應力而影響結構的安全；所以控制焊接變形和焊接殘余應力是該工程成功的關鍵。
    在對接焊縫中：焊接變形為收縮變形，其收縮量的定量計算可按（3）式進行。
    Fε=0.2 Fn /δ (3)
    式中：Fε?焊接變形的收縮量；
    Fn ?焊縫的橫截面積；
    δ? 母材的板厚；
    該式的具體意義是，當焊接變形（收縮量）完全實現時，焊接殘余應力是一個非常小的安全值；當焊接變形因約束不能實現時，對接焊縫的兩端會產生極大的拉應力場；拉應力場的大小完全取決于焊縫橫截面積的大小。因此：根據式（3）可以作出對接焊縫控制焊接變形和焊接殘余應力相互轉化的工藝方法。
    國家體育場工程對接焊逢關鍵控制焊接殘余應力。
    根據式（2）、（3），對接焊縫的焊接變形及應力控制主要有以下兩種方法：
    A.用自由端自由收縮的方法來減少焊接殘余應力。
    在對接鋼構件時（多數為水平對接），在焊縫的另一端不加任何約束；以焊接變形（收縮變形）為代價減少焊接殘余應力，見下圖。

    該方法適合任何對接構件，采用該法前都應用（3）式進行計算，確定焊接變形的數值，必須在制作結構中預留。（如變形小可不考慮預留）
    B.在固定焊縫的焊接時，用減少焊縫焊肉的截面積的方法來實現減少焊接殘余應力的目的。
    在固定焊縫的焊接中，用焊接變形（自由收縮）的焊接方法來減少焊接殘余應力已不可能實現，因為構件兩端的剛性很大，產生變形必然形成兩端焊縫的強拉應力場，對焊縫的安全不利，唯一的方法減少固定焊縫的焊肉截面積和采用能量密度相對較高的焊接方法（如熔化極氣體保護焊和藥芯焊絲自保護焊等），并采用較小的熱輸入（即小線能量E），這樣便可以達到控制焊接殘余應力的目的，見下圖。


    3、焊材匹配與選用
    焊材的選用遵循“等強匹配”原則。
    •母材
    設計采用Q345D或Q345GJD結構鋼(局部采用Q460、S460ML鋼)，其厚度方向性能須符合設計及GB5313-85中規定的Z向性能的要求。
    根據以往工程經驗，鑄鋼件建議使用GS－20Mn5V（DIN17182）。鑄鋼GS－20Mn5V的化學成分與Q345D相近，其碳當量極限值為0.42，與Q345D鋼材的可焊性較好。
    •焊材
    根據母材及焊縫性能，鋼結構安裝焊接主要采用半自動二氧化碳氣體保護焊（GMAW），焊接位置困難之處如仰焊采用手工電弧焊（SMAW）。
    4、焊接工程的總體思路
    協同安裝，科學編程，六個統一，攻克難關；先主后次，先大后小，高能密度，較小輸入，分段跳焊，錘擊焊縫，應變適當，工程全優。
    協同安裝：同安裝工藝共同決定每一根主結構的安裝順序，確認起始點和合攏點，合攏點嚴禁在構件自重應力的集中點。
    科學編程：以JGJ81-2002《鋼結構焊接規程》為指導思想，以焊接應力變形控制的理論為基礎，編制科學合理的焊接程序，有效的控制鋼結構整體的應力及變形，使焊接殘余應力和變形相對合理的存在結構之中，希望焊接應力不至于過大而影響結構安全（應盡可能小），又不希望有過大形變而影響美觀，使國家體育場工程既安全又美觀。
    六個統一：即執行焊接程序的組織保證：（1）施工各單位必須統一嚴格執行焊接程序；（2）統一焊接程序、焊接方案交底；（3）統一焊接技術（焊接方法）；（4）統一工藝評定；（5）統一焊工培訓；（6）統一質量檢測。
    攻克難關：重點抓好三個工藝評定：（1）Q460鋼的焊接工藝評定;(2)厚板焊接工藝評定（分層）；（3）抓好鑄鋼同鋼、異種鋼的焊接工藝評定。尚應注意重要的焊縫先焊，次要的后焊，收縮量大的先焊，收縮量小的后焊，盡量采用如渣氣聯合保護焊和減少應力的焊接工藝。

    以上是我們的初步設想，任何技術的實施效果都要通過實踐來進行驗證。我們將在鳥巢工程的實踐中以應用技術理論為基礎，以全面質量管理為方法，全面、全員、全過程對焊接工程進行科學管理，以確保國家體育場（鳥巢）工程的順利建成。
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