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國(guó)家體育場(chǎng)（鳥巢）鋼結(jié)構(gòu)工程焊接應(yīng)力應(yīng)變控制技術(shù)探討

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    北京城建精工鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司
    劉子祥、李海斌
    一、工程概況
    國(guó)家體育場(chǎng)看臺(tái)的放射狀混凝土框架結(jié)構(gòu)與環(huán)繞它們并形成主屋蓋的空間鋼結(jié)構(gòu)完全分離。空間鋼結(jié)構(gòu)由24榀門式桁架圍繞著體育場(chǎng)內(nèi)部碗狀看臺(tái)區(qū)旋轉(zhuǎn)而成，其中22榀貫通或基本貫通。結(jié)構(gòu)組件相互支撐、形成網(wǎng)格狀構(gòu)架，組成體育場(chǎng)整體的“鳥巢”造型。所有鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件形成結(jié)構(gòu)及建筑外形。

    工程±0.000標(biāo)高相對(duì)于絕對(duì)標(biāo)高為43.500m，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋呈雙曲面馬鞍型，南北向結(jié)構(gòu)高度為40.746m，東西向結(jié)構(gòu)高度為67.122m。屋頂主結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)柱支撐，每根組合鋼結(jié)構(gòu)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(chǔ)。立面次結(jié)構(gòu)截面基本為1200mm×1000mm，頂面次結(jié)構(gòu)截面基本為1000mm×1000mm。
    1.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重量
    主桁架：12720噸　組合柱：12548噸　次結(jié)構(gòu)：11670噸
    樓 梯：4137噸　馬 道：800噸　　合 計(jì)：41875噸
    2.鋼材型號(hào)厚度
    鋼板的最大厚度100mm。當(dāng)鋼板厚度≤34mm時(shí)，采用Q345鋼材；當(dāng)鋼板厚度≥36mm時(shí)，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(shù)為30、25、20mm。
    •桁架上弦桿個(gè)別段為50mm外，其余均在40mm以下，大多數(shù)為30、25、20mm。
    •桁架下弦桿個(gè)別段為50、42mm外，其余絕大多數(shù)為20mm。
    •腹桿為20、14、10mm，多數(shù)為10mm。
    •次結(jié)構(gòu)板厚最大36mm，絕大部分為20mm以下。
    3.鋼材性能

    1.工程規(guī)模大，構(gòu)件噸位重
    •馬鞍形鋼屋蓋長(zhǎng)軸約333m，短軸約280m；內(nèi)環(huán)長(zhǎng)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(jié)點(diǎn)復(fù)雜
    •主結(jié)構(gòu)均為大截面箱型構(gòu)件，節(jié)點(diǎn)在空間匯交多根桿件；次結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)復(fù)雜多變、規(guī)律性少。


    三、施工方案簡(jiǎn)介
    　　根據(jù)調(diào)整后的初步設(shè)計(jì)圖紙等技術(shù)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(chǎng)內(nèi)布置78根支撐體系，主體結(jié)構(gòu)分片或分塊地面拼裝成型后，通過800T及600T吊車吊裝到臨時(shí)支撐頂部，分四大區(qū)八個(gè)階段對(duì)稱完裝及焊接，主結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)及立面次結(jié)構(gòu)完成后對(duì)78根支撐體系進(jìn)行整體、同步卸載，最后安裝平面次結(jié)構(gòu)。


    四、層狀撕裂問題分析

    由于焊接接頭的形成方式對(duì)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(jù)層狀撕裂經(jīng)驗(yàn)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(yīng)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(shí)板厚δ對(duì)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(yù)熱條件的影響，采用預(yù)熱有利。
    根據(jù)所計(jì)算的LTR值知道，板厚大于40mm其層狀撕裂的危險(xiǎn)性很大，但產(chǎn)生層狀撕裂最主要是取決于鋼材的材質(zhì)，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(shí)在應(yīng)力應(yīng)變的控制上采用有力防止層狀撕裂現(xiàn)象的出現(xiàn)。


    五、鋼結(jié)構(gòu)焊接變形及殘余應(yīng)力的分析與對(duì)策
    焊接變形與殘余應(yīng)力是鋼結(jié)構(gòu)工程中必須認(rèn)真對(duì)待的重大課題，必須有嚴(yán)密的工藝規(guī)程及對(duì)策，在工程的進(jìn)行過程中，還必須采用科學(xué)合理的管理，使之形成完整的系統(tǒng)管理工程，確保鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量。
    1.焊接變形與殘余應(yīng)力的基礎(chǔ)分析
    國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)工程現(xiàn)場(chǎng)焊縫主要分為兩大類型：角焊縫及對(duì)接焊縫。一般來說角焊縫的焊接變形不會(huì)太大，其殘余能量主要以焊接殘余應(yīng)力的形式存在于鋼結(jié)構(gòu)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(yīng)力大小的關(guān)鍵是控制焊縫的最小焊腳尺寸。厚板對(duì)接焊縫的殘余能量以焊縫的收縮變形和焊接殘余應(yīng)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(yīng)力必須綜合治理。實(shí)踐證明：焊接應(yīng)力及殘余應(yīng)力同時(shí)存在于同一焊件之中，既相輔相成又可以相互轉(zhuǎn)換，該結(jié)論的理論依據(jù)是能量守恒，見式（1），（2）。
    設(shè)焊縫焊接的總能量E總=1；
    E總= W有+ W無+ε+σ=1 （1）
    當(dāng)焊接結(jié)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(yīng)的有用能量；
    W無-----所有無用能量的總和，包括：傳導(dǎo)；輻射；對(duì)流所損失的能量；
    ε--------焊接變形所需的能量；
    σ--------焊接殘余應(yīng)力所需的能量；
    C -----焊接變形及殘余應(yīng)力所需的能量，是小于1的常數(shù)。
    根據(jù)式（2），焊接變形和焊接殘余應(yīng)力不僅存在于同一焊縫和HAZ，而且可以互相轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的實(shí)體上，焊接殘余應(yīng)力毫無外觀表示存在于構(gòu)件內(nèi)部之中：當(dāng)焊接殘余應(yīng)力σ殘≥σs（母材屈服強(qiáng)度）時(shí);鋼結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)帶來災(zāi)難性的后果。在國(guó)家體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)工程中，希望屋頂鋼結(jié)構(gòu)不要太大的變形而影響鋼結(jié)構(gòu)的安裝精度和美觀，又不希望有較大的焊接應(yīng)力而影響結(jié)構(gòu)的安全；所以控制焊接變形和焊接殘余應(yīng)力是該工程成功的關(guān)鍵。
    在對(duì)接焊縫中：焊接變形為收縮變形，其收縮量的定量計(jì)算可按（3）式進(jìn)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(dāng)焊接變形（收縮量）完全實(shí)現(xiàn)時(shí)，焊接殘余應(yīng)力是一個(gè)非常小的安全值；當(dāng)焊接變形因約束不能實(shí)現(xiàn)時(shí)，對(duì)接焊縫的兩端會(huì)產(chǎn)生極大的拉應(yīng)力場(chǎng)；拉應(yīng)力場(chǎng)的大小完全取決于焊縫橫截面積的大小。因此：根據(jù)式（3）可以作出對(duì)接焊縫控制焊接變形和焊接殘余應(yīng)力相互轉(zhuǎn)化的工藝方法。
    國(guó)家體育場(chǎng)工程對(duì)接焊逢關(guān)鍵控制焊接殘余應(yīng)力。
    根據(jù)式（2）、（3），對(duì)接焊縫的焊接變形及應(yīng)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(yīng)力。
    在對(duì)接鋼構(gòu)件時(shí)（多數(shù)為水平對(duì)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(jià)減少焊接殘余應(yīng)力，見下圖。

    該方法適合任何對(duì)接構(gòu)件，采用該法前都應(yīng)用（3）式進(jìn)行計(jì)算，確定焊接變形的數(shù)值，必須在制作結(jié)構(gòu)中預(yù)留。（如變形小可不考慮預(yù)留）
    B.在固定焊縫的焊接時(shí)，用減少焊縫焊肉的截面積的方法來實(shí)現(xiàn)減少焊接殘余應(yīng)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(yīng)力已不可能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)闃?gòu)件兩端的剛性很大，產(chǎn)生變形必然形成兩端焊縫的強(qiáng)拉應(yīng)力場(chǎng)，對(duì)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(duì)較高的焊接方法（如熔化極氣體保護(hù)焊和藥芯焊絲自保護(hù)焊等），并采用較小的熱輸入（即小線能量E），這樣便可以達(dá)到控制焊接殘余應(yīng)力的目的，見下圖。


    3、焊材匹配與選用
    焊材的選用遵循“等強(qiáng)匹配”原則。
    •母材
    設(shè)計(jì)采用Q345D或Q345GJD結(jié)構(gòu)鋼(局部采用Q460、S460ML鋼)，其厚度方向性能須符合設(shè)計(jì)及GB5313-85中規(guī)定的Z向性能的要求。
    根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，鑄鋼件建議使用GS－20Mn5V（DIN17182）。鑄鋼GS－20Mn5V的化學(xué)成分與Q345D相近，其碳當(dāng)量極限值為0.42，與Q345D鋼材的可焊性較好。
    •焊材
    根據(jù)母材及焊縫性能，鋼結(jié)構(gòu)安裝焊接主要采用半自動(dòng)二氧化碳?xì)怏w保護(hù)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(xié)同安裝，科學(xué)編程，六個(gè)統(tǒng)一，攻克難關(guān)；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(yīng)變適當(dāng)，工程全優(yōu)。
    協(xié)同安裝：同安裝工藝共同決定每一根主結(jié)構(gòu)的安裝順序，確認(rèn)起始點(diǎn)和合攏點(diǎn)，合攏點(diǎn)嚴(yán)禁在構(gòu)件自重應(yīng)力的集中點(diǎn)。
    科學(xué)編程：以JGJ81-2002《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)程》為指導(dǎo)思想，以焊接應(yīng)力變形控制的理論為基礎(chǔ)，編制科學(xué)合理的焊接程序，有效的控制鋼結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力及變形，使焊接殘余應(yīng)力和變形相對(duì)合理的存在結(jié)構(gòu)之中，希望焊接應(yīng)力不至于過大而影響結(jié)構(gòu)安全（應(yīng)盡可能小），又不希望有過大形變而影響美觀，使國(guó)家體育場(chǎng)工程既安全又美觀。
    六個(gè)統(tǒng)一：即執(zhí)行焊接程序的組織保證：（1）施工各單位必須統(tǒng)一嚴(yán)格執(zhí)行焊接程序；（2）統(tǒng)一焊接程序、焊接方案交底；（3）統(tǒng)一焊接技術(shù)（焊接方法）；（4）統(tǒng)一工藝評(píng)定；（5）統(tǒng)一焊工培訓(xùn)；（6）統(tǒng)一質(zhì)量檢測(cè)。
    攻克難關(guān)：重點(diǎn)抓好三個(gè)工藝評(píng)定：（1）Q460鋼的焊接工藝評(píng)定;(2)厚板焊接工藝評(píng)定（分層）；（3）抓好鑄鋼同鋼、異種鋼的焊接工藝評(píng)定。尚應(yīng)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(lián)合保護(hù)焊和減少應(yīng)力的焊接工藝。

    以上是我們的初步設(shè)想，任何技術(shù)的實(shí)施效果都要通過實(shí)踐來進(jìn)行驗(yàn)證。我們將在鳥巢工程的實(shí)踐中以應(yīng)用技術(shù)理論為基礎(chǔ)，以全面質(zhì)量管理為方法，全面、全員、全過程對(duì)焊接工程進(jìn)行科學(xué)管理，以確保國(guó)家體育場(chǎng)（鳥巢）工程的順利建成。
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