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國家體育場（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
    國家體育場看臺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?？臻g鋼結(jié)構(gòu)由24榀門式桁架圍繞著體育場內(nèi)部碗狀看臺區(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標高相對于絕對標高為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：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(shù)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(shù)為30、25、20mm。
    •桁架下弦桿個別段為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
    •馬鞍形鋼屋蓋長軸約333m，短軸約280m；內(nèi)環(huán)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(jié)點復(fù)雜
    •主結(jié)構(gòu)均為大截面箱型構(gòu)件，節(jié)點在空間匯交多根桿件；次結(jié)構(gòu)節(jié)點復(fù)雜多變、規(guī)律性少。


    三、施工方案簡介
    　　根據(jù)調(diào)整后的初步設(shè)計圖紙等技術(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吊車吊裝到臨時支撐頂部，分四大區(qū)八個階段對稱完裝及焊接，主結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)及立面次結(jié)構(gòu)完成后對78根支撐體系進行整體、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(yù)熱條件的影響，采用預(yù)熱有利。
    根據(jù)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(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)力的分析與對策
    焊接變形與殘余應(yīng)力是鋼結(jié)構(gòu)工程中必須認真對待的重大課題，必須有嚴密的工藝規(guī)程及對策，在工程的進行過程中，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
    國家體育場鋼結(jié)構(gòu)工程現(xiàn)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(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。實踐證明：焊接應(yīng)力及殘余應(yīng)力同時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：當焊接殘余應(yīng)力σ殘≥σs（母材屈服強度）時;鋼結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)，嚴重時，會帶來災(zāi)難性的后果。在國家體育場鋼結(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(xiàn)時，焊接殘余應(yīng)力是一個非常小的安全值；當焊接變形因約束不能實現(xiàn)時，對接焊縫的兩端會產(chǎn)生極大的拉應(yīng)力場；拉應(yīng)力場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。
    國家體育場工程對接焊逢關(guān)鍵控制焊接殘余應(yīng)力。
    根據(jù)式（2）、（3），對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。
    在對接鋼構(gòu)件時（多數(shù)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(yīng)力，見下圖。

    該方法適合任何對接構(gòu)件，采用該法前都應(yīng)用（3）式進行計算，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，用減少焊縫焊肉的截面積的方法來實現(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)力已不可能實現(xiàn)，因為構(gòu)件兩端的剛性很大，產(chǎn)生變形必然形成兩端焊縫的強拉應(yīng)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(yīng)力的目的，見下圖。


    3、焊材匹配與選用
    焊材的選用遵循“等強匹配”原則。
    •母材
    設(shè)計采用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，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(xié)同安裝，科學(xué)編程，六個統(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，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，確認起始點和合攏點，合攏點嚴禁在構(gòu)件自重應(yīng)力的集中點。
    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?。?，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(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)一工藝評定；（5）統(tǒng)一焊工培訓(xùn)；（6）統(tǒng)一質(zhì)量檢測。
    攻克難關(guān)：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(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(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、全過程對焊接工程進行科學(xué)管理，以確保國家體育場（鳥巢）工程的順利建成。
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