国家体育场（鸟巢）钢结构安装工程焊接技术.pdf

耘造藻糟贼则蚤糟 宰藻造凿蚤灶早 酝葬糟澡蚤灶藻 摘要国家体育场穴鸟巢雪钢结构安装工程焊接技术有 匝源远园原在猿缘 焊接性试验研究新技术； 大规模采用 电加热预穴后雪热技术； 厚板采用 杂酝粤宰原郧酝粤宰原云悦粤宰原郧 复合新工艺技术； 大面积采用仰焊技术； 郧酝粤宰、 云悦粤宰原郧 大流量防风技术； 钢结构低温焊接技术； 铸钢及其异种钢焊接技术； 防止冷、 热裂纹 技术等 员源 项。 在此主要介绍了钢结构埋设件压力埋弧焊新工艺的开发与应用； 柱脚拼装焊接技术理论 依据阐述分析； 控制应力应变具体实施； 低温焊接技术； “鸟巢” 钢结构焊接工程仰焊技术； 厚焊接将 成为建筑钢结构的主要焊接技术； 异种钢焊接技术； “鸟巢” 钢结构焊接工程合拢技术。 这些技术在国家 体育场穴鸟巢雪工程焊接中的运用， 为建筑钢结构焊接工程施工提供了有益的参考。 关键词“鸟巢” 焊接工程； 建筑钢结构； 低温焊接； 焊接技术 中图分类号栽郧源缘苑文献标识码月文章编号员园园员原圆猿园猿穴圆园园愿雪园源原园园缘员原圆远 第猿愿卷第 源 期 圆园园愿年 源 月 灾燥造援猿愿 晕燥援源 粤责则援圆园园愿耘造藻糟贼则蚤糟 宰藻造凿蚤灶早 酝葬糟澡蚤灶藻 戴为志 员， 黄明鑫圆， 芦广平猿， 源， 高 良 员， 贾宝华员， 张 伟 员 穴员援长江精工钢结构穴集团雪股份有限公司 焊接研究所， 浙江 绍兴 猿员圆园猿园； 圆援长江精工钢 结构穴集团雪股份有限公司， 浙江 绍兴 猿员圆园猿园； 猿援西安交通大学 材料科学与工程学院， 陕 西 西安 苑员园园源怨； 源援北京城建精工钢结构工程公司， 北京 员园园园员圆雪 收稿日期院圆园园愿原园员原圆苑 作者简介院戴为志穴员怨源苑雪， 男， 重庆人， 教授级高工， 享受国 务院政府特殊津贴， 国家体育场穴鸟巢雪城建国华 钢结构分部副总工程师辕专家顾问、 中国工程建设 焊接协会常务理事、 中国钢结构协会理事、 中国钢 结构协会焊接分会副理事长、 长江精工钢结构穴集 团雪股份有限公司顾问总工辕焊接研究所所长， 撰写 远园 余编技术论文， 获国内外多项科技发明奖。 园前言 国家体育场穴鸟巢雪钢结构安装工程焊接技术共 员源 项， 从柱脚锚梁板埋设件焊接开始到主、 次桁架 合拢。 具体项目为 穴员雪匝源远园原在猿缘 焊接性试验研究新技术； 穴圆雪大规模 采用电加热预穴后雪热技术； 穴猿雪厚板采用杂酝粤宰原郧酝粤宰原 云悦粤宰原郧 复合新工艺技术； 穴源雪大面积采用仰焊技术； 穴缘雪郧酝粤宰、 云悦粤宰原郧 大流量防风技术； 穴远雪钢结构低 温焊接技术； 穴苑雪铸钢及其异种钢焊接技术； 穴愿雪防止 冷、 热裂纹技术； 穴怨雪层状撕裂防止和处理技术； 穴员园雪特 宰藻造凿蚤灶早 贼藻糟澡灶蚤择怎藻 燥枣 贼澡藻 晕葬贼蚤燥灶葬造 泽贼葬凿蚤怎皂穴月蚤则凿蒺泽 灶藻泽贼雪泽贼藻藻造 泽贼则怎糟贼怎则藻 遭怎蚤造凿 责则燥躁藻糟贼 阅粤陨 宰藻蚤鄄扎澡蚤员， 匀粤晕郧 酝蚤灶鄄曾蚤灶圆， 蕴哉 郧怎葬灶早鄄责蚤灶早猿， 郧粤韵 蕴蚤葬灶早员， 允陨粤 月葬燥鄄澡怎葬圆， 在匀粤晕郧 宰藻蚤员 穴员援宰藻造凿蚤灶早 陨灶泽贼蚤贼怎贼藻袁悦澡葬灶早躁蚤葬灶早 允蚤灶早早燥灶早 杂贼藻藻造 杂贼则怎糟贼怎则藻穴郧则燥怎责雪 悦燥援袁蕴贼凿援袁杂澡葬燥曾蚤灶早 猿员圆园猿园袁悦澡蚤灶葬曰圆援悦澡葬灶早躁蚤葬灶早 允蚤灶早早燥灶早 杂贼藻藻造 杂贼则怎糟贼怎则藻 穴郧则燥怎责雪悦燥援袁蕴贼凿援袁杂澡葬燥曾蚤灶早 猿员圆园猿园袁悦澡蚤灶葬曰猿援载蚤蒺葬灶 允蚤葬燥贼燥灶早 哉灶蚤增藻则泽蚤贼赠袁杂糟澡燥燥造 燥枣 酝葬贼藻则蚤葬造 杂糟蚤藻灶糟藻 驭 耘灶早蚤灶藻藻则蚤灶早袁载蚤蒺葬灶 苑员园园源怨袁悦澡蚤灶葬曰源援月藻蚤躁蚤灶早 悦蚤贼赠 悦燥灶泽贼则怎糟贼蚤燥灶 允蚤灶早早燥灶早 杂贼藻藻造 杂贼则怎糟贼怎则藻 耘灶早蚤灶藻藻则蚤灶早 悦燥皂责葬灶赠袁月藻蚤躁蚤灶早 员园园园员圆袁悦澡蚤灶葬雪 粤遭泽贼则葬糟贼院栽澡藻 憎藻造凿蚤灶早 贼藻糟澡灶蚤择怎藻泽 燥枣 贼澡藻 晕葬贼蚤燥灶葬造 泽贼葬凿蚤怎皂 穴月蚤则凿蒺泽 灶藻泽贼雪泽贼藻藻造 泽贼则怎糟贼怎则藻 遭怎蚤造凿蚤灶早 责则燥躁藻糟贼 葬凿燥责贼藻凿 员源 贼藻糟澡灶燥造燥早蚤藻泽， 蚤灶糟造怎凿蚤灶早 贼澡藻 灶藻憎 贼藻糟澡灶蚤糟葬造 则藻泽藻葬则糟澡 枣燥则 憎藻造凿蚤灶早 贼藻泽贼， 藻造藻糟贼则蚤糟葬造 澡藻葬贼蚤灶早 责则藻澡藻葬贼蚤灶早 穴葬枣贼藻则 澡藻葬贼蚤灶早雪贼藻糟澡灶蚤择怎藻， 灶藻憎 皂怎造贼蚤责造蚤糟蚤贼赠 贼藻糟澡灶蚤择怎藻 燥枣 杂酝粤宰原郧酝粤宰原云悦粤宰原郧 枣燥则 贼澡藻 贼澡蚤糟噪 责造葬贼藻， 蚤灶增藻灶贼藻凿 憎藻造凿蚤灶早， 责则藻增藻灶贼蚤燥灶 燥枣 糟燥造凿 燥则 澡燥贼 糟则葬糟噪， 葬灶凿 泽燥 燥灶援栽澡藻 皂葬蚤灶 凿藻泽糟则蚤责贼蚤燥灶泽 憎藻则藻 贼澡藻 凿藻增藻造燥责皂藻灶贼 葬灶凿 葬责责造蚤糟葬贼蚤燥灶 燥枣 灶藻憎 贼藻糟澡灶燥造燥早蚤藻泽， 泽怎糟澡 葬泽 泽怎遭皂藻则早藻凿 葬则糟 憎藻造凿蚤灶早 枣燥则 遭怎蚤造凿鄄蚤灶鄄枣蚤贼贼蚤灶早 泽贼藻藻造 泽贼则怎糟贼怎则藻； 蚤灶增藻灶贼藻凿 憎藻造凿蚤灶早 贼藻糟澡灶燥造燥早赠； 贼澡藻 贼澡蚤糟噪 责造葬贼藻 憎藻造凿蚤灶早 贼藻糟澡灶蚤择怎藻； 贼澡藻 澡藻贼藻则燥早藻灶藻蚤贼赠 泽贼藻藻造 憎藻造凿蚤灶早； 贼澡藻 躁燥蚤灶贼蚤灶早 贼藻糟澡灶燥造燥早赠 燥枣 泽贼藻藻造 泽贼则怎糟贼怎则藻 憎藻造凿蚤灶早 藻灶早蚤灶藻藻则蚤灶早， 藻贼糟援栽澡藻泽藻 贼藻糟澡灶燥造燥早蚤藻泽 憎藻则藻 怎泽藻凿 蚤灶 贼澡藻 憎藻造凿蚤灶早 藻灶早蚤灶藻藻则蚤灶早 燥枣 贼澡藻 晕葬贼蚤燥灶葬造 泽贼葬凿蚤怎皂穴月蚤则凿蒺泽 灶藻泽贼雪， 泽怎责责造蚤藻凿 怎泽藻枣怎造 则藻枣藻则藻灶糟藻 枣燥则 葬则糟澡蚤贼藻糟贼怎则藻 泽贼藻藻造 泽贼则怎糟贼怎则藻 责则燥躁藻糟贼援 运藻赠 憎燥则凿泽院月蚤则凿蒺泽 灶藻泽贼 憎藻造凿蚤灶早 责则燥躁藻糟贼曰葬则糟澡蚤贼藻糟贼怎则藻 泽贼藻藻造 泽贼则怎糟贼怎则藻曰造燥憎 贼藻皂责藻则葬贼怎则藻 憎藻造凿蚤灶早曰憎藻造凿蚤灶早 贼藻糟澡灶蚤择怎藻 专 题 讨 论 ︱ ︱ 奥 运 场 馆 焊 接 暨 国 家 体 育 场 穴 鸟 巢 雪 焊 接 技 术 51窑窑 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 筻{ 耘造藻糟贼则蚤糟 宰藻造凿蚤灶早 酝葬糟澡蚤灶藻 殊焊缝处理技术； 穴员员雪焊接机器人穴云悦粤宰原杂杂雪焊接 技术的应用； 穴员圆雪钢筋 栽 型焊接接头压力埋弧焊新工 艺； 穴员猿雪复杂钢结构应力应变控制技术； 穴员源雪特殊钢 结构合拢技术。 “鸟巢” 钢结构焊接工程所用的 员源 项焊接技 术十分典型， 基本代表了建筑钢结构焊接技术的发 展方向， 以此为线索， 来阐述建筑钢结构焊接技术 的发展， 找出其方向性和规律性， 供工作中参考。 柱 脚拼装、 安装如图 员 所示， 立柱上柱拼装如图 圆 所 示， 立柱下柱拼装如图 猿 所示。 员国家体育场钢结构埋设件压力埋 弧焊新工艺的开发与应用 在埋设件钢筋 栽 型接头的焊接方法中， 通常采 用压力埋弧焊技术， 但当时在国家体育场穴鸟巢雪工 地上没有专用的压力埋弧焊机， 用螺柱焊机取代压 力埋弧焊接设备， 是我们的基本思路。实践中对螺 柱焊机进行了改造， 同时研究和开发了焊接工艺， 并 成功地将此项技术应用于国家体育场的结构埋设 件制作上， 保证了焊接质量和工期。 员援员钢结构埋设件 钢结构埋设件如图 源 所示。 员援圆钢板和钢筋材料 钢板材料全部为 匝猿源缘月， 钢筋为 匀砸月源园园 级。 钢 板 匝猿源缘月 钢板化学成分和机械性能如表 员、 表 圆 所 示， 钢筋 匀砸月源园园 化学成分和主要机械性能如表 猿、 表 源 所示。 员援猿焊机改造 由于普通钢筋没有铝制引弧结加之瓷套保护 套只适用于较小直径穴小于等于 员圆 皂皂雪栓钉， 所以 图 猿立柱下柱拼装 图 员柱脚拼装、 安装 图 圆立柱上柱拼装 图 源钢结构埋设件示意 憎穴悦雪 憎穴酝灶雪 园援圆园园 员援园园园 耀 员援远园园 憎穴杂蚤雪 臆 园援缘缘园 憎穴孕雪 臆 园援园源园 憎穴杂雪 臆 园援园源园 憎穴粤造雪 憎穴灾雪 园援园圆园 耀 园援员缘园 憎穴晕遭雪 园援园员缘 耀 园援园远园 憎穴栽蚤雪 园援园圆园 耀 园援圆园园 表 员匝猿源缘月 钢板化学成分豫 专题讨论第 猿愿 卷 专 题 讨 论 ︱ ︱ 奥 运 场 馆 焊 接 暨 国 家 体 育 场 穴 鸟 巢 雪 焊 接 技 术 52窑窑 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 筻{ 耘造藻糟贼则蚤糟 宰藻造凿蚤灶早 酝葬糟澡蚤灶藻 屈服强度 泽辕酝孕葬 猿园缘 表 圆匝猿源缘月 钢板主要机械性能 抗拉强度 遭辕酝孕葬 源苑园耀远圆园 延伸率 缘辕豫 逸员怨 冲击冲 粤运灾辕允穴常温雪 逸圆苑 憎穴悦雪憎穴酝灶雪 臆园援圆缘园臆员援远园园 憎穴杂蚤雪 臆园援愿园园 憎穴孕雪 臆园援园源缘 憎穴杂雪 臆园援园源缘 碳当量 悦藻择越园援缘源 表 猿匀砸月源园园 钢筋化学成分豫 屈服强度 泽辕酝孕葬 源园园 表 源匀砸月源园园 钢筋主要机械性能 抗拉强度 遭辕酝孕葬 逸缘苑园 延伸率 缘辕豫 逸员源 不能直接用于钢筋的焊接， 同时也不满足设计要求。 为此进行以下改造， 如图 缘 所示。 图 缘焊机改造示意 螺柱焊与压力埋弧焊的比较如表 缘 所示。 员援源焊接工艺参数的选择 员援源援员焊接材料的选用 由于 匝猿源缘月 钢板与 匀砸月源园园 钢筋对焊， 要求焊 缝的抗裂性能良好， 同时考虑到焊接接头应与母材 等强的原则， 选用碱性焊剂 悦匀云员园员。 悦匀云员园员 是氟碱型烧结焊剂， 碱度约 员援愿， 呈球 形颗粒， 粒度 员园耀远园 目， 具有优良的焊接工艺性能， 电弧燃烧稳定， 焊缝成形美观， 脱渣容易， 焊缝具有 较高的低温冲击韧性， 可交、 直流两用。 员援源援圆焊接方法 主要焊接工艺参数为 电流、 通电时间、 钢筋伸 出长度和提升高度。 根据钢筋的直径不同以及被焊 钢材表面状况选定不同的工艺参数。 焊机进线铜芯 不得小于圆缘皂皂圆， 长度小于员园园皂。 当长度大于 员园园 皂 时， 进线应选用 猿缘 皂皂圆。 渍 圆园 的钢筋选用的焊接工 艺参数如表 远 所示。 钢筋焊接前后伸缩如表 苑 所示。 焊接过程结束， 维持 源 泽 以上时间等待焊缝成形 后方可打开焊剂盒， 将 栽 型螺纹钉的锚板移出焊枪 夹持部位后方可打开焊剂盒， 移开焊枪， 回收焊剂 穴清理焊渣雪待下次重复使用。 整个焊接过程约 圆 皂蚤灶。 钢筋提升、 下压高度与时间相对关系如图 远 所示。 图 远钢筋提升、 下压高度与时间相对关系 员援源援猿拉伸试验 拉伸试验如图苑所示， 实验结果见表愿。 项目 母材钢板 焊接厚度 表 缘螺柱焊与压力埋弧焊比较 螺柱焊 严禁母材厚度薄于螺 柱直径的 员辕猿 压力埋弧焊 严禁母材厚度薄于钢筋 直径的 员辕猿 应用直径臆员圆 皂皂臆圆圆 皂皂 应用范围只用于螺柱的焊接应用钢筋与钢板栽型焊接 引弧点 螺栓下部的铝制引弧 结 不需引弧结， 但钢筋端部 须打磨平整并倒角 保护套瓷套保护自制铁皮套保护 焊剂 直径大于等于 愿 皂皂 螺栓用脱氧和稳弧焊 剂； 直径小于 愿皂皂 的 不做要求 必须使用脱氧和稳弧焊 剂 电流 陨辕粤 员 愿园园 表 远 渍 圆园 钢筋焊接工艺参数 时间当量 辕格 圆 伸出长度 造辕皂皂 怨耀员园 钢筋 垂直度辕穴毅雪 臆员 提升高度 澡辕皂皂 猿援园耀猿援缘 焊前 造择辕皂皂 表 苑钢筋焊接前后伸缩量 焊后 造澡辕皂皂缩短驻 造辕皂皂 猿苑园援圆 猿苑员援员 猿远怨援愿 猿苑园援缘 猿苑圆援员 猿远怨援圆 猿苑员援猿 猿愿园援园 猿愿园援园 猿愿园援园 猿愿园援园 猿愿园援园 猿愿园援园 猿愿园援园 怨援愿 愿援怨 员园援圆 怨援缘 苑援怨 员园援愿 愿援苑 注 平均缩短量约 怨援源 皂皂遥 图 苑拉伸试验 专题讨论 戴为志等 国家体育场穴鸟巢雪钢结构安装工程焊接技术第 源 期 专 题 讨 论 ︱ ︱ 奥 运 场 馆 焊 接 暨 国 家 体 育 场 穴 鸟 巢 雪 焊 接 技 术 53窑窑 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 筻{ 耘造藻糟贼则蚤糟 宰藻造凿蚤灶早 酝葬糟澡蚤灶藻 由表 愿 可知试验符合设计规范要求， 达到与母 材等强。 员援源援源焊缝宏观与微观金相组织 为了近一步证实试验的可靠性， 进行了宏观和 微观分析。 试验项目见表 怨。 穴员雪宏观金相。 采取与焊接方向垂直的截面为试验面， 将该试 验面冷加工磨削后， 再手工精磨抛光， 用硝酸溶液 腐蚀， 经过观察发现焊缝与钢板之间无缺陷。 柱脚埋设 件宏观金相照片如图 愿 所示。 图 愿宏观金相试验 穴圆雪微观金相组织。 焊缝区大多为粒状贝氏体和针状铁素体交叉 混合分布， 还有部分方向性分布的粒状贝氏体和少 量侧板条贝氏体， 所有的粒状贝氏体中的岛状相和 侧板条贝氏体多数已分解， 如图 怨 所示。 葬援 钢筋侧热影响区。 淤粗晶区。 晶内多数为粒状贝氏体和针状铁素 体交叉混合分布， 还有一些自晶界向晶内生长分布 的粒状贝氏体和侧板条贝氏体。 粒状贝氏体中的岛 状相和侧板条贝氏体大多都已分解， 如图 员园 所示。 图 员园微观金相 圆 于细晶区。 组织没有根本变化， 只是晶粒明显小 于粗晶区。 盂不完全重结晶区。 铁素体、 珠光体及少量保留 有方向性粒状贝体和侧板条贝氏体的形貌组织， 粒状 贝氏体和侧板条贝氏体形貌的组织基本全部分解。 遭援 钢板侧热影响区。 淤粗晶区。 晶内多数为方向性分布的粒状贝氏 体和侧板条贝氏体， 还有一些粒状贝氏体、 针状铁 素体交叉混合分布的组织； 粒状贝氏体中的岛状相 部分已分解， 如图 员员 所示。 于细晶区。 晶粒明显细化， 组织为铁素体、 珠光 体和仍保持方向分布的粒状贝氏体， 粒状贝氏体中 岛状相已全部分解。 盂不完全重结晶区。 多数为铁素体和珠光体组 织呈带状分布， 还残留有方向性粒状贝氏体形貌的 组织， 其中岛状相全部分解。 试件 编号 员 圆 猿 表 愿拉伸实验结果 极限强度 辕酝孕葬 远园园 缘苑缘 远员缘 横截面积 杂辕皂皂圆 猿员源援圆 猿员源援圆 猿员源援圆 断裂特征及位置 焊缝脆断 焊缝脆断 母材， 拉断 规格 辕皂皂 圆园 圆园 圆园 工程名称 国家体育场 表 怨实验项目 试件名称 柱脚埋设件 试样材质 渍 圆园 钢筋匀砸月源园园、 钢板匝猿源缘月 检验项目 宏观金相、 微观金相 检验标准 郧月圆圆远原员怨怨员， 郧月辕栽员猿圆怨愿原员怨怨员 环境条件 圆苑益耀圆怨益 图 怨微观金相 员 专题讨论第 猿愿 卷 专 题 讨 论 ︱ ︱ 奥 运 场 馆 焊 接 暨 国 家 体 育 场 穴 鸟 巢 雪 焊 接 技 术 54窑窑 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 筻{ 耘造藻糟贼则蚤糟 宰藻造凿蚤灶早 酝葬糟澡蚤灶藻 员援缘工程应用 根据试验结果， 对焊接工艺进行了总结， 如表 员园 所示。 国家体育场有 缘园园 多个埋设件、 员 万多接头， 全 部按此焊接工艺进行焊接， 施工过程中对 栽 型接头 抽检 源园 多件， 全部试验合格。 目前国家体育场钢结 构柱每根柱质量 苑园园 多 贼， 没有发生因埋设件焊接 质量而引起柱子安装变形。 圆柱脚拼装焊接技术理论依据分析 在国家体育场穴鸟巢雪钢结构安装焊接的全过程 中， 最复杂的阶段是柱脚的拼装焊接。 由于运输条件 的限制， 到场柱脚钢构件十分零散， 为了避免现场 拼装过程中 匝源远园耘原在猿缘 的对接， 改变了原有的分段 方案， 又加大了柱脚构件拼装的难度。“鸟巢” 员圆 号柱 脚到货状态如图 员圆 所示。 图 员员微观金相 猿 电流 陨辕粤 员愿园园耀圆 园园园 表 员园焊接工艺参数 伸出长 度 造辕皂皂 怨耀员园 钢筋垂 直度辕穴毅雪 员耀缘 提升高 度 澡辕皂皂 猿援园耀猿援缘 钢筋规格 辕皂皂 愿耀圆圆 电压 哉辕灾 源园耀缘园 时间 当量辕格 圆 柱脚是封闭结构， 根据设计要求大部分焊缝为 全熔透一级焊缝， 按 哉栽原月玉级检测标准检验， 由此 焊接难度大大增加。 真正反映工程难度的关键主要 有以下三点。 穴员雪柱脚结构采用 匝猿源缘悦、 匝猿源缘郧允阅、 匝源远园耘原在猿缘 钢材、 且厚度大， 有一定的淬硬倾向； 匝猿源缘郧允阅 厚 员园园 皂皂； 匝源远园耘原在猿缘 厚 员园园耀员员园 皂皂。 焊接涉及到典 型全位置即平、 立、 横、 仰、 斜； 焊接工作量大， 焊缝 图 员圆 “鸟巢” 员圆 号柱脚到货状态 专题讨论 戴为志等 国家体育场穴鸟巢雪钢结构安装工程焊接技术第 源 期 专 题 讨 论 ︱ ︱ 奥 运 场 馆 焊 接 暨 国 家 体 育 场 穴 鸟 巢 雪 焊 接 技 术 55窑窑 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 筻{ 耘造藻糟贼则蚤糟 宰藻造凿蚤灶早 酝葬糟澡蚤灶藻 集中， 因此控制焊接应力应变的焊接顺序编制十分 困难； 柱脚顶部与立柱和铸钢件有配合关系， 允许 错边量为依猿 皂皂， 板厚构件质量大， 对变形和应力 的控制相当严格。 穴圆雪封闭的柱脚钢结构内的筋板为传力构件， 几 乎 员园园豫设计要求全熔透一级焊缝， 这个规定给焊接 带来不少因难。 穴猿雪封闭柱脚钢结构内施焊场地十分窄小， 焊工 技术发挥十分困难。 由于 “鸟巢” 钢结构焊接工程准备工作非常充 分， 因此在施工顺序的安排上， 作出了“拼装工程 吊装服从于焊接” 的决定。 这是因为柱脚结构焊缝纵 横交错， 有的焊缝在构体之下， 根据所排定的焊接 顺序不可能在拼装成柱脚整体后实施。 焊接工作在 拼装过程中进行， 先装什么、 后装什么与焊接顺序 密切相关， 所有一切都表明 焊接顺序是柱脚焊接 工程成败之关键， 这样的思路代表了复杂钢结构拼 装特殊的工艺方法。 焊接应力及应变穴变形雪是焊接过程中的一对矛盾。 是客观存在而无法避免的， 只有根据应力应变的固有 规律， 因势利导， 使矛盾向所需要的方向转化。 设焊缝的总能量为 耘总 耘总越耘有垣耘损垣 残垣着 越员， 穴员雪 式中耘有为冶金反应形成焊缝有用能； 耘损为焊接 过程中的损耗， 无用功， 包括幅射、 对流和传导方式 损失的能量； 残为焊接残余应力穴短时间内为一常 量雪； 着 为焊接变形的定量测量。 当冶金反应结束后， 因 耘有在冶金反应中转化为 焊缝成形， 耘损在幅射、 对流、 传导中损失。 所以式穴员雪 转换为式穴圆雪 残垣着 越悦约员， 穴圆雪 式中悦 为常量。 从理论上分析， 式穴圆雪表明焊接残余应力和变形 是存在同一焊件的不同能量形成， 服从于能量守恒 定律， 矛盾的双方相辅相成， 并可以互相转化， 减少 一方必须增大另一方。 为什么把 “悦” 作为常量呢 道理十分简单 事实 上应力应变之和是一个变量， 只是发生变化的时间 很长， 同焊接柱脚的时间相比， 焊接柱脚的时间完 全可以忽略不计。 在短时间内对应力应变几乎不起 作用， 因此把 “悦” 作为常量。 由于焊缝在焊接过程中近缝区产生压缩塑性 变形， 因此接头冷却后产生焊接残余应力， 目前在 理论上对于焊接残余应力分布规律影响因素有了 一定的认识和理解， 但是从定量的观点上看， 由于 情况复杂、 多变， 因而无论计算还是实测都存在一 定的误差。 因此， 式穴圆雪的工程应用价值也仅限于定 性分析。 在实际焊接中， 单向残余应力极为少见， 一般 都是以双向和三向应力状态出现， 中等厚度以下焊 件穴实际中臆猿远 皂皂雪， 除了要产生平行于焊缝的 纵向应力外穴 曾雪， 同时还要产生垂直于焊缝方向横 向的残余应力穴 赠雪； 而对于厚大截面构件穴通常认为 逸源园 皂皂雪， 还将产生沿钢板厚度方向分布的平行 于厚度方向的残余应力穴 扎雪， 而式穴圆雪把上述复杂的 应力状态全部作为穴 残雪， 这就使较为复杂的应力状 态变为能量形式便于理解和运用。 由式穴圆雪可知， 在同一焊件中， 应力应变之和是 一常量， 它们相辅相成， 可以互相转化， 减少一方， 必须增加别一方。 式穴圆雪作为一种思维模式具有很高 的实用价值， 在柱脚的拼装工程中起到了举足轻重 的作用。 基于式穴圆雪原理， 在柱脚拼装工程中主要有以下 几点做法。 圆援员排定整体焊接顺序 根据式穴圆雪原理， 拼装的顺序服从于焊接要求。 首先拼成部件， 其焊缝在拼装过程中完成， 这时部 件处于自由状态， 变形大而应力小， 拼装时应预留 焊接收缩量。 焊接收缩量按式穴猿雪计算眼员演 着 越运 粤晕 袁穴猿雪 式中着 为焊缝的横向收缩量穴单位 皂皂雪； 粤晕 为焊 缝的截面积穴单位 皂皂圆雪； 为构件的板厚穴单位 皂皂雪； 运 为系数， 运越园援员耀园援圆。 当 砸云穴拘束度雪高时， 运越园援员； 当 砸云 低时， 运越园援圆； 当 砸云居中时， 运越园援员缘。 经验公式均因不确定因素而影响其计算精 度， 其中以拘束度为主要因素， 在使用式穴猿雪之前对 拘束度 砸云要进行认真的分析研究， 最后决定取舍 穴在长期实践中认为， 横向收缩量式穴猿雪相对准确一 些雪。 全部构件组装完成之后， 按以下顺序进行焊接 穴员雪焊柱脚底座仰焊焊缝； 穴圆雪焊横焊焊缝； 穴猿雪焊立焊 焊缝； 穴源雪焊接内部筋板焊缝； 穴缘雪其他辅助焊缝。 专题讨论第 猿愿 卷 专 题 讨 论 ︱ ︱ 奥 运 场 馆 焊 接 暨 国 家 体 育 场 穴 鸟 巢 雪 焊 接 技 术 56窑窑 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 筻{ 耘造藻糟贼则蚤糟 宰藻造凿蚤灶早 酝葬糟澡蚤灶藻 通常柱脚内部筋板先焊， 而 “鸟巢” 钢结构焊 接工程柱脚要后焊筋板。 在编排柱脚焊接顺序过程 中发现 先焊内后焊外是一个误区， 特别在厚板焊 接工程中尤为如此。 如果先焊筋板， 再焊环焊缝， 这 时的筋板便成为环焊缝的约束、 形成焊缝金属强大 的拉应力场。 就象 “斜 再 试验” 一样， 焊缝极有可能 在焊接过程中出现热裂纹穴在类似工程中焊缝就因 筋板约束而形成热裂纹， 造成返工雪。 这种缺陷的形成 机理可以用式穴圆雪来解释 结构刚性太大， 变形基本 无法形成， 致使强大的拉应力场的应力值大于开裂 临界应力所致。 圆援圆典型焊接工艺与分析 根据上述分析和整体焊接顺序， 为进一步阐明 其中道理， 分别对主要工序作以下说明。 穴员雪柱脚底座仰焊焊缝的焊接。 在全部构件组装完成后， 仰焊焊缝便可进行焊 接。 究其原因， 根据式穴圆雪原理， 利用柱脚本身自重对 仰焊焊缝进行约束， 控制形变， 从而保证柱脚尺寸 精度。 柱脚底板仰焊坡口采用 载 型， 大面 猿缘毅耀源园毅、 圆贼辕猿穴平焊位置， 板厚的三分之二雪， 小面 远园毅、 贼辕猿穴仰焊 位置， 板厚的三分之一雪。 根据拟定的焊接顺序， 先焊平焊至焊缝的 圆辕猿， 焊缝应产生较大角变形， 因为柱脚上部自重不能完 全限制变形的发生， 这时应当立即停止焊接。 接着在仰焊位置开始气刨， 气刨结束后， 仰焊 第一层， 这时有可能角变形消失， 如果底板还原， 平 焊的第二层和仰焊同时开焊， 如果还存在影响组装 精度的残余变形， 继续仰焊第二层， 直到变形消除 为止。 柱脚底板还原以后， 平焊、 仰焊同时对称进行。 这时的关键是平焊、 仰焊的焊接速度基本一致， 以 获得均匀的受热而达到控制变形的目的， 这种焊接 方式一直到焊接工程结束。 在开始焊第一条仰焊焊缝穴员猿 号柱脚雪时， 仰焊 位置的坡口是大面坡口， 平焊是小面坡口， 焊接顺 序是按照先焊仰焊， 平焊刨根， 再焊平焊， 最后对称 同时焊接的方式。 不难想象， 这种坡口形式增加了仰 焊的工作量， 从而影响工程进度。 根据式穴猿雪， 仰焊、 平焊坡口大小不一致， 必然带 来不均匀的角变形， 单从理论分析， 其结论应当说 是正确的， 但工程中实际情况就不一样了。 葬援 大、 小面坡口由于角度大小正好相反， 热输入 量虽然有一定的不同， 但其值相差不大。 遭援 厚钢板的角变形应当以钢板的中心为基准， 大面坡口超过 贼辕圆穴即一半板厚雪焊肉不能计入大面 产生角变形焊缝截面积， 大、 小面坡口截面积的差 距因此而缩小。 再者， 小面刨根后， 焊缝截面积有所 增加。 任何焊缝都不可能做到 员园园豫的均匀， 不均匀 带来应力应变的不一致在柱脚本身自重的约束下 得到控制， 完全可以保证尺寸上的精度要求。 这就是 要把柱脚全部组装完成后再正式焊接仰焊焊缝的 道理所在。 穴圆雪横焊缝的焊接。 由于运输单元的区别， “鸟巢” 钢结构焊接工程 柱脚拼装各不相同， 有的柱脚没有仰焊焊缝， 这种柱 脚就可以直接焊横焊缝。 柱脚横焊缝是典型的长焊 缝， 焊接成败的关键就是尽量使焊缝应力应变均 匀， 收缩量基本一致， 以此来保证柱脚尺寸精度。 要 达到这个目的， 首先抓好坡口质量， 整条焊缝坡口 间隙基本一致。 这样在一致的焊接规范下， 其收缩值 可以保证基本一致。 在长焊缝焊接中， 焊接顺序和方向将决定 赠义的 分布和大小。 从焊接应力应变控制的角度看， 从头焊 到尾的方法会使应力分布极不均匀。 端头部分的拉 应力十分强大， 假如端头存在焊接缺陷， 应力集中 的情况就十分严重， 同时也是产生热裂纹的必要条 件之一。 同理， 赠义数值上是基本平衡的， 由于分段倒 退焊接， 使长焊缝的 赠义均匀分布， 这是我们所希望 的。 柱脚横焊长焊缝的基本焊接方法是 确定焊接方 向， 采用分段倒退法， 获得成功。 穴猿雪柱脚立焊长焊缝的焊接。 “鸟巢” 钢结构焊接工程中， 几乎所有的立焊 焊缝长度都在 猿 皂 以上， 该焊缝有多种焊接方法， 典 型的方法有两种。 葬援 从下向上焊接。 这种方式如果没有特定要求， 基本上绝对否定， 因为纵向收缩引起横向变形会使 焊缝末端坡口间隙变小， 从而影响末端尺寸的精度。 因此， 在柱脚立焊穴灾雪长焊缝的焊接上， 采用了 另外一种焊接方式。 遭援 首先焊有尺寸要求的末端焊缝， 并在末端 设置千斤顶约束焊缝， 也就是希望增加焊接残余应 力使柱脚变形小来保证尺寸精度， 因此焊缝末端的 横向应力有所增加， 但肯定在安全值内。 当末端焊 缝正式构件约束焊接完成之后， 其余焊缝按分段倒 退焊法完成焊接， 这个工艺对于保证安装尺寸精 专题讨论 戴为志等 国家体育场穴鸟巢雪钢结构安装工程焊接技术第 源 期 专 题 讨 论 ︱ ︱ 奥 运 场 馆 焊 接 暨 国 家 体 育 场 穴 鸟 巢 雪 焊 接 技 术 57窑窑 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 筻{ 耘造藻糟贼则蚤糟 宰藻造凿蚤灶早 酝葬糟澡蚤灶藻 度起到了十分重要的作用。 穴源雪筋板的焊接技术。 柱脚内部的筋板焊接要求一次合格率为 员园园豫。 这是因为柱脚内部施工场地十分狭窄， 如果有返工 将会造成更大的焊接难度。 那么怎样才能达到这个 目标呢 在筋板焊接过程中， 焊接顺序是决定应力是否 均匀一致的关键， 也是决定热裂纹是否产生的关 键。 不同的焊接顺序， 将决定不同的应力分布， 也就 是说将决定焊接是否成功。 两边向中间焊和中间向两边焊会得到两种不 同的结果。 显然， 两边向中间焊将为热裂纹提供应力 场的必要条件。 因为在焊缝的端头造成应力集中， 所 以这种方法在筋板焊接中， 不能使用。 在筋板的焊接方法中， 采用从中间开焊的方法， 即从中间向两边焊， 焊缝一次合格率达到 怨怨援苑豫。 猿控制应力应变具体措施 国家体育场穴鸟巢雪钢结构马鞍型双曲面结构是 旋转对称体系， 对焊接而言规律性不强， 在一个安 装单元内毫无规律， 因此采取了以下思想路线。 猿援员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， 应变适当， 工程全优。 穴员雪首先分析计算整体钢结构应力的分布状况， 确定起始焊缝和合拢焊缝的位置， 然后按总体思路 进行工作。 国家体育场穴鸟巢雪钢结构立柱和主结构共同形 成完整稳定的钢结构系统， 由于各处截面和形状的 差异， 受力状况各不相同， 这对焊接技术提出了很 高的要求， 特别是起始焊缝和合拢焊缝位置将决定 结构体系应力和焊接残余应力的关系， 所有的思路 都是围绕着合拢焊缝强大的应力状态的位置是否 与钢结构体系应力集中点相重合的关键点展开。 原 则上两处不能重复， 否则应力叠加对钢结构体系不 利。 穴注 此处的 “合拢” 是指一个局部钢结构整体形 成的焊缝， 是广义的 “合拢” 概念。 雪 穴圆雪协同安装。 协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。 国家体育场穴鸟巢雪钢结构工程吊装和焊接的协 调有两大原则 葬援 柱脚拼装。 吊装服从于焊接； 遭援 其 余结构， 特别是主结构的安装， 焊接服从于吊装。 在 其他结构的吊装过程中， 由于钢结构体系的特殊性 和控制焊接应力应变的难度， 焊接仍然给吊装提出 了很高的要求。 这就是确认起始点和合拢点， 从理论 上分析， 起始点是焊接残余应力最小， 但变形最大 的地方； 合拢点是变形最小而残余应力最大的地方。 两处特点鲜明， 正好相反。 在钢结构体系应力应变的 分析基础上， 完全可以根据起始点和合拢点的特点 作为 “鸟巢” 整体钢结构体系的互补， 使国家体育 场穴鸟巢雪钢结构体系应力应变尽可能地均匀一致。 起始点的另外一个作用是结构安装安全所需要的 必须先焊的焊缝。 穴猿雪科学编程。 以 允郧允愿员原圆园园圆 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， 有效控制钢结构整体的应力和变形， 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穴尽可 能小雪， 又不希望有过大形变而影响美观。 为了实 现这一目的， 必须应用焊接技术理论对焊接顺序仔 细编排， 从全局出发， 综合考虑每一条焊缝的焊接 顺序。 穴源雪六个统一。 即执行焊接程序的组织保证 葬援 施工各单位必 须统一严格执行焊接程序 焊接方案 ； 遭援 统一 进行焊接程序焊接方案交底 ； 糟援 统一焊接 技术穴焊接方法雪； 凿援 统一焊接工艺评定； 藻援 统一焊 工培训、 考核； 枣援 统一质量检测。 焊接技术上的统一， 为钢结构深化图纸设计提 供了技术支持， 特别是大规模的采用仰焊技术， 不 仅减少了焊接工作量， 而且使国家体育场穴鸟巢雪钢 结构焊接工程的工期提前， 成本大大降低。 穴缘雪攻克难关。 重点抓好三个工艺评定 葬援 匝源远园 钢的焊接工艺 评定； 遭援 厚板焊接工艺评定穴分层雪； 糟援 铸钢与钢、 异种 钢的焊接工艺评定， 特别是铸钢 郧杂原圆园酝灶缘灾 和 匝源远园耘原在猿缘 的焊接工艺研究。 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。 穴远雪高能密度、 较小输入。 采用电流密度较大的 郧酝粤宰、 云悦粤宰原郧 技术， 尽量小的热输入量的方法。 专题讨论第 猿愿 卷 专 题 讨 论 ︱ ︱ 奥 运 场 馆 焊 接 暨 国 家 体 育 场 穴 鸟 巢 雪 焊 接 技 术 58窑窑 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 筻{ 耘造藻糟贼则蚤糟 宰藻造凿蚤灶早 酝葬糟澡蚤灶藻 穴苑雪分段跳焊。 对于较长焊缝， 采用分段跳焊的方法， 可以有 效的控制应力应变， 特别是采用分段倒退跳焊法， 可 以使整条焊缝受热基本均匀， 从而达到焊接残余应 力和应变基本均匀的目的。 穴愿雪应变适当。 根据焊接应用技术理论， 在具体工作中正确掌 握焊缝残余应力、 焊接残余应变的尺度， 希望得到的 结果是焊接残余应力在允许范围， 且没有影响观感 质量的焊接残余变形， 即安全又美观。 穴怨雪工程全优。 要达到这一目的， 必须做到上述 愿 条， 并且要求 有创造性的发挥， 在实践中弥补方案中的不足， 良好 地控制 “鸟巢” 钢结构焊接工程的应力应变。 猿援圆主结构焊接的指导思想 穴员雪焊接位置和技术的确定。 主结构全部采用全位置焊接方式， 其重点是仰 焊。 初步决定用三种工艺进行， 第一种是 杂酝粤宰， 第 二种是 杂酝粤宰垣云悦粤宰原郧， 第三种是 杂酝粤宰垣郧酝粤宰垣 云悦粤宰原郧。 穴圆雪焊接顺序。 控制两点， 确定方向， 单杆双焊， 双杆单焊， 逐 渐向合拢点逼近。 主要是控制起点和固定口。 起点作为结构安全 和稳定的必须控制点； 固定口不能设置在构件重心 或靠近重心和应力集中的地段。 根据主结构 “分区安装， 分步进行， 基本对称， 控制合拢” 的思想， 焊接程序应当是 葬援 以柱为点， 弧线同步， 内外并进， 分头进行， 监测应变， 谨慎合 拢。 遭援 扇形分中， 多点同步， 分向进行， 异向合拢。 主结构焊接顺序示意如图 员猿 所示， 主结构总体 焊接顺序为 第一阶段 粤， 月。 粤为内圈节点， 月 为外圈节点； 由 内向外的方向焊接标志及顺序为 粤员、 粤圆、 粤猿、 粤源、 粤缘； 由外向内的方向焊接标志及顺序为 月员、 月圆。 第二阶段 悦， 阅。 悦 为内圈节点， 阅 为外圈节点； 图 员猿主结构焊接顺序示意 专题讨论 戴为志等 国家体育场穴鸟巢雪钢结构安装工程焊接技术第 源 期 专 题 讨 论 ︱ ︱ 奥 运 场 馆 焊 接 暨 国 家 体 育 场 穴 鸟 巢 雪 焊 接 技 术 59窑窑 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 筻{ 耘造藻糟贼则蚤糟 宰藻造凿蚤灶早 酝葬糟澡蚤灶藻 由内向外的方向焊接标志及顺序为 悦员、 悦圆、 悦猿、 悦源； 由外向内的方向焊接标志及顺序为 阅员、 阅圆、 阅猿、 阅源。 第三阶段 耘。 由内向外的方向焊接标志及顺序 为 粤、 悦、 耘； 由外向内的方向焊接标志及顺序为 耘员、 耘圆。 内圈的焊接顺序 由内向外的方向焊接标志及 顺序为 粤、 悦、 耘； 由外向内的方向焊接标志及顺序为 耘员、 耘圆。 在焊接方法上采用气体保护焊、 渣气联合保护 等高能密度的焊接方式和小的焊接线能量穴即小的 耘总雪， 从而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的 方法， 贯彻焊接顺序的总体思路肯定可以获得稳定 的钢结构构件屋顶尺寸和合理的焊接残余应力， 从 而保证工程的安全可靠。 单杆双焊即两根梁与柱间的焊缝如图 员源 所 示。 采用两人对称焊， 要求保证焊接速度一致， 焊接 电流、 电压参数一致； 双杆单焊即横梁与立柱焊接 如图 员缘 所示。 先焊接一端， 待焊缝温度冷却至常温 方可进行另一端的焊接。 图 员源单杆双焊 猿援猿次结构的焊接顺序 按吊装顺序进行， 原则上先焊横杆件后焊竖杆件。 从下向上穴立面次结构雪， 以桁架柱穴主结构雪为中 心对称施焊； 自由变形控制合拢。 次结构安装难度大， 由于次结构无规律可言， 焊接方法只能原则控制， 以立柱为中心对称施焊可 获得均布应力， 采用自由变形的方法可以最大限度 地减少焊接应力。 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。 典型立面次结构焊接顺序如图员远 所示。 说明 穴员雪焊接顺序接 粤寅月寅悦寅阅寅耘寅云， 圆 装上后可焊 员 以下区域， 猿 装上后可焊 圆 以下区域， 最后焊 猿 以上次结构； 穴圆