钢结构行业发展与焊接技术应用
交流研讨会
论文集一
主办单位：中华人民共和国建设部信息中心 承办单位：北京中研行讯信息技术中心 2007年1月15日-17日福建2厦门天成大酒店
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（一）：
国家体育场（鸟巢）钢结构安装工程
焊接技术综述
戴为志 贾宝华 张伟
（浙江精工钢结构有限公司焊接研究所）
摘要：本文通过对国家体育场（鸟巢）钢结构安装工程、焊接工程的简要介绍，分析找出了焊接质量管理因素同焊接缺陷的联系，提出了管理的要点和技术的重点，指定了正确的技术路线，建立质量控制体系，并把体系运行的几个亮点进行了阐述。文章通过对国家体育场钢结构安装工程焊接质量控制途径的说明，提出了焊接质量控制的有效途径就是以工程特点为基础，以TQC思想为指导，指定切合工程实际的技术方针路线，完善质量保证体系，从“人、机、料、法、环”五大要素入手，实现全员、全面、全过程的管理，形成焊接质量控制的核心思想。
关键词：焊接质量控制 焊接质量管理因素 焊接质量保证体系 Q460E-Z35钢焊接性试验 焊工考核和培训 焊接工艺评定 焊接应力与应变的控制 大流量防风 低温焊接
Abstract:According to the brief introduction on the erection and welding engineering of National Stadium,this article analyses the between quality-management elements and welding distortion,provides the key points of management and technology,formulates the correct technology rote,erects quality controlling system,and introduces several bright points on the working process of system.By mean 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 foundation,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.
Key words: 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,Low temperature welding.
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前言
国家体育场（鸟巢）钢结构工程具有十分强烈的吸引力和挑战性，特殊独到的重型钢构高空大跨度马鞍型设计造型，不仅使结构变为十分复杂，而且带来难以控制的应力应变状态，由此形成了“一焊，二吊，三卸载”的施工难关，作为贯穿整个工程决定结构安全运营的主导焊接工序其质量指标和施工难度之高可想而知，令世人瞩目。业内专家，各级政府和相关领导对此给予了极大的关注，曾几何时，在“鸟巢”工地形成了大家关心，担心焊接，人人谈论焊接的局面；紧迫感，使命感，强大的压力由然而生。在各级政府、领导、专家支持帮助下，在参战工程技术人员、工人的共同努力下，在社会各界的关注下。钢结构工程于2006年11月胜利建成。
据不完全统计，“鸟巢”现场钢结构焊缝约61000M长，板厚在40mm以上约12000M，设计要求为全熔透一级焊缝，100％UT探伤，一次合格率高达99.5％以上，经过严格的第三方以及政府抽查100％合格。最典型的是在不同的三天三夜焊完的近400条焊缝，一次合率几乎为100％。实为当代焊接工程之典范。
本文以部分工程实践的资料详细阐述和分析控制焊接质量的几项工作，向大会汇报，供同行参考，敬请指正。 一、工程概况
国家体育场位于北京市成府路南侧，奥林匹克公园中心区内，是北京2008年奥运会的主体育场。建筑顶面呈马鞍型，长轴为332.3m，短轴为297.3m，最高点高度为68.5m，最低高度为40.1m。屋盖中间开洞长度为185.3m，宽度为127.5m。
主桁架围绕屋盖中间的开口放射型布置，与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型。大跨度屋盖支撑在周边的24根桁架柱之上，主桁架尽可能直通或接近直通，并在中部形成由分段直线构成的内环洞口。为了避免出现过于复杂的节点，4榀主桁架在内环附近截断。用分段直线代替主桁架空间弯扭曲线弦杆，减少构件的加工难度。将腹杆倾斜角度控制在60°左右，网格大小尽量均匀，上下弦节点对齐，具有较好的对称性。桁架柱、弦杆与腹杆形成完整的桁架，腹杆主要连接于外柱与立面次结构的交点。腹杆轴线与内外柱轴线在同一平面内，腹杆宽度为1200mm，与菱形内柱同宽。在屋盖上弦采用膜结构作为屋面围护结构，屋盖下弦采用声学吊顶。主场看台部分采用钢筋混凝土框架－剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。
屋盖主结构的杆件均为箱型构件，其中，主桁架断面高度为12m，上弦杆截面为1200mm31200mm～1000mm31000mm，下弦杆截面为1000mm31200mm～800mm3800mm，腹杆截面基本为600mm3600mm，主桁架沿洞口斜角交叉布置。桁架柱为三角形格构柱，每根格构柱由两根1200mm31200mm箱型外柱和一根1200mm31200mm菱形内柱组成，腹杆截面为1000mm31200mm。桁架柱上端大、下端小，上端与主桁架相连，
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下端埋入钢筋混凝土承台内，并将屋盖荷载传至基础。
图（1） 06年07月鸟巢全景图
本工程钢结构体系新颖，经过多种施工方案反复比较、多次多层次的专家论证最终确定钢结构总体安装方案采用分块高空散装方法。主体钢结构的安装顺序遵循对称同步、尽早形成安装区域局部稳定的原则，总体上分为三个阶段八个区域，主体钢结构共划分230个安装单元，其中：桁架柱48个安装单元；平面主桁架166个安装单元；立体桁架16个安装单元。外环布置2台800t履带吊负责吊装24根桁架柱和外圈主桁架，4台150t履带吊负责立面次结构的安装；内环布置2台600t履带吊负责吊装内圈和中圈主桁架；顶面次结构安装阶段，外环采用2台300t履带吊负责吊装外圈肩部及顶面次结构，内环采用2台150t履带吊负责吊装内圈顶面次结构。
在本工程采用全焊钢结构，所用钢材全部国产化。当钢板δ＝34㎜时采用Q345钢材；当钢板厚36㎜≤δ≤100㎜时采用Q345GJD钢材；当钢板厚度100㎜≤δ≤110㎜时部分采用Q460E-Z35钢材。主桁架转换部分采用GS20Mn5V铸钢节点。钢材从8㎜至140㎜铸钢共有19个规格；设计用钢量约为4.2万吨。
本工程存在大量复杂的焊接节点，板件的厚度较大，板件之间的相互约束显著，大量焊缝集中，焊接应力较大。柱脚结构复杂，内部筋板多数要求全焊透焊接，焊缝纵横交错，施工场地狭窄，控制焊接应力和焊接变形难度很大。
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屋盖主结构属于大型大跨度空间结构，其自重产生的内力所占比例较大，主结构的施工和焊接顺序对结构在重力载荷下的内力将产生明显的影响，而主结构不规则的走向，很难排定焊接顺序和安装程序，因此控制其初始应力状态不是一件容易的工作。
次结构安装难度大于主结构，焊缝分布无规可言，应力状态也是十分复杂。 Q460E-Z35 δ＝110mm为国内建筑钢结构首次使用，Q345GJD国内应用单位也不多，对上述钢材的热加工技术，焊接工艺无成熟经验可借鉴；Q460E-Z35厚板焊接技术应用研究（可焊性研究），目的是为Q460E-Z35钢材焊接工艺的合理选择与评定提供科学的依据，以指导钢结构工程Q460E-Z35的焊接施工；这项工作存在极大的风险和难度。
由于现场焊接焊缝大多为受力焊缝，根据设计要求均为一级全熔透焊缝，施工难度大，施工质量要求相当高，政治影响也很大。
钢结构安装（拼装）工程采用的焊接技术有SMAW、GSMAW、FCAW-G(H、F、V)；部分采用了GMAW-A(实芯CO2气体全自动焊)，FCAW-GA(药芯CO2气体全自动焊)。
工程中首先进行了Q460E-Z35焊接性试验及焊接技术的应用研究。主要进行了SH-CCT图的试验研究，Q460E-Z35热切割试验；Q460E-Z35热矫正试验；Q460E-Z35焊接冷裂纹试验研究，Q460E-Z35刚性焊接试验研究，然后进行了以及Q460E+Q460E(O、H、V、δ＝110mm)、Q460E+Q345GJD(O、H、V、δ＝110mm,100 mm)、Q460E+GS20Mn5V(O、H、V、δ＝110mm)的焊接工艺评定13项；其余Q345GJD、Q345、GS20Mn5V等钢材，分别进行焊接技术、焊接位置、材料规格、以及异种钢材的组合按JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》进行焊接工艺评定184项，同时进行了GMAW、FCAW-G大流量防风模拟试验。为了适应冬季施工，进行了Q460E、Q345GJD钢的冬季焊接试验共24项。所有实验全部按预期目标完成；这些试验的结果准确可靠，成为了国家体育场（鸟巢）钢结构工程焊接技术规程有力的技术支持。在技术路线的制定过程中起
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