國家體育場（鳥巢）鋼結構工程焊接
應力應變控制技術**
北京城建精工鋼結構工程****
劉子祥二00五年三月
目錄一、工程概況 2
1.鋼結構設計重量 3
2.鋼材型號厚度 3
3.鋼材效能 4
二、工程特點 4
1.工程規模大，構件噸位重 4
2.節點複雜 5
3.施工難度大 5
4.工期要求緊 6
三、施工方案簡介 6
四、難點分析 10
五、鋼結構焊接變形及殘餘應力的分析與對策 11
1.焊接變形與殘餘應力的基礎分析 11
六、焊接工藝評定 13
1.國家體育場（鳥巢）焊接技術歸類表（計畫1） 13
2.工藝評定（應有的部份） 13
七、焊接坡口形式與尺寸 15
1、坡口形式與尺寸 15
2、焊材匹配與選用 16
八、焊接順序 17
1、焊接工程的總體思路 17
2、主結構焊接的指導思想 17
九、超高強鋼特厚板焊接技術 21
十、層狀撕裂問題分析 23
十一、鑄鋼件焊接技術 24
十二、科技創新及攻關 24
國家體育場看台的放射狀混凝土框架結構與環繞它們並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台區旋轉而成，其中22榀貫通或基本貫通。結構元件相互支撐、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築外形。
工程±0.000標高相對於絕對標高為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，上弦杆截面基本為1000mm×1000mm，下弦杆截面基本為800mm×800mm，腹杆截面基本為600mm×600mm，腹杆與上下弦杆相貫，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。
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
鋼板的最大厚度100mm。當鋼板厚度≤34mm時，採用q345鋼材；當鋼板厚度≥36mm時，採用q345gj鋼材；少量厚鋼板採用q460、s460ml鋼材。區域性採用鑄鋼件。
厚度分布：
·組合鋼柱除少量稜形柱底部和頂部為90~100mm，其餘為50~80mm，另外兩根方形斜柱板厚絕大多數為30、25、20mm。
·桁架上弦杆個別段為50mm外，其餘均在40mm以下，大多數為30、25、20mm。
·桁架下弦杆個別段為50、42mm外，其餘絕大多數為20mm。
·腹杆為20、14、10mm，多數為10mm。
·次結構板厚最大36mm，絕大部分為20mm以下。
衝擊效能要求
z向效能要求
·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，每延公尺最重約10t；主桁架每延公尺最重約3t。
·主結構均為大截面箱型構件，節點在空間匯交多根桿件；次結構節點複雜多變、規律性少。
組合鋼柱菱形柱轉換節點菱形柱頂節點
主桁架典型k型節點
根據調整後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後，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後對78根支撐體系進行整體、同步解除安裝，最後安裝平面次結構。
層狀撕裂風險性分析
由於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。所以不應採用過大的焊腳尺寸。
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，採用預熱有利。
根據所計算的ltr值知道，板厚大於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於鋼材的材質，因此本工程所選用的鋼板其效能一定要滿足z15～z35的要求，同時在應力應變的控制上採用有力防止層狀撕裂現象的出現。
焊接變形與殘餘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，還必須採用科學合理的管理，使之形成完整的系統管理工程，確保鋼結構工程質量。
國家體育場鋼結構工程現場焊縫主要分為兩大型別：角焊縫及對接焊縫。一般來說角焊縫的焊接變形不會太大，其殘餘能量主要以焊接殘餘應力的形式存在於鋼結構的焊縫和haz之中；角焊縫不是主要受力焊縫，控制焊接殘餘應力大小的關鍵是控制焊縫的最小焊腳尺寸。
厚板對接焊縫的殘餘能量以焊縫的收縮變形和焊接殘餘應力的形式存在於焊縫和haz之中；因此控制焊接變形及焊接殘餘應力必須綜合治理。實踐證明：焊接應力及殘餘應力同時存在於同一焊件之中，既相輔相成又可以相互轉換，該結論的理論依據是能量守恆，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）
當焊接結束後：
ε+σ= e總 -w有-w無= c＜1
ε+σ= c＜12）
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--------焊接殘餘應力所需的能量；
c -----焊接變形及殘餘應力所需的能量，是小於1的常數。
根據式（2），焊接變形和焊接殘餘應力不僅存在於同一焊縫和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，焊接殘餘應力毫無外觀表示存在於構件內部之中：當焊接殘餘應力σ殘≥σs（母材屈服強度）時;鋼結構就會出現失穩狀態，嚴重時，會帶來災難性的後果。
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餘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 fn3)
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；
該式在寶鋼及其他工程中發揮重要作用。**曾樂《焊接工程學》。
該式的具體意義是，當焊接變形（收縮量）完全實現時，焊接殘餘應力是乙個非常小的安全值；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於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餘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餘應力。
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餘應力。
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）為代價減少焊接殘餘應力，見下圖。
該方法適合任何對接構件，採用該法前都應用（3）式進行計算，確定焊接變形的數值，必須在製作結構中預留。（如變形小可不考慮預留）
國家體育場 鳥巢
世界最大的鋼結構體育場 工程總投資 31億元 工程期限 2003年 2008年 2008年6月28日，乙個 時代 雜誌評為2007年世界十大建築奇蹟的體育館，乙個世界上跨度最大的鋼結構建築 世界上最大的透明頂棚的體育場 人們親切地稱為 鳥巢 的世界最大鋼結構體育場正式落成，作為第29屆奧林匹克運動會...
國家體育場 鳥巢 詳細介紹
3 工程的科技含量 針對工程特點進行了科技資訊查新和檢索，進行科研專案的立項，並成立了14個課題組具體負責實施。完成在國家科技部和北京市科研立項18項。被列入第5批建設部新技術應用示範工程，應用推廣建設部推廣十大類新技術中的50項新技術，並取得良好效果，於2008年3月通過了建設部科技示範工程驗收。...
國家體育場工程塔吊方案
塔吊安裝施工方案 編制 審核 審批 專案認可 編制日期 目錄一 工程概況 1 二 各塔吊起重效能引數 1 三 塔吊定位 2 四 塔吊安裝前期準備 2 4.1 專案經理部前期準備 2 4.2 塔吊公司前期準備 3 五 基礎施工 3 5.1 預埋角鋼 固定基礎塊 樁 式塔吊基礎施工 3 5.2 底架壓重...