简析国家体育场(鸟巢)钢结构安装工程质量管理及焊接技术

２００８年第７期
３
万方数据
３几项典型焊接应用技术
３．１
Ｑ４６０Ｅ焊接性试验
焊接性是指钢材（材料）在限定的施工条件下，焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定运营要求的能力。
（１）国产Ｑ４６０Ｅ—Ｚ３５钢在预热１５０℃情况下采用焊条电弧焊。其插销冷裂纹试验的临界断裂应力为６２０ＭＰａ。该材料对冷裂纹不敏感．从该材料的力学性能试验结果叮知．屈服应力为
（６）大面积推广仰焊技术难关。因为“鸟巢”特殊结构决定了控制结构初始应力的难度，２４榀门式钢架中有２２榀贯通或基本贯通，最大跨度为２５９ｍ左右。如果不采用仰焊技术，控制焊接庇力应变的对称施焊工艺不能应用．上下翼缘受热不均．必然带来收缩量的不一致。上下弦杆同时不均匀地变形。使本来就十分复杂的结构体系变得更加复杂。仰焊技术确实有它的难点，与此相辅相成的也有很多优点，这螳优点是建筑钢结构焊接工程最需要、最重要的技术指标所要求的。不过这些至关重要的指标没有被人们认识．或者没有完全认识，因此推广仰焊技术是另一难关。
经过“鸟巢”人的艰苦努力．取得十分优异的成绩．“鸟巢”钢结构焊接工程最终结果成为了当今建筑钢结构焊接工程之典
范。
设计要求几乎全部焊缝为全熔透一级焊缝，焊缝的总长超过了３１万米。现场焊缝超过６万米（不含角焊缝），１００％超声波探伤。一次合格率高达９９．５％以上，质量指标之好为全国之最。
最典型的是不同的三天三夜焊完４００多条合拢焊缝．在高空焊接成功，一次合格率为９９．９％。成为工程焊接界中最辉煌的
国家体育场“鸟巢”钢结构安装Ｔ程从２００５年１０月开始到２００６年１１月结束．历时１２个月。
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。凶此控制其初始应力状态不是一件容易的Ｔ作。
次结构安装难度大于主结构，焊缝分布无规则町肓，应力状态也｝分复杂。
艿＝１１０
ｍｍ的０４６０Ｅ—Ｚ３５为国内建
典范。
据不完全统计。整个“鸟巢”消耗焊接材料２１００
ｔ以上，同
样也是国内之最。
国家体育场“鸟巢”钢结构焊接质量在全国乃至全球的钢结构工程中都是最好的，完全可以十分自豪地说：鸟巢焊接人成功地破解了“鸟巢”焊接难关。赢得了工程的最终胜利。２建立钢结构焊接质量保证体系、开展全面质量管理工作
在“鸟巢”钢结构焊接工程中，我们深刻的体会到．没有有效的管理，再好的技术也难以实现。没有技术，再好的管理也是空谈。因此，建筑钢结构的质量管理应当有两大内涵即：管理基础工作和技术基础工作。两项基础上作的有机结合，才是国家体育场“鸟巢”钢结构丁程的真实质量管理。
简析国家体育场（鸟巢）钢结构安装
工程质量管理及焊接技术
长江精工钢结构（集团）股份有限公司焊接技术研究所（绍兴县３１２０３０）
戴为志高
良
Ｏ前言
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
１４０
ｍｍ铸钢共有１９个规格，设计用钢
２
２００８年第７期
屋盖主结构的杆件均为箱型构件．其中，主桁架断面商度为１２ｍ，上坛杆截面
为１２００ｍｍ×１２００ｍｍ～１０００ｍｍ×ｌ０００
ｍｍ．下弦朴截面为１
０００ｍｍｘｌ２００ｍｍ
＾，８００ｍｍ×８００ｍｍ．腹杆截面基本为６００
ｍ×６００ｍｍ．土桁架沿洞口斜角交叉布
置。桁架柱为ｉ角形格构柱．每根格构柱
由两根１２００ｍｍ×１２００ｍｍ箱型外柱和
图ｌ国家体育场钢结构剖面施上示意图及内景
量为４．２万吨．实际用钢５．３万吨。
鸟巢工程存在大量复杂的焊接节点．板件的厚度较大。板件之间的相巨约束显
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
铸钢及其异种钢焊接技术；⑧防止冷、热裂纹技术；⑨层状撕裂
防止和处理技术；⑩特殊焊缝处理技术；⑥焊接机器人（ＦＣＡｗ—ＳＳ）焊接技术的பைடு நூலகம்用；⑧钢筋Ｔ形焊接接头压力埋弧焊新工艺；
＠复杂钢结构应力应变控制技术；⑩特殊钢结构合拢技术。
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网的试验研究，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Ｑ４６０Ｅ＋Ｑ４６０Ｅ
４
２００８年第７期
产生。
由于采用了远红外电加热技术，减少了厚钢板的温度差。因
此，也减少了不均匀加热和冷却所带来的附加应力，对提高厚板焊接质量十分有效。
同其他技术一样。在建筑钢结构焊接工程中。对中国工程界特别是广大的建筑钢结构施上单位而占．采用远红外电加热技术有一个认识过程，远红外电加热的突出优点将会被人们所认识、所接受．并发杨光大、开花结果。
厚板焊接的关键是防止焊接裂纹的产生．准确的预热、层间温度、后热温度是防止裂纹产生的关键．特别是厚板高强钢的焊接尤为重要。这是因为准确控制预热温度、层问温度和后热温度将直接影响和控制高强钢裂纹产生三要素：既扩散氢含量，硬淬倾向和拘束应力。
同火焰预热方式相比较．远红外电加热有：温度控制准确可靠，可以控制升、降温速度的优点。最重要的是，所有采用电加热的焊缝全部受热均匀，从而避免了火焰加热的不均匀同焊接过程中的不均匀叠加而产生附加应力，有效地防止了焊接裂纹的
４００
ＭＰａ，抗拉强度为５６０ＭＰａ。因此该材料在此焊接工艺条件
下对冷裂纹不敏感，具有良好的抗裂性。
（２）国产Ｑ４６０Ｅ—Ｚ３５钢在预热２００℃情况下采用焊条电弧焊。其插销冷裂纹试验的临界断裂应力为８５０ＭＰａ。该材料对冷裂纹不敏感。从该材料的力学性能试验结果可知，屈服应力
为４００ＭＰａ．抗拉强度为５６０ＭＰａ。凶此该材料在此焊接工艺条
（４）国产Ｑ４６０Ｅ钢的插销断裂应力随预热温度的增加呈线性增加．预热温度越高。临界断裂应力愈大。
３．２建筑钢结构厚板焊接技术
国家体育场“鸟巢”钢结构焊接Ｔ程采用了同原建筑钢结构焊接工程不完全一致的组合丁艺，提高了焊接效率，保证了焊接质最，为厚板焊接技术提供了有益的借鉴经验。
３．２．１
厚板焊接坡口的设计
筑钢结构首次使用，Ｑ３４５ＧＪＤ国内应用单位也小多，对上述钢材的热加下技术。
焊接１＝艺无成熟经验可借鉴。Ｑ４６０Ｅ—Ｚ３５
万方数据
厚板焊接技术应用研究（焊接性研究），目的是为Ｑ４６０Ｅ—Ｚ３５钢材焊接丁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的焊接施上，这项工作存在极大的风险和难度。
件下对冷裂纹不敏感，具有良好的抗裂性。
（３）国产Ｑ４６０Ｅ—Ｚ３５钢在预热２５０℃情况下采用焊条电弧焊，其插销冷裂纹试验的临界断裂应力为ｌ
０５０
ＭＰａ。该
材料对冷裂纹不敏感。从该材料的力学性能试验结果可知，屈服应力为４００ＭＰａ．抗拉强度为５６０ＭＰａ。因此该材料在此焊接工艺条件下对冷裂纹不敏感，具有良好的抗裂性。
应力和焊接变形难度很大。
犀盖主结构属丁大型大跨度空问结构．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
一根１２００ｍｍ×１２００ｍｍ菱形内柱组成．腹杆截面为ｌ０００Ｊ１１ｍ×１
２００Ｉｍ。桁
架柱上端大、下端小．上端与主桁架相连，下端埋人钢筋混凝土承台内，并将屋盖荷载传至地基．如图１所示。
３．２．３组合焊接新工艺
在厚板焊接中，常规焊接是一种焊接方式从打底、填充、到盖面全部完成，这种方式由于管理简便而大面积使用。然而，这种方式有它的局限性。以ＧＭＡＷ为例．在厚板打底焊接中，由于坡口小、焊丝伸出过长、气体保护不好而使焊缝金属产生不应有的缺陷造成返工．产生直接经济损失。国家体育场“鸟巢”钢结构焊接Ｔ程创造的组合焊接新工艺成功地解决了这一难题。
（７）“鸟巢”钢结构焊接Ｔ程合拢难关。在“鸟巢”建筑钢结构首次提出“合拢”概念．丰富和发展了建筑钢结构焊接应用技术理论，无论是理论和实践都证明，“合拢”肯定是一场攻坚战。
为了攻克上述难关．在焊接应用技术理论的指导卜．采用了１４项焊接技术，具体如下：①Ｑ４６０—ｚ３５焊接性试验研究新技术；②大规模采用电加热预（后）热技术；（萤厚板采用ｓＭＡｗ—ＧＭＡｗ—ＦｃＡｗ—Ｇ复合新上艺技术；④大面积采用仰焊技术；（ｐＧＭＡｗ，ＦｃＡｗ—Ｇ大流量防风技术；⑥钢结构低温焊接技术；（Ｄ
“鸟巢”钢结构焊接下程一开始就以全面质量管理思想为核心，指导整个焊接工程的顺利进行。在进行技术准备时．首先建立了国家体育场“鸟巢”钢结构焊接丁程质量保证体系。采用了ＴＱＣ的基本思想，以提高焊缝质量、保证厚板焊缝一次合格率１００％为目标，运用系统管理的概念和方法，把国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程的各个阶段、各个环节、每个管理人员和焊工的质量管理职能和质量管理意识以及实际操作Ｔ序有机、合理地组织起来，形成一个有明确任务、职责、权限，而又瓦相协调、互相促进的团结的整体，从而顺利完成国家体育场“鸟巢”钢结构焊接上程的全部焊接工作。
中间开洞长度为１８５．３ｍ，宽度为１２７．５
ｍ。
１
国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程
概述
国家体育场“鸟巢”所用钢材全部国产化。当钢板６＝３４ｍｍ时采用Ｑ３４５钢材：、当钢板厚３６
ｍｍ≤占≤１００
ｍｍ时采
用０３４５（ｕＤ钢材；当钢板厚度６＝１１０ｍｍ
时采片ｊＱ４６０Ｅ—Ｚ３５钢材。主桁架转换部分采用ＧＳ２０Ｍｎ５ｖ铸钢节点。钢材从８～
对焊接工程而言存在十大难关，主要有以下七大难关：（１）Ｑ４印Ｅ－Ｚ３５焊接性试验难关。包括同ＣＳ砌ｕｎ５Ｖ，Ｑ３４５，Ｑ３４５ＧＪＤ异种钢材的焊接。要破这道难关不仅需要勇气和胆识，而且需要冷静的科学头脑和扎实的业务基本功，敢于承担风险。
（２）组建焊接铁军难关。任何优秀的方案、良好的愿望、都要通过焊工去实现、去完成；而当年合格焊工“杯水车薪”，焊Ｔ队伍的组建成为“鸟巢”钢结构焊接工程的第一个看似简单而难度极高难关。
（３）应力应变控制难关。由于结构过于复杂，造成“设计难、制图难、制作施工更难”的严峻局面．包括建筑钢结构焊接热裂纹、冷裂纹、层状撕裂的预防和处理。尤其是难度极大的柱脚拼装，主、辅结构应力应变的控制，以及合拢和卸载的高标准严要术。应力应变成为了焊接丁程的第二个拦路虎。
（４）焊接工艺评定难关。“鸟巢”钢结构焊接工程涉及六大钢种、十九个规格，从８～１１０ｍｍ包含ｉ种异种钢材的厚板焊接工艺；其工艺评定不仅难度高而且工作量相当大，要准确快速完成焊接工艺评定不足简而易行的事。
由于厚板焊接工程蜃大、难度高，技术界十分重视坡口的设
计。坡口小易形成窄而深的形式，焊缝成形系数偏小，影响一次结晶，容易产生区域偏析，在拘束应力大的前提下进而导致焊接热裂纹的产生。
坡口加大，不仅仅焊接量大大增加，焊缝的焊接残余应力也大大增加。这对钢结构体系初始应力的控制极其不利，同时也影响工程工期。
国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程中．经过大量的试验研究，确定坡口角度为３０ｏ～３５０，间隙为６～１０ｍｍ，工程实践和工艺评定结果证明了这一坡口角度的科学性、合理性。３．２２预热、后热采用远红外电加热技术
（５）低温焊接难关。由合拢温度的要求，“鸟巢”钢结构焊接必须经历一个冬天．于是涉及到了焊接界最关心的低温焊接问题，钢结构负温焊接在焊接界一直没有定论，均在两可之间．现行各国的技术标准没有统一的说法，无经验可以照搬。因此低温焊接工艺不仅要求在实践卜有所建树、而且在标准和理论上应该有所突破，其难度显而易见。
（０、Ｈ、Ｖ、６＝１１０ｍｍ）、Ｑ４６０Ｅ＋ＱＢ４５ＧＪＤ（０、Ｈ、Ｖ、掂１１０ｍｍ，
１００
ｍｍ）、Ｑ４６０Ｅ＋ＣＳ２０Ｍｎ５Ｖ（０、Ｈ、Ｖ、６＝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、Ｑ３４５ｃＪＤ钢的冬季焊接试验共２４项，在工程尾声，还进行了特殊焊缝的试验，所有试验全部按期完成，试验结果准确可靠，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到了决定性的作用。