城建一公司国家体育场项目经理部阳光QC小组

中国学术会议在线国家体育场（鸟巢）钢结构安装工程焊接质量控制的有效途径发言人：戴为志中国学术会议在线前言前言国家体育场（鸟巢）钢结构工程具有十分强烈的吸引力和挑战性，独特的全焊接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工序——焊接，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，强大的压力油然而生。中国学术会议在线所幸的是随着时间的推移，鸟巢的焊接工作在各级领导、专家的关怀下逐渐进入正轨，在工程中取得一定的成绩；在此，我们仅目前取得的钢结构现场安装焊缝100％超声波检测，一次合格率大于99％，第三方抽查合格率100％的优异成绩来回报社会各界对“鸟巢”钢构工程的关心和厚爱。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。中国学术会议在线工程概况建筑造型呈椭圆的马鞍形，内部三层碗状看台下为四～七层混凝土框架结构。奥运会期间可容纳观众9.1万人。工程占地面积20.4公顷，总建筑面积约25.8万㎡。国家体育场钢结构工程由24榀门式桁架围绕着体育场内部碗状看台区旋转而成，其中22榀贯通或基本贯通。结构组件相互支撑、形成网格状构架，组成体育场整体的“鸟巢”造型。中国学术会议在线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1200mm×1200mm～1000mm×1000mm，下弦杆截面为1000mm×1200mm～800mm×800mm，腹杆截面基本为600mm×600mm。桁架柱为三角形格构柱，每根格构柱由两根1200mm×1200mm箱型外柱和一根1200mm×1200mm菱形内柱组成，腹杆截面为1000mm×1200mm。中国学术会议在线、是国内规模最大的全焊接异型空间钢结构工程；2、结构十分复杂，应力应变状态难以控制；3、现场厚板焊接工程量达6000米，是国家体育场钢结构安装工程中的一大难点，是制约钢结构工程工期的主要因素之一。质量要求工期要求1、全部为全熔透一级焊缝；2、焊缝余高0～1mm（打磨），焊缝成形均匀美观；3、北京市结构“长城杯”金杯、国优“鲁班奖”。1、2006年7月主结构合拢；2、2006年10月钢结构工程竣工；3、2007年底工程竣工。中国学术会议在线安装方案介绍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。中国学术会议在线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。中国学术会议在线本工程采用了以制作为基础，安装为主线路，拼装、涂装、支撑塔架制作安装等工序齐头并进的网络计划，目的是在保证工程质量的前提下尽量缩短工期。中国学术会议在线、锚固柱。2、桁架柱脚。3、桁架柱。4、柱桁架。5、立面次结构。6、顶面次结构。7、楼梯、马道及其它。锚固柱过渡板加工土建混凝土配合施工（含埋件）基础验收支撑塔架制作（现场）锚固柱安装验收NDT验收NDTNDTNDTNDTNDTNDT下桁架柱拼装主桁架拼装上桁架柱拼装上桁架柱安装下桁架柱安装主桁架安装立面次结构安装NDT立面次结构拼装NDT支撑塔架安装验收国家体育场钢结构工程安装流程图卸载塔架拆除NDT顶面次结构安装顶面次结构拼装NDT膜结构安装桁架柱脚安装桁架柱脚拼装NDTNDT涂装NYNYYNYNYNYNYNNYNNNNYYYYNDTNYYNNYYN中国学术会议在线吨;本工程共涉及6种钢材：Q345C、Q345D、Q345GJC、Q345GJD、Q460E、GS-20Mn5V。本工程采用的钢板规格从12mm～110mm，厚度大于42mm的占总用钢量的24％，达10800吨，其中100、110mm厚钢板为国内建筑用钢中首次采用的Q460E。3%21%33%43%t≥10042≤t10020≤t42t20中国学术会议在线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。特别是桁架柱柱脚结构复杂，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。2.2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。中国学术会议在线次结构安装难度大于主结构，焊缝分布无规律可言，应力状态也是十分复杂。2.4Q460E-Z35δ＝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（可焊性试验），目的是为Q460E-Z35钢材焊接工艺的合理选择与评定提供科学依据，以指导本工程Q460E-Z35的焊接施工；这项工作存在极大的风险和难度。中国学术会议在线桁架柱、主桁架、次结构现场安装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，质量要求相当高，政治影响也很大。2.6钢结构安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)。中国学术会议在线工程中进行了多项焊接技术试验研究：首先进行了Q460E-Z35焊接性试验及焊接技术的应用研究，主要包括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Q460E+Q460E(O、H、V、δ＝110mm)、Q460E+Q345GJD(O、H、V、δ＝110mm,100mm)、Q460E+GS20Mn5V(O、H、V、δ＝110mm)的焊接工艺评定23项；中国学术会议在线、Q345、GS20Mn5V等钢材，分别根据焊接技术、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161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钢的低温焊接试验共24项。所有试验全部按预期目标完成，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。中国学术会议在线全员、全面、全过程抓好影响焊接质量的“人、机、料、法、环”五要素经验证明：TQC思想对焊接质量的控制是十分贴切而且有效的，始终应用TQC的基本思想，控制影响焊接的五要素是焊接工艺成功实施的基本保证，确保焊接工作有序进行的根本。3.1分析十九项焊接质量管理要素同焊接十一项缺陷的关系，从中找出质量管理的重点和技术路线的关键线路。中国学术会议在线◎◎◎□□下雪（冬施）◎◎◎□□下雨◎◎□□风力过大环○◎◎◎焊接技术选择◎◎◎◎◎□○◎◎◎焊接规范○◎◎○◎◎◎◎◎焊工运条方法◎◎○○预热、后热◎◎◎坡口清理◎◎◎◎○坡口组装尺寸○◎接头形式法◎◎焊接材料发放○◎○焊接材料保管○◎◎焊接材料选择料○○○○辅机○◎◎○电焊机的选择机◎□◎◎◎◎◎○◎◎◎◎电焊工○◎○○现场预热、后热人员○◎○○○○○◎○○○○现场焊接工程师◎◎现场管理人员人裂纹咬边焊瘤焊缝成形不好余高过大电弧擦伤形变气孔未焊透未熔合夹渣现场管理重点常见焊接缺陷质量管理因素◎强相关，有很大关系○弱相关，有一定关系□有影响质量管理因素同焊缝缺陷的关系中国学术会议在线有针对性地组建焊接质量保证体系，从组织上确保焊接质量。质量管理的核心是形成了专家顾问、焊接工程师、焊接技师及相关专业人员相结合的技术组织形态，以焊工培训、焊材、焊机的选择为基础，以控制焊接裂纹为主导的焊接技术路线，从方案编制、无损检测、预热后热等质量控制环节上形成了一条科学严密的质量保证体系。中国学术会议在线本工程质量保证体系有六个重点：（1）第一次把焊机、焊材厂家作为质量保证体系中的重要闭环控制环节，形成了社会大协作的局面。针对工程特点，为确保工程质量，本工程所用的焊机和焊材在国内同类产品中间进行了有针对性的选择，通过同厂家、实际操作者沟通、多次工艺试验比较，最终选定了设备和材料。中国学术会议在线通过选择试验，确定了CL-500型CO2气体保护焊机，该焊机能够实现大流量防风的技术要求，可以提供70米和50米加长线缆，适应了高空户外气体保护焊的大规模应用要求。同时也选择了ZX-500、ZX-400逆变焊条电弧焊机，部分排除了因焊机而产生焊接缺陷的机率。在焊接材料的选择上，以满足焊缝金属强韧性要求为指标，通过调整焊缝金属的微合金化的程度，同焊接规范相配合使焊缝金属产生针状铁素体而获得理想的焊缝强韧性，从而取得焊接工艺评定试验的成功，确保工程实体质量。通过初步筛选，本安装工程共选用了四种电焊条、三种实芯焊丝、三种药芯焊丝，并通过工艺试验作为现场指定焊接材料。详见下表中国学术会议在线Φ＝1.2㎜JM58Φ＝1.2㎜CHE507RHΦ＝4㎜、Φ＝3.2㎜Q345GJD+GS20Mn5VTWE711Φ＝1.2㎜JM58Φ＝1.2㎜CHE507RHΦ＝4㎜、Φ＝3.2㎜Q460E-Z35+GS2OMn5VTWE711Φ＝1.2㎜JM56、JM58Φ＝1.2㎜CHE507CHE427RHΦ＝4㎜、Φ＝3.2㎜Q345GJD、Q345DQ345CQ345GJD+Q460E-Z35TWE811Ni1、TWE-81K1Φ＝1.2㎜JM68Φ＝1.2㎜CHE557Φ＝4㎜Q460E-Z35FCAW-GGMAWSMAW钢材