鸟巢钢结构工程介绍

1国家体育场钢结构制作与施工技术简介以人为本、科技为先长江精工钢结构(集团)股份有限公司CHANGJIANG&JINGGONGSTEELSTRUCTURE(GROUP)CO.,LTD2前言建筑界的老师、同行和朋友们：国家体育场钢结构现已完成施工总量的80%，外形初见设计雏形。鸟巢的确是一幅充满想像力的经典建筑艺术作品，将这件艺术品用结构技术表达出来，建筑设计院的结构设计师作了极大的努力和大量的结构计算工作。2005年5月25日审批后的设计施工图正式提交，将施工图深化为加工制作图，材料采购、加工、制作、运输现场拼装、吊装、焊接等一系列紧张有序的工作，一步步将设计变为现实的建筑实体。呈现在我们的面前的作品现在言成功还为时过早，但相信一定会成功，一定会成为我国工程建筑界的一颗璀璨明珠。借此机会，我代表长江精工钢构集团，作钢结构制作与施工技术简介。3一、工程概况国家体育场工程位于北辰东路西侧奥林匹克公园中心区南部。是北京2008年奥运会的主会场。建筑造型呈椭圆的马鞍形，外壳由钢结构有序编织成“鸟巢”状独特的建筑造型，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㎡。45国家体育场水立方会议中心国家体育馆67国家体育场整体模型图8体育场内部效果91011国家体育场空间钢结构由24榀门式钢桁架围绕着体育场内部碗状看台区旋转而成，钢结构屋盖呈双曲面马鞍型，设计用钢量4.2万吨。屋顶主结构均为箱型截面，上弦杆截面基本为1000mm×1000mm，下弦杆截面基本为800mm×800mm，腹杆截面基本为600mm×600mm，腹杆与上下弦杆相贯。竖向由24根组合钢柱形成整体承重结构，每根组合钢柱由两根1200mm×1200mm的弯扭箱型钢柱形成外柱和一根菱形钢内柱组成，荷载通过它们传递至基础。立面次结构截面基本为1200mm×1000mm，顶面次结构截面基本为1000mm×1000mm。12工程特点1、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、全熔透焊缝全部为一级焊缝；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”金奖、国优“鲁班奖”。1、2006年8月主结构合拢（实际合扰完成时间8月31日）2、2006年9月17日完成钢结构支撑塔架卸载；3、2006年11月钢结构工程竣工；4、2007年底全部工程竣工。13二、主要设计参数长度（南北向）332.3米，宽度（东西向）297.3米，屋盖中间开洞长度为185.3m，宽度为127.5m。高度：钢屋盖顶最高点高度68.5m,最低点高度40.1m，混凝土看台部分高度51.1米/29米，地下7.1米。内部看台分上、中、下三层。楼层数：东西向7层，南北向4层。层高分别为：地下3.6，3.6（-1夹层），地上7.2，4.8，4.8，4.8，4.2，2.8m14钢板厚度：主结构最大厚度110mm。当厚度≤34mm时，采用Q345D钢材；当厚度≥36mm时，采用Q345GJ钢材；特殊高应力部位（部分内柱）采用Q460E-Z35。厚度分布：组合钢柱：除少量棱形柱底部和顶部为90-110mm，其余为50-80mm，另外两根方形斜柱板厚绝大多数为30、25、20mm。桁架上弦杆：个别段为50mm外，其余均在40mm以下，大多数为30、25、20mm。桁架下弦杆：个别段为50、42mm外，其余绝大多数为20mm。腹杆：20、14、10mm，多数为10mm。次结构：板厚最大36mm，绝大部分为20mm以下。以人为本、科技为先15以人为本、科技为先冲击性能要求Z向性能要求钢板厚度(mm)T＜4040≤t≤6060＜t≤90t＞90Z向要求--Z15Z25Z35钢材牌号主结构次结构Q345、Q345GJD级，-20℃时AK≥34JC级，0℃时AK≥34JQ460E级，-40℃时AK≥34J----钢材性能16以人为本、科技为先173号核心筒4号核心筒2号核心筒1号核心筒5号核心筒6号核心筒10号核心筒9号核心筒11号核心筒12号核心筒8号核心筒7号核心筒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体育场典型平面布置图18三、钢结构加工制作与施工技术以人为本、科技为先（一）焊接技术（二）加工制作1.重型钢结构柱脚制作技术2.巨型桁架柱制作技术3.弯扭构件制作技术4.大跨度巨型空间桁架制作技术（三）拼装与安装1.立柱构件预拼装2.主结构吊装3.次结构吊装4.测量技术191.焊接变形与残余应力控制(1)厚板对接焊缝的残余能量以焊缝的收缩变形和焊接残余应力的形式存在于焊缝和热影响区中；因此控制焊接变形及焊接残余应力必须综合治理。实践证明：焊接应力及残余应力同时存在于同一焊件之中，既相辅相成又可以相互转换，(2)当焊接变形（收缩量）完全实现时，焊接残余应力是一个非常小的安全值；当焊接变形因约束不能实现时，对接焊缝的两端会产生极大的拉应力场；拉应力场的大小完全取决于焊缝横截面积的大小。(3)鸟巢采用减少固定焊缝的焊肉截面积和采用能量密度相对较高的焊接方法（如熔化极气体保护焊和药芯焊丝自保护焊等），并采用较小的热输入（即小线能量E），以达到控制焊接残余应力的目的。以人为本、科技为先（一）焊接技术20根据焊接应用技术理论，在高约束条件和冶金反应不充分的前提下，焊缝金属极易在焊缝中部形成偏析，当约束超过偏析部分所存在的抗拉能力时，结晶将受到极大影响，沿晶界开裂而形成裂纹。国家体育场钢结构基本属于高约束条件焊接，我们采用对称施焊的原则，开发了一套控制热裂纹的焊接工艺，获得了成功。以人为本、科技为先2.高拘束条件下焊接热裂纹控制技术的应用21按照焊接技术应用理论，我们从坡口控制、预热规范的控制、焊接规范的控制，层间温度的控制、后热温度的控制着手，严格按焊接工艺规程执行，以厚板焊接控制层状撕裂为主攻方向，严格控制氢致裂纹的产生而获得了成功。从目前为止，我们没有发现一例冷裂纹和延迟裂纹的产生。以人为本、科技为先3.高拘束条件下控制冷裂纹技术的应用22焊接性试验(1).焊接冷裂纹敏感性试验①焊接冷裂纹敏感性分析②热影响区最高硬度试验③斜Y坡口焊接裂纹试验试验结果：常温不预热焊接，在焊缝根部均出现裂纹，预热到100度以上时，绝大部分试验焊缝中心及热影响区未出现裂纹，其他短裂纹均出现在收弧弧坑处或焊缝中段。预热温度150℃及以上试验焊缝中心及热影响区均未出现裂纹，选用焊接材料在正常线能量下、预热温度150℃及以上小铁研试验结果好。以人为本、科技为先4.高强超厚钢板焊接技术——Q460E高强度结构钢的焊接试验和焊接工艺23(2).层状撕裂问题①层状撕裂危险性分析②层状撕裂敏感性试验--Z向窗口试验产生层状撕裂主要是取决于钢材的材质，而本工程所选用的钢板其性能上满足Z35要求，实测钢材的ΦZ值均在50左右，因此，该钢材具有比较好的抗层状撕裂性能。以人为本、科技为先24高强度特厚铸钢件的焊接难度较大，按照焊接性试验----焊接工艺评定----焊接规程制定与执行的程序进行，原则上拟采取以下措施：提高焊接预热温度，焊后保温缓冷，冬季低温时焊后要立即重新加热到一定温度并定时保温；选用低温韧性好的焊材，如E50焊条，ER50-6、ER50-7焊丝；采用两对边同时施焊并分段多人同时退焊的顺序，以减小峰值应力、防止裂纹产生。以人为本、科技为先5.铸钢件焊接技术256.大规模采用仰焊技术本工程中，我们通过焊接工艺评定试验制定出科学合理的焊接规范，仰焊试板的超声波探伤一次合格率为100％，试件力学指标也好于立焊焊缝；在实际操作方面，通过对焊工进行强化培训，规范操作手法，强化体能训练，为大规模应用仰焊技术提供了技术支持。经统计，鸟巢钢结构采用仰焊技术占焊缝总长约为1/5，目前为止，已完成的仰焊缝返工率极低。以人为本、科技为先26国家体育场工程进行焊接工艺评定的钢种组合有：（1）Q345＋Q345（2）Q345＋Q345DGJ（3）Q345DGJ＋Q345DGJ（4）Q460E（5）Q345DGJ＋Q460E（6）Q460E＋GS-20Mn5V以人为本、科技为先7.焊接工艺评定27以人为本、科技为先(1)焊接工程的总体思路先主后次，先大后小，高能密度，较小输入，分段跳焊，锤击焊缝，应变适当，工程全优。(2)合拢段焊缝的变形及应力控制措施在屋顶整体焊接顺序中，最后两组（条）焊缝是合拢段焊缝，是整个工程的关键焊缝，关系到工程的成败。8.焊接顺序选择281.重型钢结构柱脚制作技术⑴装配工艺及隐蔽焊缝处理由于柱脚为复杂结构，既有箱型截面，又有斜T型截面，又有多边形截面，并且，箱体节点内部横、纵向隔板较多，其外形尺寸达5384*4755*6250，吨位达162吨，柱脚节点整体组装后，无法满足运输条件，因此，考虑了柱脚分段，如下图所示：以人为本、科技为先（二）加工制作技术29⑵预拼装工艺控制根据柱脚部分的结构形式，为保证现场的顺利安装，减少现场对构件的安装调整时间，同时保证构件的拼装精度，对出厂的构件进行了厂内预拼装。C14柱脚预拼装工艺流程以人为本、科技为先30C14柱脚预拼装的相关施工图片：C14-1，2的整体拼装预拼装完毕以人为本、科技为先31⑴桁架柱装配工艺及隐蔽焊缝的处理菱形内柱属于组合钢柱的一部分，整根钢柱截面均为菱形状，菱形内柱和外柱之间有许多腹杆，特别是菱形内柱下柱顶节点处，杆件交汇数量非常集中，有10余根腹杆相交，并且钢板厚度较大，制作难度非常大如下图所示：以人为本、科技为先2.巨型桁架柱制作技术32(2)牛腿的预拼装：考虑到钢柱上由于大型牛腿的存在，其外形尺寸已超过了公路运输的能力，因此，对部分牛腿采取工厂组焊，并由现场进行装配的措施，因此，发现场牛腿在出厂前必须进行厂内预拼装。首先，根据图纸划出钢柱中心线和待拼装牛腿的定位中心线，根据图纸尺寸要求确定并预拼牛腿，预拼完毕后划出牛腿（现场焊接）与菱形内柱本体之间分段定位组装对合线，并用样冲眼进行标识作为现场组装定位的基准，如下图所示：33相关的施工图片：以人为本、科技为先34(3)组合钢柱的预拼装：根据桁架柱部分的结构形式，为保证现场的顺利安装，减少现场对构件的安装调整时间，同时保证构件的拼装精度，对出厂的首批构件进行了厂内预拼装，组合钢柱预拼装的范围如下图所示：预拼装的范围以人为本、科技为先35吊装内柱第一段IC13-1（34687kg）安装A柱侧腹杆D13A-7，B柱侧腹杆D13B-8，7，6。将内柱第二段IC13-2（34194kg）吊装到位吊装第三段内柱IC13-3（4487