国家体育场鸟巢工程钢结构加工制作介绍

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.,LTD,2,工程概况,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，南北向结构高度为40.746m，东西向结构高度为67.122m。屋顶主结构均为箱型截面，上弦杆截面基本为1000mm1000mm，下弦杆截面基本为800mm800mm，腹杆截面基本为600mm600mm，腹杆与上下弦杆相贯，屋顶矢高为12.000m。竖向由24根组合钢柱形成支撑，每根组合钢柱由两根1200mm1200mm的弯扭箱型钢柱和一根菱形钢柱组成，荷载通过它们传递至基础。立面次结构截面基本为1200mm1000mm，顶面次结构截面基本为1000mm1000mm。,以人为本、科技为先,3,钢板厚度：最大厚度100mm。当厚度34mm时，采用Q345钢材；当厚度36mm时，采用Q345GJ钢材；少量厚钢板采用Q460、S460ML钢材。厚度分布：组合钢柱：除少量棱形柱底部和顶部为90100mm，其余为5080mm，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,工程概况,4,以人为本、科技为先,冲击性能要求,Z向性能要求,钢材性能,工程概况,5,鸟巢的关键技术问题焊接,一、焊接关键技术；.焊接变形与残余应力控制.高拘束条件下焊接热裂纹控制技术的应用.高拘束条件下控制冷裂纹技术的应用.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研究；.铸钢件焊接技术.焊接工艺评定1、大规模异种钢材、高强钢材、铸钢件的焊接2、大规模低温焊接的实施3、焊接坡口的形式与尺寸确定4、焊材匹配与选用.焊接顺序选择,以人为本、科技为先,6,鸟巢的关键技术问题加工制作,二、加工制作关键技术.重型钢结构柱脚制作技术.无模成型工艺技术.巨型桁架柱制作技术.弯扭构件制作技术.大跨度巨型空间桁架制作技术,以人为本、科技为先,7,鸟巢的关键技术问题拼装与安装,三、拼装、安装关键技术.立柱构件预拼装.主结构吊装.次结构吊装.测量技术.卸载技术,以人为本、科技为先,8,.焊接变形与残余应力控制1、角焊缝不是主要受力焊缝，控制焊接残余应力大小的关键是控制焊缝的最小焊脚尺寸。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HAZ之中；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,焊接技术,9,.高拘束条件下焊接热裂纹控制技术的应用根据焊接应用技术理论，在高约束条件下和冶金反应不充分的前提，焊缝金属极易在焊缝中部形成偏夕，当约束超过偏夕部分所存在的抗拉能力时，结晶将收到极大影响，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,焊接技术,10,.高拘束条件下控制冷裂纹技术的应用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,焊接技术,11,.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1.焊接性试验.焊接冷裂纹敏感性试验.层状撕裂问题分析2.焊接工艺评定试验,以人为本、科技为先,焊接技术,12,焊接性试验(1).焊接冷裂纹敏感性试验a.焊接冷裂纹敏感性分析b.热影响区最高硬度试验c.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,焊接技术,13,.层状撕裂问题分析：a.层状撕裂危险性分析b.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Z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,焊接技术,14,.铸钢件焊接技术,以人为本、科技为先,焊接技术,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、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。,15,.焊接工艺评定1、大规模异种钢材、高强钢材、铸钢件的焊接2、大规模低温焊接的实施3、焊接坡口的形式与尺寸确定4、焊材匹配与选用,以人为本、科技为先,国家体育场工程进行焊接工艺评定的钢种组合有：（1）Q345Q345（2）Q345DGJQ345DGJ（3）Q345CGJQ345CGJ（4）Q460Q460（5）S460MLS460ML（6）GS16Mn5Q345CGJ（7）GS20Mn5Q345CGJ（8）Q460GS20Mn5（9）S460mlGS20Mn5（10）GS20Mn5Q345DGJ（11）GS16Mn5Q345DGJ（12）Q345MLO,焊接技术,16,以人为本、科技为先,焊接技术,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。,.焊接顺序选择,17,1.重型钢结构柱脚制作技术.装配工艺及隐蔽焊缝处理；.预拼装技术；,以人为本、科技为先,加工制作技术,18,.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,加工制作技术,19,.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,加工制作技术,20,C14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,加工制作技术,21,2.无模成型工艺技术.无模多点成形的成形原理.无模多点成形与模具成形的比较.无模多点成形系统的基本构成.无模多点成形模具成形过程.无模成形的计算机曲面造型.国家体育场无模多点成形设备主要技术参数.国家体育场无模多点成形工艺参数.无模多点成形实际操作的照片,以人为本、科技为先,加工制作技术,22,.无模多点成型的原理无模多点成形就是将多点成形技术和计算机技术结合为一体的先进制造技术，实际上是一种数控模具成形。多点成形是金属板材三维曲面成形的新技术，其原理是将传统的整体模具离散成一系列规则排列、高度可调的冲头。在整体模具成形中，板材由模具曲面来成形，而多点成形则通过对各基本体运动的实时控制，自由地构造出成形面，实现板材的三维曲面成形。它是对三维曲面类板件传统生产方式的重大创新。如下图所示。,以人为本、科技为先,加工制作技术,23,.模具整体成型与无模多点成型的比较各冲头的行程可分别调节，改变各冲头的位置就改变字成形曲面，也就是相当于重新构造了成形模具，体现了多点成形的柔性特点；而整体模具的造型单一，需一种产品一种模具。,整体模具成形,多点成形,以人为本、科技为先,加工制作技术,24,.无模多点成型的基本构成调节上、下冲头行程有一套专门的调整机构，而板材成形又需要一套加载机构，以上、下冲头及这两种机构为核心就构成了多点成形压力机。该套多点成形设备由三大部分组成，即CAD软件系统、控制系统及多点成形主机，如图2所示。CAD软系统根据要求的成形件的目标形状进行几何造型、成形工艺计算。将数据文件传给控制系统，控制系统根据这些数据控制冲头的调整机构，从而构造出成形面，然后控制加载机构成形出所需的零件产品。,CAD软件系统,计算机控制系统,多点成形主机,成形件,多点成形系统的基本构成,以人为本、科技为先,加工制作技术,25,.无模多点成型模具的成型过程该套多点成形设备的主要成形方法是：成形前把冲头调整到所需的适当位置，使各冲头形成构件曲面的包络面。在成形过程中各冲头间无相运动。如下图所示。,（a）成形开始（b）成形过程中（c）成形结束,无模多点成形模具成形过程,以人为本、科技为先,加工制作技术,26,.无模成型的计算机曲面造型.打开多点成形CAD-CAM软件，并输入工件名称、曲面造型方法、板厚及回弹系数。,以人为本、科技为先,加工制作技术,27,以人为本、科技为先,.根据加工图确定坐标总点数,加工制作技术,28,.将弯扭板件的三维空间坐标拷贝至多点成形CAD-CAM软件。,以人为本、科技为先,加工制作技术,29,.弯扭板件三维造型,以人为本、科技为先,加工制作技术,30,.国家体育场无模多点成形设备主要技术参数,压力机,模具,输送装置,以人为本、科技为先,加工制作技术,31,.国家体育场无模多点成形工艺参数,以人为本、科技为先,加工制作技术,32,相关的图片,无模多点成形设备,无模多点送料装置,以人为本、科技为先,加工制作技术,33,无模成形计算机调形,无模成形调形后,板件的输入,板件的压制,板件弯扭成型后,弯扭板件的装配,以人为本、科技为先,加工制作技术,34,3.巨型桁架柱制作技术.桁架柱装配工艺及隐蔽焊缝的处理.桁架柱预拼装技术；,以人为本、科技为先,加工制作技术,35,.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,加工制作技术,36,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：,以人为本、科技为先,加工制作技术,37,相关的施工图片：,以人为本、科技为先,加工制作技术,38,.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,加工制作技术,39,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（44871kg）,以人为本、科技为先,加工制作技术,40,相关的施工图片：,以人为本、科技为先,加工制作技术,41,4.弯扭构件制作技术.弯扭构件的特点；.弯扭构件的变形控制；.弯扭构件组装的工艺流程；.弯扭构件的测量技术；,以人为本、科技为先,加工制作技术,42,以人为本、科技为先,.弯扭构件的特点.外柱弯扭构件：a.箱型截面较大（1200 x1200mm），板较厚（最厚达60mm）。b.焊缝均为全熔透焊缝，焊接量大，变形难以控制；c.空间定位困难，构件测量较难；.次结构弯扭构件：a.箱型截面由800mm1200mm，板较薄（最薄为10mm）。b.由于板较薄，筋板数量多，焊接变形较大，并且难以校正；c.节点处杆件相互贯穿，焊接空间较小。d.空间定位困难，构件测量较难,加工制作技术,43,.弯扭构件的变形控制：弯扭构件的变形控制是制作当中非常重要的一个环节，其变形主要由以下几个方面来控制：.弯扭板件的下料、坡口：.弯扭板件的成形控制：.弯扭箱形构件的组装：.焊接过程中弯扭构件变形控制：,以人为本、科技为先,加工制作技术,44,腹板组装,上翼板组装,牛腿组装,牛腿组装,以人为本、科技为先,加工制作技术,45,.弯扭构件的测量：由于弯扭构件结构比较复杂，在构件的长度方向上，每一点的X、Y、Z坐标都在变化发生变化，因此，弯扭构件的测量在整个制作过程中是非常重要的关键环节，在对弯扭构件的测量手段上主要采用两种方法，一是采用全站仪，二是传统的尺寸与坐标相配合人工检验。采用全站仪尤其适合弯扭构件等的大型构件的测量，它无需建立任何固定的坐标系统，并可以在任意坐标系之间即时转换数据得到所需坐标；再将现场测量值与设计值实时进行数据对比，就可给出偏差值，非常方便。,以人为本、科技为先,加工制作技术,46,人工测量检验主要侧重于过程当中的检验，依据图纸给定的空间坐标对弯扭构件在箱体组立、焊接及牛腿装配焊接完毕后进行相关点的尺寸及坐标测量。,组立过程中的测量,牛腿装配过程中的测量,以人为本、科技为先,加工制作技术,47,以人为本、科技为先,加工制作技术,48,5.大跨度巨型空间桁架制作技术.桁架节点的特点及制作的难度；.典型桁架节点装配的工艺流程；.桁架节点的测量技术；,以人为本、科技为先,加工制作技术,49,.桁架节点的特点及制作的难度：.节点种类较多，存在单K型、双K型及小夹角类型的节点。.弦杆相交部分，在箱体内部设置了X形加劲肋，造成箱体内部焊接将比较困难。.节点内部结构比较复杂，横、纵向隔板较多，焊缝质量要求高，焊接变形较大。.弦杆节点两端存在扭曲过渡段，其加工精度将直接关系到节点的整体制作精度。.节点与腹杆连接的四个牛腿均为空间位置，尺寸精度控制较难。,小夹角节点,双K型节点,单K型十字节点,单K型典型节点,以人为本、科技为先,加工制作技术,50,以人为本、科技为先,.典型桁架节点的装配工艺流程：,板材对接,胎架设置,隔板位置划线,翼板上胎架,隔板的装配,腹板的装配焊接,加工制作技术,51,以人为本、科技为先,十字劲板的组装焊接,上翼板的组装,焊接顺序示意图,次结构牛腿的装配,加工制作技术,52,牛腿的装配焊接,十字劲板与翼板间的焊接,牛腿的立焊缝,牛腿的平焊缝,以人为本、科技为先,加工制作技术,53,以人为本、科技为先,.桁架节点的测量：与弯扭构件相类似，桁架节点的控制点也均为空间控制点，因此，节点的测量手段主要采用采用全站仪及传统的尺寸与坐标相配合的激光经纬仪人工检验，主要以传统做法为主。依据图纸给定的空间坐标对节点构件在组立、焊接及牛腿装配焊接完毕后进行相关点的尺寸及坐标测量。,节点本体的坐标控制,节点本体相关尺寸检验,牛腿控制坐标检验,加工制作技术,54,以人为本、科技为先,加工制作技术,55,立柱构件预拼装,以人为本、科技为先,拼装、安装技术,1、立外柱胎架在地平面上划出桁架柱外柱和内柱的轮廓投影线，按照外柱的轮廓线在地平面上立好支撑胎架，并焊接胎架与埋件之间的焊缝，用全站仪或水准仪测量胎架上与外柱表面接触部位的标高和平面位置，焊上垫块和挡块。具体见下图：,56,立柱构件预拼装,以人为本、科技为先,拼装、安装技术,2、外柱的拼装将最下段柱摆放在胎架上，为确保下端口的位置尺寸，应在端口位置设置定位装置（具体见下图），调节构件的位置，使其与胎架上的定位块接触，然后测量，合格后再摆放下一段，再测量、摆放，直到下段柱的外柱全部定位到位。然后拼装外柱之间的杆件。,57,立柱构件预拼装,以人为本、科技为先,拼装、安装技术,58,立柱构件预拼装,以人为本、科技为先,拼装、安装技术,3、内柱胎架的设立内柱采用先在地平面上对接完成，这样既能避免重要焊缝（特别是Q460E的对接、铸钢件和Q345GJD的对接）在高空全位置焊接，更好的确保焊接的质量，又能减少高空胎架的数量，加快拼装时间。待地面对接完成后再将其吊至高空胎架上。内柱的胎架示意图如下：,59,立柱构件预拼装,以人为本、科技为先,拼装、安装技术,4、内柱的拼装内柱在地面组焊完成后，吊至高空胎架上，调节其空间位置后固定。然后拼装外柱和内柱之间的杆件。对上下段对接口进行加固，确保在焊接过程中端部位置尺寸。为保证下端部铸钢件端口的位置正确，采用胎架控制，其示意图见右图。,60,主结构吊装方案,以人为本、科技为先,拼装、安装技术,1、概述主结构由24榀主桁架和24根桁架柱组成，共划分为230个安装单元，其中：主桁架共分为182段，桁架柱共分48段；其中主桁架中：平面桁架共166段，立体桁架共16段。按照吊机吊装范围的分类，外圈800吨吊机吊装86个主桁架安装单元和48个桁架柱安装单元；内圈600吨吊机吊装96个主桁架安装单元。桁架柱最大吊装重量约288t，主桁架约216t，最大吊装长度约45m。,61,主结构吊装方案,以人为本、科技为先,拼装、安装技术,2、桁架柱吊装根据桁架柱吊装分段重量，起吊高度及作业半径，选用2台800t履带吊进行桁架柱的吊装。其中I区为一台LR1800型，工况配置为：主臂56米，仰角88，副臂35米，超起配重350吨；II区为一台CC4800型，工况配置为：主臂54米，仰角88，副臂42米，超起配重260吨。根据桁架柱脱胎翻转直立过程中的重量分配，选择辅助吊车为CC2000型300吨吊车，工况配置为：42米主臂，250吨吊钩。,62,主结构吊装方案,以人为本、科技为先,拼装、安装技术,2、桁架柱吊装桁架柱脱胎翻身,桁架柱采用卧拼法，吊装前要进行翻身。桁架柱翻转直立时，利用一台300t履带吊配合800t吊车进行。,63,主结构吊装方案,以人为本、科技为先,拼装、安装技术,2、桁架柱吊装桁架柱脱胎翻身,64,主结构吊装方案,以人为本、科技为先,拼装、安装技术,2、桁架柱吊装桁架柱脱胎翻身,65,主结构吊装方案,以人为本、科技为先,拼装、安装技术,2、桁架柱吊装桁架柱脱胎翻身,66,主结构吊装方案,以人为本、科技为先,拼装、安装技术,下段柱吊装工艺流程：脱胎翻身吊装就位临时固定找正调整安装拉撑杆点焊及焊接固定焊接完成2/3，确保安全后吊机松钩与柱脚焊接。,3、下段柱吊装,67,主结构吊装方案,以人为本、科技为先,拼装、安装技术,4、上段柱吊装,上段柱吊装工艺流程：脱胎翻身吊装就位临时固定找正调整安装拉索点焊及焊接固定焊接完成2/3，确保安全后吊机松钩与下段柱焊接。,68,主结构吊装方案,以人为本、科技为先,拼装、安装技术,根据主桁架吊装分段重量，起吊高度及作业半径，选用2台800t履带吊在外围，2台600t履带吊在内圈分别进行主桁架的吊装。I区800t履带吊为一台LR1800型，工况配置为：主臂56米，仰角88，副臂63米，超起配重350吨；II区800t履带吊为一台CC4800型，工况配置为：主臂60米，仰角88，副臂54米，超起配重260吨。600t吨履带吊均为CC2800型，工况配置为：主臂60米，仰角88，副臂36米，超起配重250吨。,5、主桁架吊装,69,主结构吊装方案,以人为本、科技为先,拼装、安装技术,5、主桁架吊装,对于平面主桁架的拼装均采用卧拼的形式，桁架拼装完成后，采用主吊车直接从拼装胎架上起吊翻身成垂直的吊装状态。对T1A-1、T7B-