戴维志.docx
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戴维志
从“鸟巢”钢结构焊接工程看钢结构焊接技术发展趋
戴为志
前言
建筑钢结构具有自重轻、建设周期短、适应性强、外形丰富、维护方便等优点，其应用越来越广泛。
从20世纪80年代以来，中国建筑钢结构得到了空前的发展，2005年，我国已成为世界上最大的产钢国和用钢国，年钢铁消耗量已突破3亿吨，而其中钢结构的产量高达1.4亿吨，包括了能源、交通及基础设施建设等的钢结构产业已成为国民经济建设的支柱。
建国以来，我国钢结构经历了困难期、低潮期、发展期、成熟期四个阶段。
目前、我国的钢结构进入了成熟期。
进入成熟期的主要标志就是“鸟巢”钢结构焊接工程顺利竣工，这一项世纪工程的顺利建成，极大地推动了我国的施工技术和钢铁产业的飞速发展，标志我国的施工技术和钢铁产业进入世界先进行业。
与此同时一大批设计新颖、用料考究的钢结构工程应运而生。
使我国钢结构产业出现了欣欣向荣、蓬勃发展的大好局面。
本文以“鸟巢”钢结构焊接工程中焊接技术为主要线索，来阐述钢结构工程的发展趋势，供参考
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从“鸟巢”钢结构焊接工程看钢结构
焊接技术发展趋势
戴为志
前言
建筑钢结构具有自重轻、建设周期短、适应性强、外形丰富、维护方便等优点，其应用越来越广泛。
从20世纪80年代以来，中国建筑钢结构得到了空前的发展，2005年，我国已成为世界上最大的产钢国和用钢国，年钢铁消耗量已突破3亿吨，而其中钢结构的产量高达1.4亿吨，包括了能源、交通及基础设施建设等的钢结构产业已成为国民经济建设的支柱。
建国以来，我国钢结构经历了困难期、低潮期、发展期、成熟期四个阶段。
目前、我国的钢结构进入了成熟期。
进入成熟期的主要标志就是“鸟巢”钢结构焊接工程顺利竣工，这一项世纪工程的顺利建成，极大地推动了我国的施工技术和钢铁产业的飞速发展，标志我国的施工技术和钢铁产业进入世界先进行业。
与此同时一大批设计新颖、用料考究的钢结构工程应运而生。
使我国钢结构产业出现了欣欣向荣、蓬勃发展的大好局面。
本文以“鸟巢”钢结构焊接工程中焊接技术为主要线索，来阐述钢结构工程的发展趋势，供参考。
一、我国建筑钢结构焊接工程中的典型工程
到目前为止，我国已建成60多幢高层焊接钢结构建筑；大跨度空间钢结构已在各种体育馆、展览中心、大剧院、候机楼、飞机库和一些工业厂房中应用；桥梁钢结构方兴未艾；钢结构住宅在我国经过近几年的深入研究和开发后，也已进入一个新的发展阶段。
图一、2006年6月“鸟巢”全景
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图二、中央电视台大楼
图三、香港昂船洲大桥
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图四、上海环球金融中心
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图五、北京首都机场新航站楼
建筑钢结构设计愈来愈先进、施工技术愈来愈成熟，使建筑钢结构形成了以下特点：
外观上，结构形状新颖独特，标新立异，不与人雷同，体现了这个时代个性张扬的特点；
材料的选用上，趋向于越来越多的使用高强度、大厚度钢材，而且随着材料制造工艺水平的不断提高，铸钢、奥氏体不锈钢、复合钢板也得到越来越多的应用。
规模上，越来越多的超高层、大跨度世界级超大规模建筑在国内诞生；
表一、表二、表三介绍了部分典型的建筑钢结构焊接工程，充分说明了建筑钢结构已经步入了兴旺发达的成熟期。
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表一、高层钢结构工程
序号
工程名称
地点
高度/m
层数
用钢量/万t
结构简介
1
中央新台址大楼
北京
236
51
11-12
中央电视台新台址工程主楼由两座塔楼、裙房、及基座组成，两层塔楼呈倾斜状，分别为51层、44层，总建筑面积40万m2，顶部通过14层高的悬臂结构连为一体，悬挑70m，从侧面看呈扭曲的Z字形，为世界上单体钢结构用钢量最大的建筑物。
2
环球金融中心
上海
492
101
5.8
本工程主楼高492m，地上101层，为世界第二高楼，总建筑面积377300m2，钢结构总用量57744t。
主体结构为钢骨及钢筋混凝土混合结构。
位与周边的巨型结构和中心核心筒是塔楼受力体系的核心部分。
3
北京电视中心综合业务楼
北京
236
42
4
该工程±0.00以上部分结构采用钢结构框架-支撑结构体系，是一个截面尺寸为67.0m×61.0m，高约227m的立型巨型框架结构。
整个结构是在建筑的四角布置4个巨型“L”复合巨型柱，巨型柱之间用巨型钢桁架相连，组成巨型桁架-支撑体系。
该工程总用钢量约为4万t。
4
北京新保利大厦
北京
105
24
1
北京新保利大厦为钢框架-混凝土筒体混合结构，其悬挂式刚结构吊楼和点式双向柔索玻璃幕墙全部采用预应力钢缆固定，钢缆直径近260mm，为民用建筑中首次应用。
钢结构采用卢森堡阿赛罗公司生产的ASTMA913Gr60（相当于Q420钢）H型钢结构件（翼板板厚125mm，腹板板厚78mm），这也是高强钢在国内建筑钢结构中的首次应用。
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表二大跨度空间钢结构工程
序号
工程项目
平面尺寸
/m×m
结构简介
1
北京国家体育场
332×296
北京国家体育场（“鸟巢”）是北京“2008”奥运会主会场，其地面以上的平面呈椭圆形，长轴最大尺寸323.3m、短轴最大尺寸296.4m；建筑屋盖顶面为双向圆弧构成的鞍形曲面，最高点高度为68.5m，最低点为42.8m；屋盖中部的洞口长度为190m，宽度为124m，宽度为124m；其放射状混凝土框架结构与环绕他们并形成主屋盖的空间钢结构完全分离。
空间钢结构由24榀门式桁架围饶着体育场内部碗状看台区旋转而成，与顶面和立面交织形成体育场整体的“鸟巢”造型，可容纳观众9.1万人，用钢4.19万t，国家体育场钢结构工程中采用Q460E-Z35厚板为舞阳钢厂生产的产品，厚度可以达到110mm，在国内建筑钢结构工程应用，尚属首例。
2
北京国家大剧院
212×143
北京国家大剧场主体建筑由外部围护结构和内部歌剧院、音乐厅、戏剧院和公共大厅和配套用房组成。
外部围护结构为钢结构壳体，呈半椭球形，其东西长轴为212.20m，南北短轴为143.64m。
建筑总高度为46.285m，地下最深处为-32.50m，用钢6950t，总建筑面积约为16.5万m2，是世界上最大的穹顶建筑。
椭球形屋面主要采用钛金属板，中部为渐开式玻璃幕墙，网壳面积为3.5万m2，没有立柱，全靠148根弧形钢量承重，主桁架由60mm厚钢板组焊而成。
3
北京国家游泳中心
176×176
北京国家游泳中心（“水立方”），建筑总体布置为正方型，平面尺寸为176.5389m×176.5389m，建筑外立面由新型多面体空间钢结构和ETFE冲气膜组成，就象一个经营剔透的水晶体，建筑高度约31m，钢屋盖最大跨度为130m，可容纳观众1.7座。
该工程结构相当复杂，杆件、节点种类数量繁多，全部采用焊接连接，钢材材质为Q345C和Q420C，总用钢量约7200t。
4
北京首都机场新航站楼
北京首都机场新航站站楼；扩建后的年旅客吞吐量可达6000万人次，创造北京：
“国门”的新形象，扩建后的功能面积达67万m2，总投资约250亿元
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表三大跨度代表性钢桥
序号
桥名
主跨
长/m
建造年代
结构简介
1
上海卢浦大桥
550
2003
钢拱桥
2
南京长江三桥
648
2005
国内第一做钢塔钢箱梁双索面五跨连续斜拉桥，主桥采用半漂浮体系结构，其跨径布置为63+257+648+257+63=1288m。
本桥主要材质为Q345D和Q370qD钢
3
苏通长江大桥
1088
在建
双塔双索面斜拉桥，总长8206m，主跨度1088m，为世界第一大跨度斜拉桥，两边跨分别设置三个桥墩，其跨径为100+100+300+1088+300+100+100=2088m。
本桥主要材质为Q345Dq和Q370qD钢，总重为5万t。
4
舟山西堠门大桥
1650
在建
世界第二大跨度钢悬索桥
5
武汉天兴洲长江大桥
504
在建
钢桁梁斜拉桥，为世界最大公铁桥用桥，下层为可并行四列火车的铁道。
6
香港昂船洲大桥
1018
在建
本桥为特大钢箱梁（双箱分离式）斜拉桥（双三车道双索面），全长1600m，主跨1018m，是目前世界跨度第二大斜拉桥，钢结构总重3.5万t，钢板主要材质为S420M和S420ML高强度结构钢
焊接，作为构建钢结构的一种主要的连接方法，在建筑钢结构中发挥了重要的作用。
据统计，约50％以上的钢材在投入使用前需要经过焊接加工处理。
因此，焊接水平的提高是实现钢结构技术快速发展的关键所在。
二、从“鸟巢”钢结构焊接工程看建筑钢结构焊接技术的发展方向
建筑钢结构焊接方式通常有以下几种：
1、SMAW（焊条电弧焊），主要用于钢结构制作中辅助焊缝的焊接；
2、SAW（埋弧焊），主要用于钢结构制作中主焊缝的焊接工作；
3、GMAW（CO2实焊丝气体保护焊），主要用于现场安装工程、制作工程的主、次焊缝的焊接；
4、FCAW-G（CO2药芯焊丝气体保护焊），主要用于现场安装工程、制作工程主,次焊缝的焊接；
5、电渣焊（ESW），主要用于BOX构件筋板的焊接；
6、栓钉焊（SW），主要用于劲性构件的栓焊和楼层板的穿透焊。
“鸟巢”钢结构焊接工程中全部采用了上述方式，在现场的安装工程中主要采用了以下14种技术：
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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；
3、厚板采用SMAW-GMAW-FCAW-G复合新工艺技术；
4、大面积采用仰焊技术；
5、GMAW、FCAW-G大流量防风技术；
6、钢结构低温焊接技术；
7、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
11、焊接机器人（FCAW-SS）焊接技术的应用
12、钢筋T型焊接接头压力埋弧焊新工艺
13、复杂钢结构应力应变控制技术。
14、特殊钢结构合拢技术；
“鸟巢”钢结构焊接工程所用的14项焊接技术是十分典型的，基本代表了建筑钢结构焊接技术的发展方向，以此为线索，来阐述建筑钢结构焊接技术的发展，找出其中带方向性和规律性的东西，供工作中参考。
（一）、新钢种焊接性试验将是建筑钢结构焊接工程中的重点和难点
2004年，低合金高强钢ASTMA913Gr60（相当于Q420）在北京新保利大厦工程成功使用，经过两年的发展，目前，国内已有数个钢结构工程使用高强钢，如国家体育场（鸟巢）使用国产Q460E-Z35钢，最大板厚110mm，国家游泳中心（水立方）工程使用国产Q420C钢，中央电视台新台址工程更是使用了Q390D、Q420D-Z25、Q460E-Z35级别钢，高强钢在建筑钢结构中的广泛应用，带动了高强钢焊接技术的发展。
1、Q460-Z35钢焊接性试验研究的技术路线
据查：
Q460-Z35钢在我国第一次大规模生产和应用，也是世界首次使用厚度为110mm，总重为750t的工程；因此焊接性试验方法具有极大的推广应用价值，特别是在我国新钢种不断出现的今天，应当引起我们的高度重视。
图六所示：
Q460-Z35钢焊接性试验的技术路线，分别进行了间接焊接性试验，直接焊接性试验。
该技术路线为新钢种焊接性试验提供了有益的经验。
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图4
图六、Q460-Z35钢焊接性试验的技术路线
根据国际惯例，新钢种焊接性试验研究应当由生产厂家和研究机关来承担，而在我国没有明确的规定。
因此Q460-Z35钢的焊接性试验研究工作由施工单位承担，这是首例，根据我国国情，这种现象恐怕要延长很长时间，所以说：
新钢种焊接性试验研究可能会成为建筑钢结构焊接工程中的重点和难点。
N
Y
Y
Q460E－Z35
焊接性试验技术路线的确定
间接试验法
直接试验法
1、热切割
2、热矫正
3、斜y试验（常、低温）
4、最高硬度Hvmax试验
5、插销试验
Ceg
Pcm
焊接刚性试验
（含焊接工艺评定）
SH－CCT
分析归纳整理
Q460E－Z35
焊接工艺规程
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2、新一代高强钢种焊接性试验研究工作将成为工程必须进行的技术工作
由于钢结构体系设计的需要，采用了新一代高强钢种，这些钢种同传统钢种同传统钢种有很大的区别，掌握和研究新钢种的焊接性是一件十分重要和困难的工作，因此采用新工艺、新的运条手法进行施焊势在必行，否则将绐工程带来损失。
建筑钢结构用高强钢性能获得途径;：
合金强化；组织强化（如淬火+回火）；
控轧控冷工艺（TMCP）；淬火+自回火控制轧制（QST）。
1、连铸或连铸连轧工艺的应用
目前各大钢厂已全部采用连铸或连铸连轧工艺代替钢锭浇铸，并施加电磁搅拌技术，使得过去钢板的偏析与夹层缺陷已经基本绝迹。
.2、冶炼技术得到大幅度的提高
铁水预处理、复合吹炼、炉外精炼等先进炼钢技术的应用，使钢水中的w（S、P、O、N、H）等杂质已大幅度降低。
.3、控轧控冷（TMCP）技术的应用
控轧指在更低的温度下停轧，拟制高温奥氏体晶粒长大；控冷即轧后立即加快冷却速度，既避免晶粒长大，又提高形核率、产生强韧性更高的细小贝氏体或针状铁素体，通过细化晶粒显著改善钢的强韧性。
传统的细晶粒钢其晶粒直径<100μm，而TMCP钢的晶粒可达到10～50μm，超细晶粒钢的晶粒可达0.1～10μm。
.4、低合金和微合金高强钢的发展
目前用于造船、桥梁、钢结构建筑、压力容器、低温钢、耐热钢、管线钢等都在向“纯净化、低碳、超低碳、微合金化和控轧控冷”方向发展。
低合金（合金含量<5％）和微合金（微合金元素总量<0.2%）高强钢不仅是我国，也是世界钢铁工业的发展方向。
具体特点是：
①降碳，是为了改善塑性、韧性和焊接性。
碳是最主要的强化元素，但会强烈的恶化塑韧性和焊接性。
因此，新钢种中都严格控制碳含量，有的甚至达到超低碳水平。
②微合金化技术通过向钢中加入少量合金元素如Ti、V、Nb、Al、Re等提高强度、改变组织、细化晶粒、净化基体，使钢实现强韧化。
③高洁净化：
通过精炼，清除杂质，净化基体，控制w（S、P、O、N、H）的质量分数。
钢中杂质S、P、O、N、H的总质量分数从普通钢的W（S+P+O+N+H）<0.025%降到经济洁净钢的w（S+P+O+N+H）<0.012%。
.5、新一代钢铁材料的发展
新一代钢铁材料的特色是：
超洁净度、超均匀性、超细晶粒，在不增加甚至在降低碳及合金元素的条件下，强度和寿命提高一倍。
超洁净度是指钢中w（S+P+O+N+H）<0.008%；
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超细晶粒是指晶粒直径在0.1~10μm之间;超均匀性是指成分、组织、性能的均匀一致，并强调组织均匀的主导地位。
任何事物都是“一分为二”的，新钢种也不例外：
碳及合金元素的增加往往会给钢的焊接性带来不利的影响。
不同钢种所出现的焊接性问题不一。
在合金结构钢中，随着碳及合金元素含量增多，势必会引起接头的脆化、软化及裂纹倾向增大。
这些焊接性问题的出现，往往会降低焊接结构安全运行的可靠性，造成焊接结构的早期破坏。
.1焊接裂纹
微合金控轧控冷钢碳及杂质含量低，C、S、P等元素得到有效控制，因此焊接时液化裂纹和结晶裂纹倾向很小。
但由于在成形焊接和安装过程中存在较大的成形应力或附加应力，特别是在采用多丝大线能量埋弧焊时，由于焊缝晶粒过分长大，出现C、S、P局部偏析也容易引起结晶裂纹。
随着强度级别的提高，板厚的增大，仍然具有一定的冷裂纹倾向。
线能量小，冷却速度较快，熔敷金属含氢量高，因而会增加冷裂纹的敏感性，强度越高，冷裂问题将越突出。
.2热影响区的脆化
热影响区的脆化是细晶钢焊接时常常发生的问题，一般所用的线能量越大，脆化倾向越严重。
HAZ的脆化问题主要有粗晶区（CGHAZ）脆化、临界热影响区（ICHAZ）脆化、多层焊时临界粗晶热影响区（IRCGHAZ）脆化、过临界粗晶热影响区脆化（SRCGHAZ）、亚临界粗晶热影响区（SCGHAZ）脆化等。
其中，CGHAZ、IRCGHAZ、和SCGHAZ的脆化是微合金钢焊接时最应引起重视的脆化区域。
为防止热影响区的脆化，采用合适的的焊接工艺参数焊接时通过调整焊接工艺参数，减小高温停留时间，避免奥氏体晶粒长大；采用合适的t8/5，使HAZ获得韧化组织。
3.由于新一代钢铁材料晶粒极度细化，焊接时面临的严重问题是焊缝的强韧化、热影响区晶粒长大等问题。
①焊缝金属的强韧化
焊缝金属主要是通过合金化控制焊缝的组织实现强韧化。
对400MPa级细晶钢，只要通过调整焊缝组织使其获得针状铁素体即可获得理想的强韧性，这对建筑钢结构而言，已经是足够的了。
②热影响区的晶粒长大倾向
对于超细晶粒钢，焊接时均会出现严重的晶粒长大倾向。
这不仅会造成HAZ的脆化，而且还会导致HAZ的软化。
如前所述，无论在理论和实际工作中，对新一代钢种都有一个认识过程，也就是说施工单位在相当长的时期内，都要进行了解和掌握新一代钢种的相关试验
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研究工作，特别是同新一代钢种相配套的焊接材料的开发研究以及目前焊接材料的配比，也是有一定工作量、一定难度的工作。
所以：
新一代钢种焊接性试验研究工作将是一项必须进行的重要技术工作。
（二）、同焊接常见裂纹作斗争是焊接技术的长期工作
美国国家标准ANSI/AASHTO/AWSD1.5-96对建筑钢结构的裂纹有明确的阐述：
当局部应力超过材料极限时，除疲劳裂纹以外的焊缝和母材、裂纹就会在焊缝和母材中产生。
裂纹通常与焊缝和母材中缺陷附近应力增大（有关），或者焊件设计引起的木机械缺口附近的应力增大有关，高的残余应力经常存在，而氢脆常常是促使裂纹生成的重要原因，从本质上讲，与焊接有关的裂纹通常为脆性，裂纹边界处很少出现塑性变形。
裂纹可以分冷裂纹和热裂纹，裂纹产生于高温。
它们通常在金属熔点附近的温度当金属凝固时形成。
冷裂纹（有时称延迟裂纹或氢至裂纹）可能在焊接完成后的数小时甚至几个月才形成，通常与氢脆有关。
冷裂纹既沿晶扩展，又穿晶扩展。
根据裂纹的方向，它们又可分为纵向裂纹和横向裂纹。
所有裂纹都是由拉应力引起，拉应力可以是残余应力、次级应力和作用应力的合力。
裂纹的起始和扩展很大程度上受到有应力集中的缺陷存在的影响。
1、纵向裂纹
当裂纹平行于焊缝轴线时，不管它是沿着焊缝的中心线，还是母材的热影响区内，都称为纵向裂纹。
采用白动焊工艺的埋弧焊缝中的纵向裂纹，常常与高的焊接速度有关，有时也会因焊缝金属成分的偏析、或者不显露于焊缝表面的大量气孔而恶化。
大厚度材料之间的小焊缝中的纵向裂纹往往是高冷却率和高拘束的结果。
2、横向裂纹
横向裂纹垂直于焊缝的轴线。
它们可能位于焊缝金属，母材，或两者都有。
横向裂纹可能尺寸有限并完全包容在焊缝之中，也可能从焊缝金属扩展人邻近的热影响区并进一步进入非热影响区的母材中。
发源于焊缝金属的横向裂纹通常是纵向收缩应力作用于过分硬（脆）的焊缝金属的结果。
发源于热影响区的横向裂纹通常是氢至裂纹。
3、弧坑裂纹
弧坑裂纹是形成于弧坑或凹陷处的裂纹，是由不恰当的熄弧引起的。
弧坑裂纹是浅的热裂纹，虽然它们可能有其他形状，但通常形成多点的，星状的一簇裂纹。
4、沟式裂纹
沟式裂纹是纵向裂纹，通常位于焊道的中心，这些裂纹通常是（但并非都是）热裂纹。
5、焊趾裂纹
焊趾裂纹通常是冷裂纹。
这些裂纹从拘束应力最大的焊趾起源和扩展。
焊趾裂纹的启动近似垂直于母材表面，但更确切地是垂直于作用于该部位的拉伸应力，并按残余应力和母材粗糙度的不同而在母材中扩展至不同的深度。
6、根部裂纹
棍部裂纹通常为焊缝根部的纵向裂纹，棍部裂纹一般为冷裂纹。
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与此同时一大批设计新颖、用料考究的钢结构工程应运而生。
使我国钢结构产业出现了欣欣向荣、蓬勃发展的大好局面。
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