国家体育场钢结构焊接工程合龙技术优化方案

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：“合龙”是国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工序的收官之作，是钢结构体系力系转换的第一工序，是钢结构支撑塔架卸载的前提条件。国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程中的主桁架和立面结构各设置了四条合龙线，其中，主桁架合龙口128个，立面结构的合龙口28个，合龙口数量众多。同时，对于国家体育场如此大体量的空间钢结构工程，各部位的钢结构温度也会存在差别。

“合龙”是国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工序的收官之作，是钢结构体系力系转换的第一工序，是钢结构支撑塔架卸载的前提条件。

合龙焊缝是决定整体钢结构体系的一次初始应力状态的关键焊缝，工程中不仅对其本身的焊工质量要求很高，而且对焊接环境十分苛刻；从严格的意义上讲：合龙焊缝属于载带焊接的范畴，具有很高的难度。同时合龙焊缝也具有极大的焊接残余应力，容易形成焊接残余应力集中的焊缝，所以存在较大的风险。

1.“鸟巢”钢结构合龙简介

根据设计要求，国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程主、次结构均需进行合龙，合龙是支撑塔架卸载的前提条件，合龙是为了有效控制“鸟巢”钢结构系统的初始应力、保证钢结构体系转换过程和运营过程的安全，同时确保支撑塔架卸载和后续肩部次结构及顶面次结构的安装的工期总目标。合龙焊缝对焊接工程钢结构体系初始应力状态的分布起十分重要的作用，因此，合龙工程得到了各方面的重视。

国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程中的主桁架和立面结构各设置了四条合龙线，其中，主桁架合龙口128个，立面结构的合龙口28个，合龙口数量众多。立面结构和主桁架采取分次合龙方案，但一次合龙的对接口数量仍高达64个。合龙的具体原则如下：

“先进行主桁架的合龙，再进行立面结构的合龙；主桁架合龙时，先进行两大施工区域内部合龙线的合龙，再进行两大施工分区间合龙线的合龙；同一合龙线的各合龙口尽量做到：同温、同时、同步合龙。”

2.“鸟巢”钢结构六大合龙要素

国家体育场钢结构工程为大跨度钢结构，在结构形成和使用过程中，温度变化对结构应力分布存在较大影响，掌握钢结构温度场的分布情况对于钢结构的施工和后续使用有着十分重要的意义。

（1）第一要素——合龙温度的确定合龙温度确定原则上由设计单位根据设计的温度应力考虑。

合龙温度就是钢结构在合龙过程中的初始平均温度，区别于大气温度，是结构使用中温度的基准点。也称安装校准温度，其确定原则如下：

1）确定结构合龙温度时，首先考虑当地的气象条件，应使合龙温度接近平均气温，也就是可进行施工的天数中所占比例最大的气温。

2）合龙温度应尽量设置在结构可能达到最高、最低温度之间，使结构受温度影响最合理，从而达到最小构件截面减少用钢量的目的。

3）确定合龙温度应充分考虑施工中的不确定因素，预留一定温度的允许偏差。

（2）第二要素——温度监测钢结构的温度是由周围环境所决定的，是太阳辐射、空气流动、环境温度等多种因素共同作用的结果。钢结构的构件温度与周围的环境温度是有差别的，存在滞后性，在一些特殊条件下，存在钢构件温度比环境温度高的可能性。同时，对于国家体育场如此大体量的空间钢结构工程，各部位的钢结构温度也会存在差别。因此，不能简单地通过环境温度的测量而得到钢构件的温度，必须使用专门的测量技术对钢构件进行直接的温度测量。

国家体育场钢结构施工过程中的温度监测主要有3个目的：

1）测量钢结构各部位的本体温度及主要位置的大气温度、湿度，以判断钢结构温度的滞后时间效应，并由此建立钢结构本体温度与大气温度、湿度及天气预报之间的关系，通过天气预报资料和设计确定的合龙温度确定初步的合龙时间，以便组织合龙工作。

2）根据钢结构各部位的本体温度的分布情况，确定合龙温度测量基准点，确保合龙温度的可操作性和准确性。

3）根据钢结构本体温度的变化情况，确定最适宜的合龙时间段，保证合龙质量和合龙工作的有序进行。

由于国家体育场钢结构体量大，钢结构各部位的温度变化十分复杂，要精确测量和准确掌握钢结构各部位的温度场分布情况十分困难，故只能做一些典型部位的温度监测。根据国家体育场钢结构的结构特点和现场实际情况，温度监测主要有以下两种方法：

1）人工测温法。

采用干湿式温度计测量大气温度和湿度，红外线测温仪测量钢结构本体温度，每隔1h测量一次。此方法操作简便，成本低，但监测精度受测量仪器和人为因素的影响较大，精度相对较低。

2）自动测温系统。

自动测温系统采用热电偶作为测温元件，体积小，经济、灵活。测温范围为-55～125℃，在-10～85℃范围内精度可达±0.5℃。同时，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大减少了系统的电缆数，提高了系统的稳定性和抗干扰性。

（3）第三要素——合龙焊缝尽量对称均匀布置带临时支撑的钢结构体系转换成封闭稳定钢结构体系的过程叫合龙，使钢结构形成封闭稳定系统的焊缝叫合龙焊缝。

合龙线上的合龙焊缝焊接残余应力，比普通焊缝的残余应力大得多，对称均匀布置合龙线，可以使钢结构系统应力尽可能的均匀，从而达到控制钢结构系统初始应力的目的（见图16-5）。

图16-5 国家体育场“鸟巢”钢结构体系合龙焊缝分布示意图

（4）第四要素——负载转移从焊接的本质上讲，合龙焊缝属于载带焊接类型。因为一旦形成封闭稳定的结构，就形成了系统的一次应力。而合龙焊缝便是应力最大的焊缝，随着温度的变化，应力随之变化，不仅在大小上变化，而且在方向上变化，这就给合龙焊缝的焊接带来很多困难，特别是在拉应力强大时焊接过程中极易形成热裂纹。

根据经验，最有效的方法是用卡马转移负载（见图16-6），使一次应力全部转移在卡马上，待焊缝形成后，割除卡马。一次应力再转移在焊缝上，这样在焊缝完全形成后，再对焊缝加载，才能确保焊缝的安全。所谓负载转移，其实质是：在合龙焊缝和焊缝热影响区，在焊接过程中不带负载。

图16-6 负载转移所用卡马具体尺寸

a）卡马布置 b）卡马尺寸

（5）第五要素——合龙工程必须在夜间进行国家体育场“鸟巢”屋盖钢结构属于特大型大跨度钢结构，双榀主桁架贯通最大跨度332m。

由于“鸟巢”结构的钢构件直接暴露于室外，冬季时，钢构件的温度与室外气温基本相同。夏季时，室外气温最高，同时太阳照射强度也最大，太阳照射将引起构件温度显著升高。结构在迎光面与背光面的温差，以及屋面、立面钢构件的温差将形成梯度较大的温度场分布。

温度变化将在结构中引起很大的内力和变形，对结构合龙的安全性将产生显著的影响，由于合龙温度是以钢结构杆件的平均温度为准，因此，合龙工程必须在构件受热均匀的环境中进行。也就是说：合龙工程必须在没有日照的夜间并且在构体温度均匀时进行，这就是合龙工程对环境温度的具体要求（见图16-7）。

图16-7 “鸟巢”主结构合龙实况

（6）第六要素——合龙口必须同时进行国家体育场“鸟巢”钢结构主结构焊缝的合龙分成两个阶段、二次进行，在相同温度范围内进行，每一个阶段在进行焊接时都是同时进行，从严格的意义上讲：真正的合龙是第二阶段的主结构焊缝的焊接。因为，真正形成钢结构主结构体系的一次初始应力的焊缝在第二阶段形成，虽然在第一阶段钢结构体系的应力状态发生了很大变化，但这个初始应力没有达到最大值，同时也没有最后固定，容易发生变化。只有在第二阶段，钢结构体系形成了封闭、稳定的结构体系，这时钢结构的应力状态才是真正的一次初始应力状态。

合龙焊缝焊接同时进行的主要原因：

其一，合龙温度的限制，只有在相同的构件和环境温度条件下，所形成的焊缝的差别受温度的影响最小；环境温度随时间的推移会发生变化，时间一长很有可能超出合龙温度的范畴，使合龙焊接不能进行，所以要同时焊接。

其二，从严格的意义上讲：合龙焊缝的焊接属于载带焊接范畴，如果两条或两条以上的焊缝不同时焊接，那么，先焊的焊缝负载要小，因而焊接的残余应力小，后焊的焊缝则刚好相反，负载比先焊的焊缝大得多，容易形成应力集中，焊缝的中心也容易出现热裂纹。

在焊接“负载转移”的卡马焊接时要特别小心，一个断面上的所有卡马，必须在同一段时间段内尽快完成，也就是说：不能一个卡马焊完后再焊另一个卡马，而是所有卡马都同时焊接；如果卡马太多，要采取巡回焊接的技术，使所有卡马完成焊接时间大致相同。

GMAW、FCAW-G非常适合合龙焊缝和卡马的焊接。这样，能够使一个断面的卡马负载基本均匀，这种应力状态的形成对正式焊接主焊缝十分有利。所以，只有同时焊接所有的合龙焊缝，合龙焊缝才能获得基本相同的负载，从而使钢结构体系形成我们所希望的基本均匀的一次初始应力状态，达到封闭、稳定的目的，为卸载的成功提供有力的技术支持。

3.合龙方案及其实施

合龙段的安装随着工程的总体安装进程在不同时间里进行，合龙段的安装质量不仅影响结构安装过程中的安全，而且影响最终的合龙和结构的总体施工质量及结构使用过程中的安全，因此，必须采取合理的安装工艺措施，做好充分的合龙准备，确保合龙段与相关构件的安装及结构的顺利合龙。

为确保合龙段的顺利安装和施工过程中的安全，同时确保合龙口合龙时的最终间隙大小，在进行合龙段的安装时，必须遵循以下原则：

1）尽量选择在与合龙时相近的温度条件下或低于该温度的条件下进行安装，以方便构件的进裆，控制合龙时的坡口间隙。

2）各合龙段的构件长度和安装预留间隙必须根据温度变形计算结果进行确定。

原则上，如在与合龙时相同的温度条件下进行合龙段的安装，则合龙段的长度可不需考虑温度变化的影响，合龙口的间隙大小采用设计和规范要求的标准间隙；如在低于合龙时的温度条件下进行合龙段的安装，则合龙段的长度需考虑温度变化的影响，即合龙段应根据变形计算结果适当减短，增大合龙口的安装间隙；如在高于合龙时的温度条件下进行合龙段的安装，则合龙段的长度应根据变形计算结果适当加长，即采用无间隙安装法，或减少合龙口的安装间隙。

国家体育场“鸟巢”钢结构焊接工程分四次于2006年8月31日完成全部合龙口的焊接，合龙焊缝的一次合格率几乎为100%（因有不到100mm长的焊缝有超标缺欠），成为我国建筑钢结构焊接工程的典范。

钢结构整体合龙是结构整体安全运营的关键工序。完全有理由认为：由合龙技术决定的钢结构焊接工程的初始应力应变，应当成为钢结构焊接工程重要的质量控制指标。“鸟巢”钢结构焊接工程第一次提出建筑钢结构焊接工程的合龙观念，合龙成功以后，从理论和工程实体上都为建筑钢结构合龙提出了新的课题，这意味着钢结构体系开始重视初始应力的研究。

国家体育场钢结构焊接工程合龙技术优化方案

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