国家体育场鸟巢钢结构工程低温试验论文.doc

国家体育场钢结构工程低温焊接技术应用研究 李久林1，芦广平2，沈李强3，曹晓春4，陈才发5，万里程1 （1 国家体育场城建国华钢结构分部，2 北京城建精工， 3浙江精工，4 沪宁钢机，5 上海宝冶） 前言 国家体育场钢结构工程为进行冬季施工，组织了一次规模很大的低温焊接试验。根据试验结果制定了低温焊接规程。在整个冬季施工过程的应用中，获得了成功，不仅保证了焊缝质量而且提高了焊缝的一次合格率。本文应用部分试验资料介绍低温焊接技术开发与应用的全部过程，供同行参考。 关键词 低温焊接试验 防止脆性断裂 应用原则 1 课题选择 钢结构工程中的低温焊接（冬季施工）历来是学术界、工程界共同关注的课题。尤其在北京奥运场馆钢结构施工中，冬季施工提到了相当高的位置，引起了各方面的高度注意。这是因为冬季施工焊接质量会受到直接影响，控制不好会造成焊接质量的下降甚至造成不安全隐患。 国家体育场钢结构工程是奥运工程的突出代表，结构用钢总量约42000吨，涉及6个高强钢钢种，且为全焊接结构，造型独特新颖，为双曲面马鞍型结构，应力应变控制复杂。在国家体育场钢结构施工中的一个突出难点就是实现结构的合拢和整体卸载，设计单位给定的合拢温度为14±4℃。 根据历年气象资料和工期安排，实现对结构初始应力控制有重要影响的合拢温度在5~6月份期间，也就是说占结构总量约1/2的桁架柱需在冬季施工，且多为厚板焊接。为了工程的正常进行，确保工程质量，应用正确的理论根据指导工程实际，制定合理的低温焊接规程，显得格外重要。因此低温焊接试验势在必行。 钢结构低温焊接对焊缝金属危害的直接表征就是出现裂纹和工作状态下发生脆断，其脆断机理受温度下降的速率变化而变化，其中有一定的客观规律。 低温焊接条件下，焊缝的冷却速度较常温比较速度增加，直接后果是t8/5下降，晶粒度随之粗大，因此冷裂纹的敏感性也相应增加。 在结构拘束度很大的前提下，冷却速度过快，极易造成焊缝金属偏析，在较强的拉应力场作用下，在焊缝的偏析处即焊缝中心部分发生结晶裂纹，是热裂纹的一种形式。 冷裂纹的延迟效应增加，焊缝金属在冷却过程中，游离氢的溶解度降低，冷却的速度变快，氢透出的时间变短，因此残留在金属的比例增大，使冷裂纹的效应增加。延迟效应同残留在金属中的氢含量成正比。 低温下发生脆断的可能性增加，当构件的工作温度低于材料的脆性转变温度的情况下，在拉应力和焊接残余应力共同作用下，结构的静载强度大幅度的降低，极大可能在远低于材料的σs 点的外力作用下发生脆断。 预热效果变差，相同的温度，相同的预热时间，低温下的效果远比常温差，同样也影响t8/5。 根据以上分析，决定了低温焊接试验的基本内容。 2 低温焊接试验方案设计 2.1低温焊接试验项目设计 表（1） 序号 母材 材质 板厚（mm） 焊接 方法 焊接 位置 焊接 材料 环境温度 预热温度/预热方式 焊后处理 DW1-1 Q345GJD 60 SMAW H CHE507 -10℃±5℃ 80℃ /电加热 保温缓冷 DW1-2 Q345GJD 60 SMAW V CHE507 -10℃±5℃ 80℃ /电加热 保温缓冷 DW1-3 Q345GJD 60 SMAW O CHE507 -10℃±5℃ 80℃ /电加热 保温缓冷 DW1-4 Q345GJD 60 GMAW H JM58 -10℃±5℃ 80℃ /电加热 保温缓冷 DW1-5 Q345GJD 60 GMAW V JM56 -10℃±5℃ 80℃ /电加热 保温缓冷 DW1-6 Q345GJD 60 FCAW-G H TWE711 -10℃±5℃ 80℃ /电加热 保温缓冷 DW1-7 Q345GJD 60 FCAW-G V TWE711 -10℃±5℃ 80℃ /电加热 保温缓冷 DW2-1 Q345D 20 SMAW H CHE507 -10℃±5℃ / 保温缓冷 DW2-2 Q345D 20 SMAW V CHE507 -10℃±5℃ / 保温缓冷 DW2-3 Q345D 20 SMAW O CHE507 -10℃±5℃ / 保温缓冷 DW2-4 Q345D 20 GMAW H JM58 -10℃±5℃ / 保温缓冷 DW2-5 Q345D 20 GMAW V JM56 -10℃±5℃ / 保温缓冷 DW2-6 Q345D 20 FCAW-G H TWE711 -10℃±5℃ / 保温缓冷 DW2-7 Q345D 20 FCAW-G V TWE711 -10℃±5℃ / 保温缓冷 以上试验板检验项目有外观检测、UT检测、拉伸、弯曲、冲击（-20℃）、硬度六项。 2.2低温焊接试验项目设定原则 （1）试验材料：国家体育场钢结构主要用钢为Q345GJD、Q345D