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1、- 1 -南京奥体中心主体育场钢屋盖安装焊接技术南京奥体中心主体育场钢屋盖安装焊接技术卢立香 许立新 陈财发（上海宝冶建设有限公司，上海，200941） 摘要摘要 介绍了南京奥体中心主体育场钢屋盖的结构形式及安装的焊接特点与难点。重点叙述了该结构的焊接工艺及焊接变形、焊接质量的控制措施。 关键词关键词 空间管桁架；箱梁；焊接技术；变形控制ABSTRACT：The paper introduces the structure type and installing & welding difficulty in the main stadium of Nanjing Olympic Sports
2、 Center，The welding technics，the measure for controlling welding quality and deformation are described mainly.Key words：spacial steel pipe truss；box-beam；welding technology；welding deformation controlling1 1 工程概况工程概况南京奥体中心是江苏省政府“十五”计划的重点工程，也是南京市规划中的城市副中心的重要组成部分，是一个大型综合类体育中心。主体育场作为 2005 年在江苏省举行的第十届全国
3、综合性运动会的主场馆和举行国际单项最高级别运动会的硬件设施，作为南京市的标志性建筑，其屋盖结构体系十分复杂，主要由 2 榀与水平面成 45倾斜的、拱身跨度为 361.582m 的三角形变断面钢桁架拱和由 104 根钢箱型梁形成的中空马鞍形空间结构组成，罩棚的径向长度为 68.14m27m，覆盖面积 4 万多。拱顶标高达 64.719m，钢结构总量约12153t。整个屋盖结构体系在各种不同荷载组合情况下，分别由主拱和钢箱梁外端的“V”型支撑将荷载传至下部结构，45倾斜主拱线条简明，宛如飘带。如图 1 所示。 主拱为管桁架空间结构，拱脚跨度 372.377m，拱身弧线长度 415m，拱顶标高图图
4、1 南京奥体中心主体育场效果图南京奥体中心主体育场效果图- 2 -64.72m，单榀主拱重量为 1606t。主拱断面为斜等腰三角形，4 根主弦管布置于等腰三角形的三个顶点和底边的中点上，三角形断面的底边与地面的夹角为 45，腰与底边夹角为33，最大三角形断面底边上主弦管的中心距为 15m，高 4.085m。主弦管采用 1000 和500 的钢管，壁厚有 12、16、20、34、44、54 和 60 共七种，腹杆的直径为299450。主拱节点采用铸钢节点、压制球节点及相贯节点。两榀主拱分别向东、西方向倾斜，通过 M 杆支承在屋面箱型梁上。主拱整体模型与其节点构造如图 2 所示。屋面系统由屋面箱梁
5、、内环梁、外环梁、中环梁、联系梁、屋面支撑及檩条等组成。每根屋面梁采用不同的断面组合，最多为 6 个断面组合，断面宽度均为500mm，高度有1100、1400、1600、1800、2100mm 几种，腹板的厚度有 t=10、12、14、16mm 四种，翼缘板厚度有 20、25、32、65、85mm 五种。最长的屋面梁的长度为 68m，重量达 48t，其标高为变化值。屋面梁一端支承在 V 形支撑上，另一端则通过屋面梁中间位置的连杆与主拱的主弦管相连。屋面梁之间设有钢管联系梁，两个边缘及中间位置设有环型联系梁。安装后的屋面梁和主拱互相依托，形成空间稳定体系。支承屋面箱型梁的 V 形支撑设置在两榀屋
6、面梁之间，每个 V 形支撑有四根支撑钢管，分为前支撑柱和后支撑柱，由一根前支撑柱和一根后支撑柱支承一榀屋面梁。支撑钢管分图图 2 2 主拱整体模型与其节点构造详图主拱整体模型与其节点构造详图图图 3 3 箱梁模型与其局部详图箱梁模型与其局部详图- 3 -500*24、34 两种，四根钢管下端通过销轴连接在铸钢支座上，形成一个倒锥形，上端则分别焊接在箱型梁的铸钢件板和铸钢件支管上。主拱、箱梁、V 型支撑、压制球等主结构采用 Q345C 的热轧无缝钢管或热轧板，铸钢件材质为 GS20Mn5N（DIN17182） 。其他次结构（如联系梁、屋面支撑等）采用 Q235B 热轧无缝钢管。现场焊缝主要包括以
7、下几个部分：(1) 箱型梁的现场焊缝（包括箱型梁的拼接焊缝；箱型梁与拱腹桁架连接板的丁字角接焊缝） ；(2) 主拱桁架的现场焊缝（包括主弦杆与主弦杆、主弦杆与铸钢件、斜腹杆与铸钢件、M 杆与主拱铸钢件的对接焊缝；主弦杆与预埋件的管板相贯焊缝；主弦杆与斜腹杆、斜腹杆与斜腹杆的相贯焊缝；主弦杆与压制球、斜腹杆与压制球的相贯焊缝） ；(3) 屋面系统的现场焊缝（包括环梁的管与管、环梁与铸钢件、连系梁的管与管、屋面支撑杆件与铸钢件的对接焊缝；屋面支撑杆件与环梁、屋面支撑杆件与箱型梁腹板的相贯焊缝） ；(4) V 形支撑的现场焊缝（包括 V 形支撑与铸钢件的对接焊缝；V 形支撑与箱型梁铸钢件板的相贯焊缝
8、；V 形支撑与箱型梁铸钢件板处的加强板角焊缝） ；钢结构施工流程为：V 形支座预埋件屋面支撑胎架V 形支撑前支撑柱屋面梁环梁连系梁V 形支撑后支撑柱屋面支撑檩条M 杆主拱支撑胎架卸载。2 2 焊接特点与难点焊接特点与难点根据运输条件,屋面梁在厂内分段制作，现场地面拼装，再进行吊装；主拱分成 21 段制作，散件出厂，现场分段组装，待屋面系统吊装完成后再分段吊装，然后进行高空焊接。钢结构安装焊接特点与难点如下：(1) 焊接量大，焊接变形难以控制。主拱断面与跨度大，受运输条件限制，只能散件出厂、现场拼装，钢管管径大、管壁厚，焊接量大，焊接变形难以控制；(2) 均为单面焊，焊接位置复杂，焊接难度大。主
9、拱组装、安装焊缝均为全位置单面焊，部分空中安装接口无法加衬垫，必须确保单面焊双面成型；屋面箱梁截面高而窄，厚达 85下翼缘板只能单面仰焊。焊接难度大，且- 4 -返修困难；(3) 主拱钢管厚，节点构造复杂,刚性大，精度控制困难，焊接易产生较大的应力，控制不当易产生裂纹；主拱采用铸钢节点、压制球节点及相贯节点等多种节点形式，铸钢节点体型大、重量重、支管数量多（都在 8 根以上，最多达 11 根）, 精度控制困难，焊接易产生较大的残余应力，控制不当易产生裂纹；(4) 铸钢节点形式多样，体型大、重量重，焊接难度大。铸钢节点形式有球节点、管节点、型钢节点，最重的铸钢件有 7t 多；(5) 焊接质量要求
10、高。现场大拱的主管、屋面上的悬索状钢管、内环与外环管、屋面周边的 V 型支撑、拱与屋面间的连杆的对接焊缝，以及其他对接受拉连接的焊缝要求达到一级焊缝标准，进行100%超声波检测。3 现场施工中需解决的问题及采取的措施现场施工中需解决的问题及采取的措施3.1 焊接裂纹的预防措施该工程中存在许多厚板、厚管及大型铸钢件，刚性大，焊接量大，焊接易产生较大的焊接残余应力。控制不当易产生冷裂纹。由于钢材厚，手工电弧焊时，焊缝冷却速度快，不利于气体逸出，且易产生淬硬组织，出现冷裂纹。3.1.1 控制焊接残余应力(1) 合理设计坡口形式及尺寸。在便于运条、送丝的前提下，适当减小坡口角度，减少焊缝填充量。(2)
11、 采用合理的组装、安装顺序。如箱梁在地面拼装，便于焊接拼缝时自由收缩，以减小焊接残余应力。(3) 采用合理的焊接顺序。如焊接主拱时，一段管子的两条焊缝，先焊一端再焊另一端，以尽可能减小焊接残余应力。(4) 手工电弧焊时，采用多层多道焊，控制焊条摆幅，减小线能量。3.1.2 预热焊接厚板、管及铸钢件时，采取预热措施。尽可能采用电加热片伴随预热，确保预热均匀，焊后缓冷。3.1.3 减少焊缝中氢含量的措施(1) 焊前认真清理坡口表面及附近炉壳。采用砂轮机打磨清除油、锈等污物。(2) 加强焊条、焊剂的烘烤、领用、发放、回收管理。禁止使用锈蚀的焊丝、焊条。(3) 采取有效的防风、防雨措施。- 5 -(4
12、) 采用低氢型焊条焊接。3.1.4 焊接连续进行。3.2 焊接变形的控制3.2.1 采用合理的安装、焊接顺序主拱地面组装，先安装主弦杆，并将铸钢、球节点就位固定后，再焊接弦杆对接焊缝，同一管两端焊缝焊完一端后再焊另一端，使其可自由收缩，这样既可减小应力，又可保证精度。主弦管焊接完后再安装腹杆。3.2.2 采取对称焊接主弦管管径大，每个管口由两名焊工同时同步对称焊接，采用多层多道焊，以防发生角变形。腹杆与弦杆的对接或相贯焊缝由多名焊工由中间往两端对称施焊，以防发生扭曲等变形。3.2.3 采用合理的焊接工艺参数焊接时，控制线能量。要求焊工采用的焊接工艺参数尽可能一致。3.3 焊接质量控制(1) 由
13、于现场大多数为全位置焊缝，焊接难度大，对焊工的技能要求高。焊工不仅要持证，且必须通过现场模拟考试方可上岗。(2) 焊接设备检查处于良好状态。(3) 加强焊接材料管理。焊接材料严格按规定保管、烘烤、发放。(4) 相邻两段主拱在地面进行预拼装，确保高空安装坡口精度。(5) 加强工序管理。正式焊接前，分别对装配质量、坡口清理、临时支撑或固定设施、预热、焊条烘烤等焊前准备工作逐项确认。 (6) 露天作业，做好防风防雨措施。4 典型结构的焊接典型结构的焊接4.1 箱梁拼接焊接箱型梁现场接头翼板厚为 =25、32、85，腹板厚 =12、14、16。其坡口形式见图 4。焊接位置有平、立、仰焊。厚度为 85m
14、m 的翼板焊接时要进行预热。采用电加热片伴图图 4 箱梁拼接坡口形式箱梁拼接坡口形式2630856 830Cba306 84025 3212 1645 6 830- 6 -随预热，预热温度为 120150。预热范围为：焊缝两侧，每侧宽度应大于焊件厚度的 2倍，且不小于 100mm。预热应均匀一致。层间温度为 120200。焊后缓冷。如图 5 所示。先焊腹板,再焊翼板，由两名焊工同时对称施焊，采用多层多道焊，每层采用分段退焊法；根部用 2.5mm 或 3.2mm 焊条打底焊 12 层，其他用 4mm 或 mm 焊条填充、盖面。4.2 主拱焊接主拱共分 21 段，在地面组装后高空拼装。中间段第 1
15、1 段为合拢段。4.2.1 总体焊接顺序主拱架地面组装时，焊接顺序为：(1) 先焊主弦杆管与管、管与铸钢件对接焊缝、主弦杆与压制球的相贯焊缝；(2) 再焊斜腹杆与铸钢件的对接焊缝、斜腹杆与主弦杆、压制球的相贯焊缝、斜腹杆和斜腹杆的相贯焊缝；(3) 焊完一条后再焊另一条；(4) 焊接时由中间往两边对称跳焊，防止扭曲变形。见图 6。主拱架高空拼装时，焊接顺序为：(1) 先焊主弦杆焊缝，四根弦杆应同时对称焊接；(2) 再焊斜腹杆与铸钢件的对接焊缝、斜腹杆与主弦杆、压制球的相贯焊缝、斜腹杆和斜腹杆的对接焊缝；(3) 最后焊 M 杆与铸钢件的对接焊缝。4.2.2 主拱桁架的主弦杆与铸钢件、主弦杆与主弦杆
16、、斜腹杆与铸钢件、铸钢件与 M杆的对接焊缝焊接焊缝坡口形式见图 7, 焊接位置为水平固定，对于厚度大图图 5 板对接焊缝加热片伴随预热示意板对接焊缝加热片伴随预热示意图图保保保保保保保保保保保保1-111 2005085图二 板对接焊缝的加热片布置图图图 6 6 主拱焊接顺序图主拱焊接顺序图图图 7 管管对接焊缝坡口形管管对接焊缝坡口形式式图六 管管对接焊缝坡口形式1111406保8无缝钢管b 管管对接焊缝坡口形式4540456保835保80无缝钢管铸钢件3a 钢管与铸钢件对接焊缝坡口形式- 7 -于 36mm 的管对接焊缝、管与铸钢件的对接焊缝焊接时要进行预热。采用柔性履带式电加热片伴随预热，加热片布置见图 8，预热温度为 120150。预热范围为：焊缝两侧，每侧宽度应大于焊件厚度的 2 倍，且不小于 100mm。预热应均匀一致。层间温度为120200。焊后缓冷。如图 8 示。每条环焊缝
