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BIRD’S NEST STADIUM WELD —— 蔡得涛(10硕） 材料特种制备与加工研究部

鸟巢简介 鸟巢是2008年奥运会中国国家体育馆。它的外形结构主要由巨大的门式钢架组成，共有24根桁架柱，建筑顶面呈鞍形。 长轴为332.3m，短轴为296.4m，最高点高度为68.5m，最低点高度为42.8m。屋盖中间开洞长度为185。3 m，宽度为127.5 m。 设计者 瑞士赫尔佐格和德默隆

鸟巢外观

鸟巢内部 体育场内部没有一根立柱，看台是一个完整的没有任何遮挡的碗状造型，如同一个巨大的容器，赋予体育场以不可思议的戏剧性和无与伦比的震撼力。 这种均匀而连续的环形也将使观众获得最佳的视野，带动他们的兴奋情绪，并激励运动员向更快、更高、更强冲刺。

鸟巢简介 法国谚语“人类除了鸟巢之外什么都能制造出来。”道出了建设鸟巢的难度， 那鸟巢到底是怎么建出来的呢？ 答案是：

鸟巢建造过程示意 ★24根桁架柱平均架立在体育馆外围

鸟巢建造过程示意 ★24根钢梁交叉形成螺旋状基本结构； ★每两根主梁之间焊接次结构，固定主梁； 最后形成看似杂乱无章，实则排列有序的钢结构。

这只是示意图，实际施工比我们想象的要复杂得多。 鸟巢建造过程示意 鸟巢分八期三个阶段，加临时支撑体系，高空分跨散装。 第一阶段：1，2 第二阶段：3，4 第三阶段：5，6，7，8 分区进行，对称安装 3 5 8 1 2 这只是示意图，实际施工比我们想象的要复杂得多。 7 6 4

施工现场图

鸟巢获焊接大奖 2011年7月6日，国际焊接学会为“鸟巢”颁发2010年国际焊接最高奖项“Ugo Guerrera Prize”。国家体育场是本届大奖的惟一获奖项目。 该奖项在我国钢结构焊接领域尚属首次。打破了由西方国家垄断焊接结构大奖的历史。

焊接就是“电弧+火花”是大多数人对焊接的认识，实际上这只是冰山一角 焊接=“电弧+火花”？ 焊接就是“电弧+火花”是大多数人对焊接的认识，实际上这只是冰山一角 要获得一个优质的焊接结构，必须涉及三大领域: 认识焊接结构的力学行为特征，解决焊接接头在 诸如疲劳、腐蚀或低温环境下可能发生提前失 效或对有缺陷结构进行安全评定或焊后处理。 了解材料连接中的物理化学冶金过程，解决可 能出现的各种冶金缺陷，获得理想的组织 结构性能； 选用正确的焊接工艺方法， 实现可靠连接；

鸟巢焊接简介 “鸟巢”钢结构工程设计用钢4.2万吨，实际用钢5.3万吨，所耗焊材2100吨，焊缝总长31万米，现场焊缝超过6万米（不含角焊缝），100%超声波探伤，一次合格率高达99.5%以上，质量指标之好为全国之最；最典型的是3天3夜焊完400多条合拢焊缝，在高空焊接成功，一次合格率为99.9%，为工程焊接界中最辉煌的案例。

鸟巢焊接难题 鸟巢工程钢焊接施工特点是焊接工作量大，超过4万吨，交货工期短，结构尺寸大，焊接变形难以控制，技术要求和验收规范高。面临着7大难题。 1、Q460E-Z35钢材可焊性试验难关； 2、组建焊工铁军难关； 3、应力应变控制难关； 4、焊接工艺评定难关； 5、低温焊接难关； 6、大面积推广仰焊技术难关； 7、合拢难关。

Q460E-Z35焊接性试验 鸟巢是全焊钢结构，整个系统没有一颗镙钉和铆钉，所有构件作用力全都由钢材和焊缝承担，如果运用普通钢材则会在巨大拉应力下发生坍塌的危险，所以最终大胆使用了一种新型钢材——Q460E-Z35 。 鸟巢坍塌

Q460E-Z35焊接性试验 Q460E-Z35 是一种具有低屈强比，高延伸率，高抗层状撕裂的低合金高强钢，它在受力强度达到460 MPa时才会发生塑性变形。这是国内在建筑结构上首次使用Q460E-Z35规格的钢材；而这次使用的钢板厚度达到110mm，是以前绝无仅有的。 所以我们需要对Q460E-Z35焊接性进行试验。

焊接性试验 焊接性是指金属材料在限定的施工条件下，焊接成按设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。即材料对焊接加工的适应性和使用的可靠性。 工艺焊接性： 在一定焊接工艺条件下获得无缺陷（气孔、夹杂、裂纹等）优质焊接接头的能力。 使用焊接性： 焊接接头满足使用性能的程度—常规力学性能、抗脆断能力、高温性能、抗腐蚀性能、抗磨损性能、抗疲劳性能等。 好焊 耐用

碳当量评定焊接性 碳当量数值越大，被焊金属的淬硬倾向越大，热影响区越容易产生冷裂纹。按照国际焊接学会提出的碳当量计算公式进行Q460E-Z35碳当量计算：Ceq=0.497%。 当碳当量Ceq＜0.4%时，淬硬倾向不大，焊接性良好；当碳当量Ceq＝0.4%~0.6%时，钢材易淬硬，说明焊接性已变差，焊接时需预热，随着板厚的增大，预热温度也适当提高。Q460E-Z35碳当量为0.49%，远大于0.4%，所以淬硬倾向大，抗裂性能差，焊接性也较差。

碳当量评定焊接性 然而，由于Q460E-Z35是低合金高强钢，焊接性比高合金钢好很多，断面比起低强钢小，有利于形成无缺陷焊缝。 在焊接时应进行预热和后热，预热能延长焊缝金属从峰值温度降到室温的冷却时间，使焊缝中的扩散氢有充分的时间溢出，避免冷裂纹的产生，延长焊接接头冷却时间，改善焊缝金属及热影响区的显微组织，使热影响区的最高硬度降低，提高焊接接头的抗裂性。

低温焊接技术 北京的冬天温度低，不利于焊接，控制不好会造成焊接质量的下降， 甚至造成不安全隐患，历来学术界、工程界都有意避而远之。 为了保证工期，鸟巢钢结构焊接施工必须跨越冬季，就需要掌握低温焊接技术。 施工现场雪景

低温焊接技术 低温焊接条件下，焊缝的冷却速度非常快； 一则容易出现淬硬组织，硬度升高，冷裂纹的敏感性增大。 二则在结构拘束度很大的前提下，极易增加焊缝一次结晶的区域偏析，在焊缝中心产生结晶裂纹。 三则在冷却过程中，游离氢的溶解速度降低。冷却的速度太快，氢逸出时间短，残留在金属中的比例增大，冷裂纹的效应增加。 较常温冷却速度快得多 冷裂纹 施工现场雪景

低温焊接技术 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，所以冬季施焊的两个关键： 1、尽量避免在三向应力状态下施焊； 2、努力提高焊接环境和结构构件的实际温度。 施工现场雪景

低温焊接技术 经低温试验结果表明：低温焊接环境温度范围为0～-15℃，低于-15℃， 需停止焊接作业；低温焊接时需要搭设防风装置，焊机时预热温度要适宜，厚板受低温影响较大，焊后应采用进行后热处理，减小冷却速度。 2005 年12 月1 日至2006 年3 月15 日（北京整个冬季）， 鸟巢 现场共计完成厚度在30mm 以上的焊缝1024m。根据设计要求， 按全熔透一级焊缝进行100% 超声波无损探伤， 一次合格率为99.7%， 第三方按焊缝总长的12%抽检， 100%合格。

特殊钢结构合拢技术 合拢是鸟巢钢结构焊接工序的收宫之作，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。合拢焊缝属于带载焊接的范畴，具有很高的难度。 合拢焊缝决定着整体钢结构体系的一次初始应力状态，合拢焊缝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，容易形成焊接热裂纹，存在较大的风险。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。 合拢要求：“同温、同时、同步”。

特殊钢结构合拢技术 同温 同时 同步 ● 温度变化将在结构中引起很大的内力和变形，对结构合拢的安 全性将产生显著的影响。 ● 合拢工程必须在构件受热均匀的环境中即合拢工程必须在没有日照的夜间进行。 ●同时焊接能保证环境温度对焊缝影响最小。也能使焊缝负载相同，焊接的残余应力差别小，不易出现热裂纹。 ● 3天3夜焊完400多条合拢焊缝，在高空焊接成功，一次合格率为99.9%。 ●钢结构一旦形成封闭稳定结构，就形成了系统的一次应力。而合拢焊缝便是应力最大的焊缝，极易形成热裂纹。 ●最有效的方法是用拘束板转移负载，使一次应力全部转移在拘束扳上，待焊缝形成后，割除拘束板。一次应力再转移在焊缝上。

结语 2006年9月17日，在历经两年多的建设后，鸟巢终于迎来钢结构施工最后也是最重要的一个环节——钢结构卸载。 卸载后，“鸟巢”重达4.2万吨的钢结构将摆脱外力的支撑，靠自己站立起来。 ▲本科普ppt信息和图片来自网络，经作者思考、加工整理而成。

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