北京工人体育场高强度厚板钢低温焊接仿真与试验研究_李欣.pdf

第 53 卷 第 6 期2023 年 3 月下建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.6Mar.2023DOI:10.19701/j.jzjg.ZJ220110 第一作者:第一作者:李欣,硕士,高级工程师,主要从事大型公建项目建造及施工研究,Email:1710941523 。通信作者:通信作者:庄宝潼,博士,高级工程师,主要从事机械连接、材料加工,Email:zbt115 。北京工人体育场高强度厚板钢低温焊接仿真与试验研究李 欣1,王 猛1,庄宝潼2,3,徐文汉1(1 北京建工集团有限责任公司,北京 100055;2 河北省土木工程灾变控制与灾害应急重点实验室,廊坊 065201;3 华北科技学院建筑工程学院,廊坊 065201)摘要:针对北京工人体育场改造复建冬季现场低温环境下高强厚板复杂钢结构焊接作业难度大的问题,开展了-15低温环境 Q460GJC 厚板焊接接头温度场、显微组织、力学性能模拟和工艺试验研究。结果表明:预热温度为170时,焊接开始时,V 形坡口斜面端温度比直端低,实测温度前三层焊接后温度比预热温度低,第 6 层焊接后温度趋于一致,略高于预热温度,实际温度比模拟温度略低 20左右,均小于 225的要求值;模拟焊接后,焊缝处的组织主要由铁素体、珠光体和贝氏体组成,铁素体占 50%左右;通过显微组织观察,焊缝区主要是铁素体与珠光体,表层区主要是铁素体与球状珠光体,中心层区出现了板条状珠光体,热影响区组织为铁素体+贝氏体;显微硬度范围 188275HV,焊缝极限强度值在 640MPa 左右;通过对比模拟结果与实测结果,基于焊接热模拟及焊接冶金基础理论可有效实现高强钢厚板焊接组织性能预测分析。关键词:北京工人体育场;改造复建;高强度钢;低温焊接;焊接模拟仿真 中图分类号:TU511.3 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)06-0031-09引用本文 李欣,王猛,庄宝潼,等.北京工人体育场高强度厚板钢低温焊接仿真与试验研究J.建筑结构,2023,53(6):31-39,82.LI Xin,WANG Meng,ZHUANG Baotong,et al.Simulation and experimental study on low temperature welding of high strength thick plate steel in Beijing Workers StadiumJ.Building Structure,2023,53(6):31-39,82.Simulation and experimental study on low temperature welding of high strength thick plate steel in Beijing Workers Stadium LI Xin1,WANG Meng1,ZHUANG Baotong2,3,XU Wenhan1(1 Beijing Construction Engineering Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China;2 Hebei Key Laboratory of Civil Engineering Catastrophe Control and Disaster Emergency Response,Langfang 065201,China;3 Architectural Engineering College,North China Institute of Science and Technology,Langfang 065201,China)Abstract:In order to solve the problem of difficult welding operation of complex steel structure of high strength thick plate under low temperature environment in the reconstruction of Beijing Workers Stadium in winter,the temperature field,microstructure,mechanical properties simulation and process test of welded joint of Q460GJC thick plate in-15 low temperature environment were carried out.Results show that when the preheating temperature is 170,the temperature of V groove welding bevel end is lower than the straight side at the beginning.The measured temperature of the first three layer after welding is lower than the preheating temperature while the temperature after the sixth layer tends to be same and is slightly higher than the preheating temperature.The actual temperature are all lower than the required value of 225 and about 20 lower than the simulated temperature.After simulated welding,the microstructure of the weld joint is mainly composed of ferrite,pearlite and bainite,with ferrite accounting for about 50%.According to the microstructure observation,the microstructure of weld zone is mainly ferrite and pearlite,the surface zone is mainly ferrite and spherical pearlite,the central layer of the plate is lamellar pearlite,the heat affected zone is ferrite+bainite.The microhardness range is 188275HV,and the ultimate strength of the weld joint is about 640MPa.By comparing the the measured results with simulation results,the prediction analysis of welding microstructure and properties of high strength thick steel plate can be effectively realized based on welding thermal simulation and basic theory of welding metallurgy.Keywords:Beijing Workers Stadium;rehabilitation and reconstruction;high strength steel;low temperature welding;welding simulation 建 筑 结 构2023 年0引言 2020 年 7 月,北京工人体育场启动保护性改造复建1,按照保护为先的原则,坚持“传统外观、现代场馆”设计理念,保持主体建筑椭圆形造型、立面形式、特色元素与建设初期时相同,恢复工人体育场原有风貌。改造后的体育场(图 1)地上 6 层,地下 2 层,体育场屋顶罩棚钢结构采用了大开口空间单层拱壳结构,结构平面长轴 271.5m,短轴 205m,最大悬挑跨度约 74m,屋盖投影覆盖所有低区看台。图 1 北京工人体育场改造复建后效果图高强钢因其具有较高的强度,可以减轻结构自重,在建 筑 结 构 中 得 到 广 泛 应 用2,屈 服 强 度460MPa 级的高层建筑结构用钢(简称 Q460GJC)的使用日益规模化。21 世纪以来,高层建筑结构用钢已在国内多个重大建筑工程项目中得到应用,如国家体育场(鸟巢)、中央电视台总部大楼、深圳平安金融中心、北京中信大厦(中国尊)、深圳湾体育中心、北京凤凰国际传媒中心等3。不少高校和科研院所在高层建筑结构用钢的研究领域进行了探索。班慧勇4介绍了建筑结构用高强度钢材力学性能研究进展;宋思颖等5对Q460 进行了动态和静态过冷奥氏体连续冷却转变试验研究,结合不同冷却速度下 Q460 钢的膨胀曲线、显微组织和显微维氏硬度,绘制了相应的动态和静态 CCT 曲线;寇涵6完成了 Q460GJ 钢厚板的静力、循环力学性能的试验研究,得到了 42mm 和80mm 厚板不同厚度层及沿板厚方向不同位置的静力和动力力学性能;王林7研究了大范围三轴应力度和高应变率下 Q460GJ 的动力力学性能,并提出了相应的断裂失效准则;施刚8对 Q460C 母材及其焊缝连接进行了一系列常规轴向拉伸疲劳试验,测出同一类疲劳试件的 S-N 曲线,结果表明,抗疲劳破坏性能对荷载初值较敏感,且试验结果离散性较大;Yang 等9通过 5 种双轴对称截面和 3 种单轴对称截面研究了薄型 H 形截面构件的残余应力;在460MPa 高建钢性能研究的课题中,Kang 等10基于8 根焊接等边箱形截面构件对轴压构件整体稳定承载性能开展了试验研究,通过对 80mm 厚 Q460GJC钢对接焊缝静力、高周疲劳力学性能的试验研究,发现靠近外表面的焊缝的静力力学性能优于焊缝中部区域;张元杰11对 Q460GJC 钢进行焊接工艺试验,了解 460MPa 级高层建筑结构用钢焊接性能,Q460GJC 钢抗裂性较好,焊前可不进行预热,热影响区过热区晶粒粗大,硬度较高,但没有出现淬硬组织,热影响区综合力学性能良好;符定梅12研究了焊接工艺对 20mm 厚 Q460GJC 钢板焊缝热影响区最高硬度的影响,当选用较大线能量的焊接工艺参数时,Q460GJC 钢热影响区的最高硬度小于350HV,冷裂纹倾向降低。在焊接应力场与模型分析方面,王田13研究了 Q460 高强度钢材焊接 T 形截面残余应力的分布规律,熊晓莉14提出了能够描述国产 Q460 高强钢焊接 T 形截面残余应力分布模型,朱爱华15用 ANSYS 分析了无预热、预热温度为150和 200时 Q460 焊接温度场和应力场的分布情况。但针对 Q460GJC 钢的低温焊接工艺、模拟及力学性能还未见报道。北京工人体育场屋顶罩棚钢结构中,对于主要受力较大和受力复杂的外环梁、压力环桁架等位置,采用 Q460GJC 钢材,最大板厚 90mm,如图 2、图3 所示。钢板强度高、厚度大,焊接接头处焊缝填充量大,且易产生焊接变形。同时由于项目工期所限,需要在冬季低温、大风等恶劣气候环境下进行焊接施工,钢结构在低温环境下焊接易因温度等控制不合理造成后期冷裂纹或脆断等问题,进一步加大了焊接施工的难度。针对冬季现场低温环境下高强厚板复杂钢结构焊接作业难度大的情况,开展低温、大风环境下焊接工艺试验研究及低温环境 Q460GJC 厚板焊接接头组织性能数值模拟研究;基于相变组织演变基础理论,对焊接温度场进行模拟分析,建立大型钢结构焊接节点三维金相组织演变