钢结构工程

第八章钢结构工程钢结构特点：1、钢材重量轻而强度高，是一种轻质高强的材料。2、钢材的韧性和塑性好。3、钢材更接近于匀质等向体。4、钢材具有可焊性。5、钢结构制造简便，施工方便，具有良好的装配性。6、钢材易于锈蚀，应采取防护措施。7、钢结构的耐热性好，但防火性差。第一节建筑钢结构材料一、钢材我国建筑钢结构采用的主要钢材是碳素结构钢和低合金高强度结构钢1、普通碳素结构钢碳素结构钢是建筑钢结构中应用最广泛的钢种。在国家标准《碳素结构钢》（GB70088）中，根据钢材中碳、锰含量及屈服点的大小，按由低到高的次序排列，将碳素结构钢分为5种牌号，大部分牌号中还分有质量等级。每种牌号都规定有脱氧方法。碳素结构钢的牌号和化学成分，拉伸试验和冲击试验，冷弯试验应符合国家标准规定。进行拉伸试验和冷弯试验时，钢板和钢带应取横向试样，伸长率允许比标准降低1%。型钢取纵向试样。2、优质碳素结构钢优质碳素结构钢按国家标准GB699—88的规定，根据其含锰量的不同分为两组：普通含锰量的钢，其含锰量小于0.8%；较高含锰量的钢，其含锰量为0.7%—1.2%。优质碳素钢含杂质较少，其钢号的写法是用其平均含碳量的表示。3、低合金高强度结构钢普通低合金高强度结构钢是一种在普通碳素结构钢基础上添加少量的一种或几种合金元素，以提高其强度、耐腐蚀性或低温冲击韧性的钢材。普通低合金钢按其屈服强度等级分为五中牌号，钢结构常用的牌号为Q345钢。4、钢材的选择和代用钢材的选择首先应符合图纸设计要求的规定，钢结构所采用的钢材必须附有钢材的质量证明书，各项指标必须符合设计要求和国家现行有关标准的规定，当需进行钢材代用时，除必须征的设计人同意外，还应注意以下几点：1）材质证明书不能满足设计要求时，应进行补充实验，合格后才能应用。2）应保证钢材代用的安全性和合理性，不能任意以优代劣。3）钢材的牌号和材料性能都与设计要求不符时，应进行结构和构件计算，并根据计算结果改变结构的截面，焊缝尺寸及结点构造。5、钢材的验收和堆放二、连接材料钢结构的连接是通过一定方式将各个杆件连成整体。钢结构的连接方法分为铆接、焊接、普通螺栓连接和高强度螺栓连接。，依据连接方法不同，连接材料分为以下几种：（一）铆钉（二）普通螺栓（三）高强螺栓（四）焊接材料1、电焊条（1）碳钢焊条（2）低合金钢焊条2、焊丝3、焊剂三、防锈及防火涂料第二节钢结构加工一、工艺流程由于钢材的强度高，硬度小，对钢结构的制造精度要求教高，因而钢结构构件的加工制造必须在具有专门机械设备的金属结构制造厂中进行。钢结构制造的工艺流程一般包括的顺序如下图：二、零件加工零件加工主要包括以下各工序：1、原材料矫正矫正方法有机械矫正和火焰矫正。2、放样和号料放样和号料是整个钢结构制作工艺中的第一道工序，其工作的准确与否将直接影响到整个产品的质量，至关重要。为了提高放样和号料的精度和效率，有条件时，应采用计算机辅助设计。放样是根据产品施工详图或零、部件图样要求的形状和尺寸，按照1:1的比例把产品或零、部件的实形画在放样台或平板上，求取实长并制成样板的过程。号料就是根据样板在钢材上画出构件的实样，并打上各种加工记号，为钢材的切割下料作准备。3、切割下料切割的目的就是将放样和号料的零件形状从原材料上进行下料分离。钢材的切割可以通过切削、冲剪、摩擦机械力和热切割来实现。常用的切割方法有：机械剪切、气割和等离子切割三种方法。气割法是利用氧气与可燃气体混合产生的预热火焰加热金属表面达到燃烧温度并使金属发生剧烈的氧化，放出大量的热促使下层金属也自行燃烧，同时通以高压氧气射流，将氧化物吹除而引起一条狭小而整齐的割缝。随着割缝的移动，使切割过程连续切割出所需的形状。这种切割方法设备灵活、费用低廉、精度高，是目前使用最广泛的切割方法，能够切割各种厚度的钢材，特别是带曲线的零件或厚钢板。气割前，应将钢材切割区域表面的铁锈、污物等清除干净，气割后，应清除熔渣和飞溅物。机械切割法可利用上、下两剪刀的相对运动来切断钢材，或利用锯片的切削运动把钢材分离，或利用锯片与工件间的摩擦发热使金属熔化而被切断。常用的切割机械有剪板机、联合冲剪机、弓锯床、砂轮切割机等。其中剪切法速度快、效率高，但切口略粗糙；锯割可以切割角钢、圆钢和各类型钢，切割速度和精度都较好。机械剪切的零件，其钢板厚度不宜大于12mm，剪切面应平整。等离子切割法是利用高温高速的等离子焰流将切口处金属及其氧化物熔化并吹掉来完成切割，所以能切割任何金属，特别是熔点较高的不锈钢及有色金属铝、铜等。数控等离子气割机下料精准，可按需求自动切割各种形状。切割边缘整齐光滑，对材质影响小。数控钢管相贯线气割机4、制孔在钢结构制孔中包括铆钉孔、普通螺栓连接孔、高强度螺栓孔、地脚螺栓孔等，制孔通常有冲孔和钻孔两种。①钻孔钻孔是钢结构制造中普遍采用的方法，能用于几乎任何规格的钢板、型钢的孔加工。钻孔的原理是切削，故孔壁损伤较小，孔的精度较高。钻孔在钻床上进行，对于构件因受场地狭小限制，加工部位特殊，不便于使用钻床加工时，则可用电钻、风钻等加工。②冲孔冲孔是在冲孔机(冲床)上进行，一般只能在较薄的钢板和型钢上冲孔，且孔径一般不小于钢材的厚度，亦可用于不重要的节点板、垫板和角钢拉撑等小件加工。冲孔生产效率较高，但由于孔的周围产生冷作硬化，孔壁质量较差，有孔口下塌、孔的下方增大的倾向，所以，除孔的质量要求不高时，或作为预制孔(非成品孔)外，在钢结构中较少直接采用。全自动数控三维钻床对构配件钻孔，准确、安全、高效。5、边缘加工在钢结构制造中，经过剪切或气割过的钢板边缘，其内部结构会发生硬化和变态。为了保证桥梁或重型吊车梁等重型构件的质量，需要对边缘进行加工，其刨切量不应小于2.0mm。此外，为了保证焊缝质量，考虑到装配的准确性，要将钢板边缘刨成或铲成坡口，往往还要将边缘刨直或铣平。一般需要作边缘加工的部位包括：吊车梁翼缘板、支座支撑面等具有工艺性要求的加工面；设计图纸中有技术要求的焊接坡口；尺寸精度要求严格的加劲板、隔板、腹板及有孔眼的节点板等。常用的边缘加工方法有铲边、刨边、铣边和碳弧电气刨边四种。6、弯制当钢板或型钢需要弯成某一角度或弯成某一圆弧时，就需要弯制工艺。弯制方法有冷弯和热弯。不同的钢材使用不同的弯制方法。薄钢板和弯曲的曲率半径较大时，可采用冷弯，在专门的辊弯机上进行。对于厚钢板和型钢，当弯曲角度过大或曲率半径较小时，一般需要热弯。热弯需要控制好温度和时间。7、钢球的制作采用热压成型方法制成半球，然后采用焊接方法制成钢球。为保证球型节点的强度，必须保证两个半球的焊接质量。除外观检查以外，还应用超声波探伤对焊缝内部进行检查。三棍卷板机三、构件工厂拼装和连接（一）拼装拼装是钢构件生产流水段中质量保证的关键环节，将加工好的零部件按照图纸的要求拼装成单个构件。钢构件拼装时，一般采用平面拼装，拼装平台上制作的拼装胎模应稳定可靠。构件应处于自由状态，不得强行固定。预拼装的允许偏差应符合有关规范的规定。（二）连接钢结构的连接方法分为焊接、铆接、普通螺栓连接和高强螺栓连接。1、焊接连接(1)、建筑钢结构焊接时一般应考虑以下问题：①焊接方法的选择应考虑焊接构件的材质和厚度、接头的形式和焊接设备；②焊接的效率和经济性；③焊接质量的稳定性。重型H型钢焊接生产电弧焊是工程中应用最普遍的焊接形式，电弧焊中，熔化接头根据焊件的厚度、使用条件、结构形状的不同又分为对接接头、角接接头、T形接头和搭接接头等形式。在各种形式的接头中，为了提高焊接质量，较厚的构件往往要开坡口。开坡口的目的是保证电弧能深入焊缝的根部，使根部能焊透，以便清除熔渣，获得较好的焊缝形态。焊接接头形式见下表所示。表6-2焊接接头形式序号名称图示接头形式特点1对焊接头不开坡口V，X，U形坡口应力集中较小，有较高的承载力2角焊接头不开坡口适用厚度在8mm以下V，K形坡口适用厚度在8mm以下卷边适用厚度在2mm以下3T形接头不开坡口适用厚度在30mm以下的不受力构件V，K形坡口适用厚度在30mm以上的只承受较小剪应力构件4搭接接头不开坡口适用厚度在12mm以下的钢板塞焊适用双层钢板的焊接（2）、焊缝形式：①按施焊的空间位置分，焊缝形式可分为平焊缝、横焊缝、立焊缝及仰焊缝四种(图6-5)。平焊的熔滴靠自重过渡，操作简单，质量稳定(图6-5a)；横焊时，由于重力熔化金属容易下淌，而使焊缝上侧产生咬边，下侧产生焊瘤或未焊透等缺陷(图6-5b)；立焊焊缝成形更加困难，易产生咬边、焊瘤、夹渣、表面不平等缺陷(图6-5c)；仰焊时，必须保持最短的弧长，因此常出现未焊透、凹陷等质量问题(图6-5d)。a)b)c)d)图6-5各种位置焊缝形式示意图a)平焊；b)横焊；c)立焊；d)仰焊②按结合形式分，焊缝可分为对接焊缝、角焊缝和塞焊缝三种，如图6-6所示。对接焊缝主要尺寸有：焊缝有效高度S、焊缝宽度c、余高h。角焊缝主要以高度K表示，塞焊缝常以熔核直径d表示。a)b)c)a)对接焊缝；b)角焊缝；c)塞焊缝图6-6焊缝形式（3）焊接前的准备焊前准备包括坡口制备、预焊部位清理、焊条烘干、预热、预变形及高强度钢切割表面探伤等。（4）引弧与熄弧引弧有碰击法和划擦法两种。碰击法是将焊条垂直于工件进行碰击，然后迅速保持一定距离；划擦法是将焊条端头轻轻划过工件，然后保持一定距离。施工中，严禁在焊缝区以外的母材上打火引弧。在坡口内引弧的局部面积应熔焊一次，不得留下弧坑。（5）运条方法电弧点燃之后，就进正常的焊接过程，这时，焊条有三种方向的运动①焊条被电弧熔化变短，为保持一定的弧长，就必须使焊条沿其中心线向下送进，否则会发生断弧。②为了形成线形焊缝，焊条要沿焊缝方向移动，移动速度的快慢要根据焊条直径、焊接电流、工件厚度和接缝装配情况及所在位置而定。移动速度太快，焊缝熔深太小，易造成未透焊：移动速度太慢，焊缝过高，工件过热，会引起变形增加或烧穿。③为了获得一定宽度的焊缝，焊条必须横向摆动。在做横向摆动时，焊缝的宽度一般是焊条直径的1.5倍左右。以上三个方向的动作密切配合，根据不同的接缝位置、接头形式、焊条直径和性能、焊接电流、工件厚度等情况，采用合适的运条方式(见表6-3)，就可以在各种焊接位置得到优质的焊缝。表6-3常用运条方法及适用范围运条方法图例适用范围运条方法图例适用范围直线形要求焊肉很小的薄小构件下斜线形一般用于横焊带火形要求焊肉很小的薄小构件椭圆形一般用于横焊折线形普通焊缝三角形常用于加强焊缝的中心加热正半月形普通焊缝圆圈形角焊或平焊的堆焊反半月形普通焊缝一字形角焊或平焊的堆焊斜折线形一般用于边缘堆焊（6）焊接完工后的处理焊接结束后的焊缝及两侧，应彻底清除飞溅物、焊渣和焊瘤等。无特殊要求时，应根据焊接接头的残余应力、组织状态、熔敷金属含氢量和力学性能以决定是否需要焊后热处理。2、螺栓和铆钉连接安装永久螺栓时，应检查构件各部分的位置是否正确，精度是否满足要求，尺寸有误差时应予以调整，但不得采用气割扩孔。安装高强螺栓时应先试验摩擦面的抗滑移系数，是否符合设计要求及规范的规定；高强螺栓连接的板叠接触面应平整，摩擦面应保持干燥，整洁，不得在雨中作业；高强螺栓的安装应按一定的顺序施拧，由螺柱群中央顺序对称向外拧紧。3、高强度螺栓施工的机器具（1）手动扭矩扳手各种高强度螺栓在施工中以手动紧固时，都要使用有示明扭矩值的扳手施拧，使达到高强度螺栓连接副规定的扭矩和剪力值。一般常用的手动扭矩扳手有指针式、音响式和扭剪型三种(见图6-7)。①指针式扭矩扳手在头部设一个指示盘配合套筒头紧固六角螺栓，当给扭矩扳手预加扭矩施拧时，指示盘即示出扭矩值。②音响式扭矩扳手这是一种附加棘轮机构预调式的手动扭矩扳手，配合套筒可紧固各种直径的螺栓。音响扭矩扳手在手柄的根部带有力矩调整的主、副两个刻度，施拧前，可按需要调整预定的扭矩值。当施拧到预调的扭矩值时，便有明显的音响和手上的触感。这种扳手操作简单、效率高，适用于大规模的组装作业和检测螺栓紧固的扭矩值。③扭剪型手动扳手这是一种紧固扭剪型高强度螺栓使用的手动力矩扳手。配合扳手紧固螺栓的套筒，设有内套