第15讲：钢结构工程

土木工程施工邵阳学院土木专业1构件制作2拼装与连接3钢结构安装钢结构工程邵阳学院杨宗耀（教授级高工）钢结构工程土木工程施工邵阳学院土木专业钢结构工程【教学要求】了解钢结构构件工厂制作的工艺过程;了解钢结构常用焊接方法、特点及适用范围，熟悉手工电弧焊施工要点；了解钢结构紧固件连接方法、特点及适用范围，熟悉高强螺栓施工要点；了解单层钢结构安装的一般方法。【教学重点】构件工厂制作的工艺过程；钢结构常用连接方法、种类及施工要点。【教学难点】手工电弧焊施工要点、高强螺栓施工要点。【时间安排】本章共1讲、2学时。土木工程施工邵阳学院土木专业概述钢结构是指以钢铁为基材，经机械加工组装而成的结构。建筑钢结构仅限于工业厂房、高层建筑、塔桅结构、桥梁等。钢结构具有强度高、结构轻、施工周期短和精度高等特点，在建筑、桥梁等土木工程中被广泛采用。单层厂房钢结构体系“鸟巢”的钢结构造型钢结构工程共63页第1页土木工程施工邵阳学院土木专业用作钢结构的钢材有钢板、钢带、型钢(工字钢、槽钢、角钢)、钢管和钢铸件等。钢带工字钢钢板槽钢及角钢钢管概述共63页第2页土木工程施工邵阳学院土木专业钢材的进场验收⑴质量证明文件：钢材进场应有随货同行的质量合格证明文件，进口钢材应有国家商检部门的复验报告；⑵外观检查：钢材端边或断口处不应有分层、夹渣等缺陷;钢材表面有锈蚀、麻点或划痕等缺陷时，其深度不得大于该钢材厚度允许偏差值的1/2，且锈蚀等级应在C级及C级以上。⑶允许偏差抽查：钢板抽查厚度，型钢抽查规格尺寸，每一品种、规格各抽查5处。⑷抽样复验：国外进口钢材、钢材混批、板厚≥40mm且有Z向性能要求的厚板、结构安全等级为一级大跨度结构中主要受力构件采用的钢材、设计有复验要求的钢材、对质量有疑义的钢材应进行抽样复验。概述共63页第3页土木工程施工邵阳学院土木专业1构件制作钢结构构件制作一般在工厂进行，包括放样、号料、切割下料、边缘加工、弯卷成型、折边、矫正和防腐与涂饰等工艺过程。钢结构工程箱型柱吊车梁钢管柱钢桁架格构式管柱共63页第4页土木工程施工邵阳学院土木专业H型钢C型钢Z型钢蜂窝梁钢楼承板彩色压型钢板自然通风器预埋锚栓1构件制作轻钢结构的构件共63页第5页土木工程施工邵阳学院土木专业1.1放样与号料根据产品施工详图或零、部件图样要求的形状和尺寸，按1:1的比例把产品或零、部件的实体画在放样台或平板上，求取实长并制成样板的过程。1.1.1放样对复杂的壳体零、部件，还需作图展开。有条件时应采用计算机辅助设计。1构件制作1.1.2号料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。工人在号料共63页第6页土木工程施工邵阳学院土木专业1.2切割下料切割是将放样和号料的零件形状从原材料上进行下料分离。常用的切割方法有：气割、机械剪切和等离子切割三种方法。1.2.1气割下料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，将氧化物吹除而形成一条狭小而整齐的割缝。气割法有手动气割、半自动气割和自动气割。手动气割割缝宽度为4mm，自动气割割缝宽度为3mm。1构件制作共63页第7页土木工程施工邵阳学院土木专业气割法设备灵活、费用低廉、精度高，能切割各种厚度的钢材，尤其是带曲线的零件或厚钢板，是目前使用最广泛的切割方法。气割下料CNC电脑切割生产线直线气割机1.2切割下料共63页第8页土木工程施工邵阳学院土木专业1.2.2机械剪切下料通过冲剪、切削、磨擦等机械来实现。⑴冲剪切割：当钢板厚度≯12cm时，采用剪板机、联合冲剪机切割钢材，速度快、效率高，但切口略粗糙。⑵切削切割：采用弓锯床、带锯机等切削钢材，精度较好。⑶磨擦切割：采用磨擦锯床、砂轮切割机等切割钢材，速度快、但切口不够光洁、噪声大。液压联合冲剪机锯床1.2切割下料共63页第9页土木工程施工邵阳学院土木专业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，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。1.2.3等离子切割下料等离子切割机数控等离子切割机1.2切割下料共63页第10页土木工程施工邵阳学院土木专业1.3构件加工对于尺寸精度要求高的腹板、翼缘板、加劲板、支座支撑面和有技术要求的焊接坡口，需要对剪切或气割过的钢板边缘进行加工。1.3.1边缘加工边缘加工方法有：铲边、刨边、铣边和碳弧气刨边。钢板铣边机端面铣滚剪倒角(坡口)机1构件制作共63页第11页土木工程施工邵阳学院土木专业1.3.2弯卷成型钢板卷曲是通过旋转辊轴对板料进行连续三点弯曲所形成的。钢板卷曲包括预弯、对中和卷曲三个过程。⑴钢板卷曲①预弯：钢板在卷板机上卷曲时，两端边缘总有卷不到的部份，即剩余直边。通过预弯消除剩余直边。②对中：为防止钢板在卷板机上卷曲时发生歪扭，应将钢板对中，使钢板的纵向中心线与滚筒轴线保持严格的平行。③卷曲：对中后，利用调节辊筒的位置使钢板发生初步的弯曲，然后来回滚动而卷曲。钢板卷曲1.3构件加工共63页第12页土木工程施工邵阳学院土木专业①型钢弯曲：型钢弯曲时断面会发生畸变，弯曲半径越小，则畸变越大。应控制型钢的最小弯曲半径。构件的曲率半径较大，宜采用冷弯；构件的曲率半径较小，宜采用热弯。⑵型材弯曲②钢管弯曲：在自由状态下弯曲时截面会变形，外侧管壁会减薄，内侧管壁会增厚。弯制方法：管中加入填充物(砂)或穿入芯棒进行弯曲；或用滚轮和滑槽在管外进行弯曲。弯曲半径：≮管径的3.5倍(热弯)到4倍(冷弯)。型材弯曲机全自动弯管机1.3构件加工共63页第13页土木工程施工邵阳学院土木专业把构件的边缘压弯成倾角或一定形状的操作过程称为折边。折边可提高构件的强度和刚度。弯曲折边利用折边机进行。⑶折边包括铆钉孔、螺栓孔，可钻可冲。钻孔用钻孔机进行，能用于钢板、型钢的孔加工；冲孔用冲孔机进行，一般只能在较薄的钢板、型钢上冲孔，且孔径一般≮钢材的厚度。施工现场的制孔可用电钻、风钻等加工。⑷制孔液压板料折弯机数控三维钻孔机1.3构件加工共63页第14页土木工程施工邵阳学院土木专业1.3.3构件矫正钢材在存放、运输、吊运和加工成型过程中会变形,必须对不符合技术标准的钢材、构件进行矫正。钢结构的矫正，是通过外力或加热作用迫使钢材反变形，使钢材或构件达到技术标准要求的平直或几何形状。矫正的方法：火焰矫正(亦称热矫正)、机械矫正和手工矫正(亦称冷矫正)。1.3构件加工板材矫正机H型钢翼缘矫正机钢管矫直机共63页第15页土木工程施工邵阳学院土木专业利用火焰对钢材进行局部加热，被加热处理的金属由于膨胀受阻而产生压缩塑性变形，使较长的金属纤维冷却后缩短而完成的。⑴火焰矫正影响矫正效果的因素：火焰加热位置、加热的形式、加热的温度。火焰矫正加热的温度：对于低碳钢和普通低合金钢为600～8000C。火焰矫正1.3构件加工共63页第16页土木工程施工邵阳学院土木专业是通过专用矫正机使用权弯曲的钢材在外力作用下产生过量的塑性变形，以达到平直的目的。⑵机械矫正拉伸机矫正：用于薄板扭曲、型钢扭曲、钢管、带钢、线材等的矫正。压力机矫正：用于板材、钢管和型钢的矫正。多辊矫正机：用于型材、板材等的矫正。液压矫正机多辊矫正机矫正板材1.3构件加工共63页第17页土木工程施工邵阳学院土木专业采用锤击的方法进行，操作简单灵活。由于矫正力小、劳动强度大、效率低而用于矫正尺寸较小的钢材，或矫正设备不便于使用时采用。⑶手工矫正锤击法--钢板焊接应力变形校正1.3构件加工共63页第18页土木工程施工邵阳学院土木专业1.4.1钢材的除锈钢结构的防腐与涂饰包括普通涂料涂装和防火涂料涂装。涂装前，钢材表面应除锈。1.4除锈、防腐与涂饰钢材除锈方法有：喷砂、抛丸、酸洗以及钢丝刷人工除锈、现场砂轮打磨等。抛丸除锈是最理想的除锈方式。喷砂除锈抛丸机除锈1构件制作共63页第19页土木工程施工邵阳学院土木专业1.4.2防腐与涂饰施涂的方法有刷涂法(油性基料的涂料)和喷涂法(快干性和挥发性强的涂料)普通涂料的涂装遍数、涂层厚度应符合设计要求，钢材表面不应误涂、漏涂，涂层应均匀，无明显皱皮、流坠、针眼、气泡及脱皮和返锈等。防火涂料的涂层厚度应符合耐火极限的设计要求。喷涂法进行涂装1.4除锈、防腐与涂饰共63页第20页土木工程施工邵阳学院土木专业2连接与拼装钢构件的连接方法有焊接、紧固件连接(螺栓连接、射钉、自攻钉、拉铆钉)及铆接三种。钢结构工程广州电视塔外筒南京大胜关长江大桥钢结构焊接施工高强螺栓连接施工铆接连接共63页第21页土木工程施工邵阳学院土木专业2.1钢结构构件焊接焊接方法特点适用范围手工焊交流焊机设备简易,操作灵活,可进行各种位置的焊接普通钢结构直流焊机焊接电流稳定,适用于各种焊条要求较高的钢结构埋弧自动焊生产效率高,焊接质量好,表面成型光滑美观,操作容易,焊接时无弧光,有害气体少长度较长的对接或贴角焊缝埋弧半自动焊与埋弧自动焊基本相同,但操作较灵活长度较短、弯曲焊缝CO2气体保护焊生产效率高,焊接质量好,成本低,易于自动化,可进行全位置焊接用于薄钢板钢结构常用焊接方法、特点及适用范围2连接与拼装共63页第22页土木工程施工邵阳学院土木专业2.1.1手工电弧焊⑵焊条：焊条供手工电弧焊用，由焊芯和药皮组成。焊条的表示方法(如E4303、E5015)：“E”代表焊条，前两位“43”、“50”表示焊缝金属的抗拉强度等级(430、500N/mm2)，第三位数字代表焊接的位置，最后一位数表示适用电源种类及药皮类型。又称焊条电弧焊：是最普遍的熔化焊焊接方法，它是利用电弧产生的高温、高热量进行焊接的。⑴电焊机：主要有交流弧焊机、直流弧焊机。交流弧焊机直流弧焊机焊条2.1钢结构构件焊接共63页第23页土木工程施工邵阳学院土木专业⑶焊接接头与坡口为确保焊件能焊透，必须开一定形状的坡口。焊接前根据焊接部位的形状、尺寸、受力的不同，选择合适的接头类型。常见的接头型式有对接、搭接、丁字接和角接等。常见的接头型式对接接头的坡口型式2.1钢结构构件焊接共63页第24页土木工程施工邵阳学院土木专业⑷焊接工艺参数的选择手工电弧焊的焊接工艺参数有：焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接层数、电源种类及极性等。焊条直径——根据焊件厚度、接头形式、焊缝位置和焊接层次来选择。焊接电流——根据焊条的类型、直径、焊件的厚度、接头形式、焊缝空间位置等因素来考虑。其中焊条直径和焊缝空间位置最为关键。电弧电压——根据电源特性，由焊接电流决定相应的电弧电压。此外电弧电压还与电弧长有关。2.1钢结构构件焊接共63页第25页土木工程施工邵阳学院土木专业焊接层数——视焊件的厚度而定。除薄板外，一般都采用多层焊。每层焊缝的厚度过大，对焊缝金属的塑性有不利影响，施工中每层焊缝的厚度不应大于4～5mm。多层焊的焊缝和焊接顺序有平焊、立焊、横焊和仰焊四种。平焊易操作，劳动条件好，生产率高，焊缝质量易保证。立焊、横焊和仰焊时施焊困难，应尽量避免。⑸焊缝的空间位置焊缝的空间位置2.1钢结构构件焊接共63页第26页土木工程施工邵阳学院土木专业⑹焊接准备碰击法——将焊条垂直于焊件进行碰击，然后迅速保持一定距离；划擦法——将焊条端头轻轻划过焊件，然后迅速保持一定距离。严禁在焊缝区以外的母材上打火引弧。包括坡口制备、焊口清理、焊条烘干、预热、预变形及高强度钢切割表面探伤等。⑺引弧引弧方法钢管打坡口2.1钢结构构件焊接共63页第27页土木工程施工邵阳学院土木专业⑻运条方法①沿其中心线向下送进——焊条被电弧熔化变短，为保持弧长，须使焊条沿其中心线向下送进，以防止断弧；焊条运条有三个运条方向，三个方向的动作应密切配合。②沿焊缝方向移动——为形成线形焊缝，焊条要沿焊缝方向移动，移动速度应适当；③横向摆动——为获得一定宽度的焊缝，焊条必须横向摆动。平焊焊条角度和运条基本动作2.1钢结构构件焊接共63页第28页土木工程施工邵阳学院土木专业2.1.2埋弧自动焊埋弧自动焊的优点是：生产效率高、焊缝质量好、节约钢材和电能、改善了劳动条件。埋弧自动焊