【土木建筑】07 钢结构高层建筑施工.ppt

第7章 钢结构高层建筑施工, 7.1 钢结构高层建筑的结构体系 7.1.1 纯框架结构体系 7.1.2 框架一支撑(剪力墙)结构体系 7.1.3 错列桁架结构体系 7.1.4 外筒式结构体系 7.1.5 筒体结构体系 7.2 钢结构用钢材 7.2.1 结构用钢材的种类 7.2.2 结构钢材的品种 7.2.3 钢材的选用 7.2.4 钢材的代用 7.2.5 钢材的验收, 7.3 钢结构的连接技术 7.3.1 焊接连接的方法、原理及操作工艺 7.3.2 高强度螺栓连接技术 7.4 钢结构高层建筑的制作和安装 7.4.1 钢结构构件的制作 7.4.2 钢结构的安装 7.4.3 钢结构高层建筑制作和安装焊接工艺 7.5 钢结构的防腐与防火 7.5.1 钢结构的防腐 7.5.2 钢结构的防火 7.5.3 涂装施工,7.1 钢结构高层建筑的结构体系 我国钢结构有着悠久的历史，远在古代就有铁链悬桥、铁塔等建筑物。20世纪中期，先后建成了许多钢桥、工业厂房、体育馆等。几十年来，我国的大城市由于人口高度密集，生产和生活用房紧张，交通拥挤，地价昂贵，城市建筑逐渐向高空发展，高层和超高层建筑迅速出现。钢结构由于强度高，自重轻，有良好的塑性、韧性，抗震性能好，工业化程度高，安装容易，施工周期短，投资回收快，环境污染少，建筑造型美观等综合优势。随着我国钢铁结构的发展，国家建筑技术政策由以往限制使用钢结构转变为积极合理推广应用钢结构，从而推动了建筑钢结构的快速发展。旅馆、饭店、公寓、办公楼等多高层及超高层建筑采用钢结构也越来越多，北京、上海、深圳等地区已陆续建造了数十幢钢结构高层建筑。,如北京的京城大厦(183.35m)、深圳的地王大厦(384m)、上海的金茂大厦(421m)等著名的钢结构高层建筑。目前，钢结构高层建筑已成为我国高层建筑的主要结构类型，并且由于我国已生产钢结构高层建筑用厚钢板、热轧h型钢等多种钢材品种，也为钢结构高层建筑的发展提供了重要的物质保证。钢结构建筑被称为21世纪的绿色工程。表7-1列举了国内较有代表性的一些钢结构高层建筑。,目前，钢结构高层建筑的结构体系主要有纯框架结构体系、框架支撑(剪力墙)结构体系、错层桁架结构体系、外筒式结构体系、筒体结构体系等几种，如图7.1所示。,7.1 钢结构高层建筑的结构体系,7.1.1 纯框架结构体系,纯框架结构体系是由水平梁和垂直柱通过节点的刚性构造连接而成的多个平面刚接框架结构组成的空间杆系结构，承受作用于各个平面的荷载。框架结构在垂直平面上不设支撑，可以形成较大的空间，为平面布置提供了最大的灵活性，框架结构可以有多种结构平面，如图7.2所示。,框架结构体系各部分的刚度比较均匀，构造简单，易于施工。其整体性取决于各柱和梁的刚度、强度以及节点刚接构造的可靠性，在竖向荷载作用下的承载能力取决于梁、柱的强度和稳定性，在这方面与其他结构体系的情况基本相同，在水平荷载作用下其抗侧力的强度和刚度主要取决于杆件的抗弯能力。据此，该体系对于30层以下的建筑较为合适。25层的北京长富宫饭店，即为钢框架结构体系。当建筑超过30层后，楼层剪力很大，这种体系的刚度不易满足要求，靠加大梁、柱截面来提高框架的抗侧力能力，已不再经济合理，常需采用剪力墙或筒体结构来加强刚接框架而另成别的体系。框架结构体系的优点是建筑平面布置灵活，能适用于各类性质的建筑，有较大延性，有利于抗震；缺点是侧向刚度较差，在风载或地震荷载等水平荷载作用下，层间位移较大，会导致非结构部件破坏。,7.1.2 框架一支撑(剪力墙)结构体系,高层建筑结构设计的重要内容之一是控制建筑物顶点的水平位移在规定的限值范围内，上述纯框架结构体系到达一定高度后，难以承受水平荷载作用下的水平剪力，通过在框架结构某些节间的竖向平面内增设起剪力墙作用，由钢支撑构成的竖向抗剪支撑桁架，来承受水平剪力。即能有效地提高结构体系的抗剪刚度而大大减少水平位移，这种结构型式一般称之为框架支撑结构，其类型如图7.3(a)、(b)所示。,当刚接框架和抗剪支撑共同工作而成为框架支撑结构体系时，框架主要作为承受竖向荷载的结构，也承受一部分水平荷载(一般约占15%20%)，大部分水平荷载由抗剪支撑承受。在水平力作用下，抗剪支撑桁架的支撑构件只承受拉、压轴向应力，无论从强度或变形的角度看，都是十分有利的。 这种结构中因柱子主要承受墙、梁和楼板传递的竖向荷载，用钢量较纯框架结构小，框架梁柱节点相对简单，可视为铰接或半刚接。由于竖向抗剪支撑桁架提高了结构的抗水平力能力，增加了结构的整体刚度。因而此结构体系的建筑高度可以加大。可建到60层左右。如53层的北京京广中心(208m)即为钢框架支撑结构。,但当竖向支撑桁架设置在建筑物中部构成抗水平力核心筒时，外围柱一般不参与抵抗水平力，则整个结构的刚度提高有限，也就影响了建筑物层数的增加。如果在结构的顶层或中间层设置高度相当于一个楼层的水平带状支撑桁架，可使外围柱共同抵抗水平力，结构抵抗水平力能力大大提高。一般设在中间楼层的水平桁架称腰桁架，设在顶层的水平桁架称帽桁架。此类框架支撑结构又称为有腰(帽)桁架的框架支撑结构体系。如52层的北京京城大厦(183.35m)就采用了此结构体系。 支撑的类型很多，如图7.4所示，采用何种类型支撑、其数量多少及刚度大小，主要依建筑物高度和水平力的大小加以调整。在钢结构高层建筑中，用的最多的是人字支撑、交叉支撑和单斜杆支撑。为保持抗侧力性能的均衡，单斜杆支撑应对称布置，以承受左、右两方向来的地震作用。,另外有时在钢结构高层建筑中多采用带竖缝或水平缝的混凝土墙板代替支撑桁架，这种墙板的变形能力比普通混凝土墙板大得多。它的上下边沿全长与框架梁连接。由于混凝土墙板的断面大，有很大的刚度和抗剪能力，能有效地抵抗地震作用引起的剪力，显著地节约了钢材，如43层的深圳发展中心(165m)。,7.1.3 错列桁架结构体系,由框架支撑结构派生演变成。其特点是下一楼层的桁架位于上一楼层两榀桁架间距的中线上，使相邻两个楼层桁架呈“品”字形交错排列，如图7.5所示。此结构的楼板架设在下层桁架的上弦杆和上层桁架的下弦杆上，楼板参与桁架传递水平力，起刚性隔板作用。水平力作用于每层桁架上弦，经腹杆传至下弦，又由楼板传至相邻桁架的上弦。这一过程的重复，就可以使水平力传至基础。这种结构适用于公寓、旅馆等狭长建筑物，因为狭长矩形平面高层建筑，短边刚度往往较小，而短边方向的风载又较大。错列桁架结构的优点是短边刚度较大，容易满足以上设计要求，而且此结构的经济效果非常突出，国内尚无这种结构实例，据国外报道此体系非常省钢，其用钢量比框筒结构低40%。 又因桁架在工厂制作后整体吊装，结构安装速度快，施工周期短，美国已有此类结构实例。,7.1.4 外筒式结构体系,外筒式结构体系如图7.1(e)、(f)、(g)所示，有开口筒、框架筒、桁架筒等几种。当建筑物高度超过60层后，水平荷载作用的影响愈来愈严重，结构体系必须具有更强有力的承受水平荷载的有效部分。由于框架核心筒结构的内筒平面尺寸较小，其侧向刚度受到限制，所以有时把抗剪结构在外围延伸至建筑短边全宽，长边则在中间断开，在平面两端形成槽形悬臂构件，称为半框筒式结构或开口筒结构。如长边较长，中间可再加工字形抗剪悬臂构件或加一个封闭的中间筒。此结构的抗水平力构件可采用支撑桁架或密柱解决，其抗水平力能力加大，内部空旷，使用较灵活，但楼盖梁跨度较大，可建到70层。国内尚无此结构体系实例。,如果采用密排的柱和各层楼盖处的横梁(或以窗下墙作为横梁)刚接组成密间距矩形网格，四周成圈，形成一个封闭空心箱形悬臂筒(竖直方向)，来承受水平荷载，则大大提高了体系的抗侧移刚度和抗扭转性能。竖直重力荷载则主要由内部少量中间柱承受。劲性楼面作为横隔把侧力分布到周边结构上，无需楼板梁的弯矩约束作用来抵抗和传递水平力，楼板可做成密肋板或无梁平板，则可获得较大的楼层净高。这种结构的外筒是由空腹格网组成的框架式结构，因而称为框架筒。其合适高度为80层左右，其平面具有很大的多功能灵活性，且其外圈密排式空腹格网可直接作为安装玻璃的窗框。,但这种外筒不是实腹外墙而是密网框架，框架的柔性在传力过程中易造成应力损失，使正应力两边大中间小，角柱轴力大于中间轴力，形成剪力滞后现象。因此框架筒结构在水平荷载作用下，仍存在一定的缺点，为克服缺点可将外筒的刚性框架结构改为桁架式结构，也称为桁架式外筒结构。因框架筒依靠梁柱的弯曲抵抗水平剪力，而桁架筒则主要靠斜撑的轴向力来抵抗水平剪力，水平剪力引起的斜撑拉力将会被重力荷载产生的压力抵消，斜撑的这种双重作用使这种结构有很高的效能，用钢量也降低约10%，应用此结构体系，建筑物高可达100层以上。其缺点是开窗受斜撑影响，大量交叉节点使结构变的复杂。如图7.6所示美国芝加哥100层的约翰汉考克中心即为桁架式外筒结构，强大的交叉支撑外露于建筑物的立面上。,7.1.5 筒体结构体系,筒体结构体系如图7.1(h)、(i)所示，主要有筒中筒、筒束等几种。加强框架外筒式结构体系的另一种方法是在内部设置强劲的钢结构或钢筋混凝土结构剪力墙式的核心内筒，外围结构为密柱深梁钢框筒，从而发展形成筒中筒结构体系。此结构体系的内筒和外筒由楼盖结构连接起来形成一个整体，共同承受水平荷载和竖直荷载，可以十分有效地抵抗侧力。由于有内筒参与抵抗侧力，框筒的剪力泄后现象得到改善，其合适高度也可达到100层 左右。,筒式结构的发展，从单筒到筒中筒，进而又把许多个筒体排列而成筒束结构体系。此体系合适高度约为110120层，如采用桁架式筒束结构体系，有可能把合适高度提高到140层以上。美国芝加哥西尔兹大厦是采用筒束结构的典型实例。其平面形式及外形特征如图7.7所示。110层的西尔兹大厦平面尺寸67.567.5m，高445m。,50层以下结构由9个22.522.5的框筒相互连接组成筒束，平面呈正方形；5166层去掉2个角部框筒，平面呈双菱形；6790层又去掉另两个角部框筒，平面呈十字形；91110层再去掉3个框筒，平面呈长方形。, 7.2 钢结构用钢材,结构钢主要由铁元素组成，约占化学成分的98%或更高，但是影响钢材材质的却是所占百分比含量很小的其他元素，如碳、其他合金元素以及杂质元素。钢化学成分的微量变化，会直接影响钢材的机械性能、加工性能和使用性能。有时为获得更高的强度和韧性，必须加入少量其他元素，特别是碳和锰。对于焊接结构钢，除了抗拉强度外，塑性、韧性和可焊性都是主要指标，因而含碳量一般控制在0.22%以下，对碳、磷极限含量都严格控制，防止热脆和冷脆等。,7.2.1 结构用钢材的种类,钢材的品种繁多，性能各异，但在钢结构中采用的钢材按其化学元素组成，主要有以下几类：,1. 碳素结构钢 碳素结构钢是最普通的工程用钢，其中碳是形成钢材强度的主要元素，直接影响着钢材的可焊性。按其含碳量的多少，可分为低碳钢、中碳钢、高碳钢，见表7-2。其中低碳钢是最主要并最多使用的钢材品种。,碳素结构钢又可以分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。 1) 普通碳素结构钢(gb 7001988),根据现行的国家标准碳素结构钢(gb 7001988)的规定，碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母(q)、屈服点数值(n/mm2)、质量等级代号(a、b、c、d)、脱氧方法代号(f、b、z、tz)等四个部分符号按顺序组成。q是“屈”字汉语拼音的首位字母；质量等级中a级最差，d级最优；f、b、z、tz则分别是“沸”、“半”、“镇”及“特镇”汉语拼音的首位字母，分别代表沸腾钢、半镇静钢、镇静钢及特殊镇静钢(表示脱氧程度不同)。其中代号z、tz可以省略。如：q235-a.f表示屈服点为235n/ mm2的a级沸腾碳素结构钢。q235-d表示屈服点为235n/ mm2的d级特殊镇静碳素结构钢。 碳素结构钢按屈服点的大小，分为q195、q215、q235、q255、及q275等五种牌号。由平炉或氧气顶吹转炉冶炼、交货时，供方应提供力学性能和化学成分的质保书，其内容包括屈服强度、极限强度、伸长率、弯曲实验及碳、锰、硅、硫、磷等的含量。不同，牌号、不同质量等级的钢材对化学成分和拉伸、冲击韧性、冷弯等力学性能指标要求也不同，应符合有关规定。,根据老标准普通碳素结构钢技术条件(gb 7001979)的规定，碳素结构钢分为甲、乙、特三类。甲类钢主要按力学性能供应；乙类钢按化学成分供应；特类钢则按力学性能和化学成分供应。碳素结构钢按含碳量的大小分为1、2、3、4、5、6、7七个钢号，钢号越大，含碳量就越多，钢材的强度和硬度也就越高，塑性则越低。现行标准中的q235即为3号钢。 2) 优质碳素结构钢(gb 6991988) 优质碳素结构钢是用以满足不同加工要求而赋予相应性能的碳素钢，是碳素钢经过热处理(如调质处理和正火处理)得到的优质钢。按优质碳素结构钢技术条件(gb 6991988)的规定，共有31个品种，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%。优质碳素钢与普通碳素钢的主要区别在于钢中含杂质元素较少，硫、磷的含量均不大于0.035%，都属平炉或电炉冶炼的镇静钢，且严格限制其他缺陷，并且有较好的综合性能。,优质碳素钢钢号的写法是用其平均含碳量的万分之几表示，如“45号钢”是表示平均含碳量0.45%的优质碳素钢，用作高强螺栓的热圈等。优质碳素钢在建筑工程中应用较少，国家标准优质碳素结构钢(gb/t 6991988)中可用于建筑钢结构的牌号有15(u20152)、20(u20202)、15mn (u21152)、20 mn (u21202)，其化学成分与力学性能应符合有关规定。 2. 低合金钢(gb/t 15911994) 低合金钢是一种在普通碳素钢基础上添加少量的一种或多种合金元素(总量低于5%)如钒、铌、钛、铬、镍等，以提高其强度，耐腐蚀性、耐磨性或低温冲击韧性的钢材。加入钒、铌、钛等元素能明显提高钢材的强度、细化晶粒、改善可焊性；镍、铬属于残余元素，本身就是不锈钢的主要元素，它能提高强度，淬硬性和耐磨性等综合性能，但是对可焊性不利；有时加入少量钼和稀土(re)元素，可以改善其综合性能，使低合金结构钢可以比碳素结构钢节省约20%的用钢量。,根据现行国家标准低合金高强度结构钢(gb/t 15911994)规定，低合金高强度结构钢的牌号表示由代表屈服点的汉语拼音字母(q)、屈服点数值(n/mm2)。质量等级符号(a、b、c、d、e)等三个部分组成，其中质量等级由a到e质量从低到高。钢牌号按屈服点大小，分为q295、q345、q390、q420、q460等五种，其中常用的钢种为q345和q390。如按老标准gb/t1591-88规定，共列出了十几种钢号，随着低合金钢在钢结构中的推广使用，用于土木工程中的低合金钢除了常用的16锰钢和15锰钒钢外，还有16锰铌半、16锰稀土、14锰铌半、18铌半、15锰钛、09锰等。表7-3列示了新国标gb/t 15911994的低合金结构钢牌号表示方法与原国标gb 15911988不同。,低合金钢由氧气顶吹转炉、平炉和电炉冶炼，交货时供方应提供力学性能和化学性能的质保书，其内容包括屈服强度、极限强度、伸长率、冲击韧性、冷弯实验等及碳、锰、硅、硫、磷、钒、铌和钛等的含量。不同牌号、不同质量等级的低合金钢其化学成分和力学性能应符合相关规定。 3. 耐候钢 在钢的冶炼过程中，加入少量的cu、p、cr、ni等特定合金元素，可以在金属基体表面上形成保护层，以提高钢材耐大气腐蚀性能，这类钢材称为耐候钢或耐大气腐蚀钢，按照国家标准gb/t 4171的规定，耐候钢适用于耐大气腐蚀的建筑结构，产品通常在交货状态下使用。在暴露初期，腐蚀速度与普通钢并没有太多的区别，然而，随着稳定锈层的形成，腐蚀速度就会延缓下来。但是在海边等氯离子多的地区或雨量充沛的地区，表面缓蚀层很容易丧失其作用。以使用耐候钢为借口而降低防腐蚀涂装的质、涂膜厚度或者想着可以延长更新涂装周期都是不合理的。,我国目前生产的耐候钢分为高耐候结构钢和焊接结构用耐候钢两种：,1) 高耐候结构钢 其性能比焊接结构用耐候钢好，故称作高耐候性结构钢。按化学成分可分为：铜磷钢和铜磷铬镍钢两类。其牌号表示方法是由代表“屈服点”的拼音字母q、屈服点的数字及“高耐候”的拼音字母gnh按顺序组成，含cr、ni的高耐候钢在牌号后加代号“l”。可分为q295gnh、q295gnhl、q345gnh、q345gnhl、q390gnh五种牌号。各牌号的化学成分与力学性能要求应符合有关规定。 2) 焊接结构用耐候钢 这类钢材具有良好的焊接性能，适用厚度为100mm。焊接结构用耐候钢的牌号表示由代表“屈服点”的字母q、钢材的屈服点数值及“耐候”的字母nh按顺序组成。分为q235nh、q295nh、q355nh、q460nh四种牌号，各牌号的化学成分和力学性能应符合有关规定。,4. 其他钢材 1) 桥梁用结构钢 有着专门的三个沿用标准，即桥梁建筑用热轧碳素钢技术条件(gb 7141965)、桥梁用碳素钢及普通低合金钢钢板技术条件(yb 1681970)及桥梁用结构钢(yb(t) 101981)。桥梁用结构钢比一般的建筑用结构钢的技术要严格得多，所以，如果钢结构建筑中使用了桥梁用结构钢，属于以优代劣。,2) 耐火钢 普通建筑用钢在350以上高温时屈服强度迅速下降到室温的2/3以下，不能满足设计要求。为了提高普通建筑用的钢结构抵抗火灾的能力，必须喷涂耐火涂层，而这样会费工费时，增加建筑结构重量，减少使用面积，延长工期，提高建筑成本。20世纪80年代日本提出了耐火钢的概念，研制和应用耐火钢正是为了减薄或取消耐火涂层。日本研究者通过在钢中添加微量的cr、mo、nb等合金元素开发出来，在600的高温屈服强度相当于室温下的2/3以上屈服强度的耐火温度为600的建筑耐火钢，其用途广泛，可用于办公楼、商场、宾馆、钢结构高层建筑大厦等建造。 3) 铸钢、不锈钢及高强度钢等 高强度钢是通过冶炼加进多种的合金元素及热处理工艺而获得，用在受强度控制的大跨度、特重型结构中时，可以明显的节约钢材。如应用在高层建筑的底部几层承重结构中。,7.2.2 结构钢材的品种,目前随着钢结构的大力发展，建筑形式多种多样，应用的钢材品种也有了很大变化。钢材的主要品种有以下类型。 1. 钢板、钢带 钢板和钢带的主要区别在于钢板是平板状矩形的钢材，而钢带是指成卷交货的钢材。 钢板按轧制方法可以分为冷轧钢板和热轧钢板，在建筑钢结构中主要用热轧钢板。根据厚度、长度与宽度的变化，钢板分为薄板、厚板、特厚板和扁钢等。薄板主要用来制造冷弯薄壁型钢；厚板用做梁、柱、实腹式框架等构件的腹板和翼缘，以及桁架中心节点板；特厚板用于钢结构高层建筑箱形柱等；扁钢可作为组合梁的翼缘板、各种构件的连接板等。,2. 普通型材 工字钢、槽钢、角钢三种类型是工程结构中使用最早的型钢。 1) 工字钢 有普通热轧工字钢和轻型工字钢两种。翼缘内表面有着1：6倾斜度，使翼缘外薄而内厚，就造成工字钢在两个主平面内的截面特性相差极大。不宜单独用做轴心受压构件或承受斜弯曲和双向弯曲的构件，在应用中难以发挥钢材的强度特性，已逐渐被h型钢所淘汰。 2) 槽钢 有普通热轧槽钢和轻型槽钢两种，其伸出肢较大，可用于屋盖檩条，承受斜弯曲或双向弯曲。另外槽钢翼缘内表面斜度110比工字钢平缓，安装螺栓较容易，但其腹板较厚，使槽钢组成的构件用钢量较大。相比而言，型号相同的轻型槽钢比普通槽钢的翼缘宽而薄，腹板厚度更小，截面特性更好。,3) 角钢 是传统钢结构工程中应用非常广泛的型材，有等边角钢和不等边角钢两大类，可以组成独立的受力构件，或作为受力构件之间的连接零件。 3. h型钢 h型钢有热轧h型钢和焊接h型钢两种。其中热轧h型钢又分为宽翼缘h型钢(hw)、中翼缘h型钢(hm)、窄翼缘h型钢(hn)和h型钢柱等。焊接h型钢由平钢板用高频焊接组合而成。h型钢与工字钢相比，其翼缘宽，两个主轴方向的惯性矩接近，抗弯、抗扭、抗压、抗震能力强；翼缘内表面没有斜度，上下表面平行，便于机械加工、结构连接和安装。h型钢的截面特性要明显优于传统的普通型钢，受力更加合理，故已广泛用于钢结构高层建筑建筑中。具体内容后面有阐述。经过剖分h钢而成的t型钢相应分为tw、tm、tn三种。,4. 冷弯型钢 是由薄钢板或钢带经冷轧(弯)或压模而成，其截面型式有等边角钢、卷边等边角钢、z型钢、卷边z型钢、槽钢、卷边槽钢等开口截面以及方形和矩形闭口截面等，如图7.8所示。,冷弯型钢在轻型钢结构、大跨度钢结构中有着不容忽视的地位。,5. 厚度方向性能钢板 国家标准厚度方向性能钢板(gb/t 5313)是对有关标准的钢材要求做厚度方向性能试验时的专用规定，适用于板厚为15150mm、屈服点不大于500 n/mm2的镇静钢板。要求内容有两方面：含硫量的限制和厚度方向断面收缩率的要求值。据此分为z15、z25、z35三个级别，相应的技术要求见表7-4。,7.2.3 钢材的选用,各种结构对钢材各有要求，建筑钢材选择时根据规范要求对钢材的强度、塑性、韧性、耐疲劳性能、焊接性能、耐锈性能等全面考虑，确定钢材的牌号及其质量等级。钢材的选用原则是既能使结构安全可靠和满足要求，又要最大可能节约钢材和降低造价，不同的使用条件应有不同的质量要求。一般应考虑：结构的重要性、荷载情况、连接方法、结构所处的温度和工作环境等几方面的情况。 1. 选用钢结构高层建筑钢材的有关规定 钢结构高层建筑技术规程(jgj 991998)规定：钢结构高层建筑的钢材，不采用q235a级钢，宜采用q235等级b、c、d的碳素结构钢，以及q345等级b、c、d、e的低合金高强度结构钢。其质量标准应分别符合我国现行国家标准碳素结构钢(gb 7001988)和低合金高强度结构钢(gb/t 15911994)的规定。当有可靠根据时，可采用其他牌号的钢材。,采用焊接连接的节点，当板厚50mm，并承受沿板厚方向的拉力作用时，应按现行国家标准厚度方向性能钢板(gb 5313)的规定，附加板厚度方向的断面收缩率，并不得小于该标准z15级规定的允许值(z15级断面收缩率：三个试样平均值大于15%，单个试样值大于10%)，以防止发生层状撕裂。 抗震钢结构高层建筑的钢材应保证：强屈为1.21.8、有明显屈服台阶、伸长率大于20%、有保持延性的良好可焊性。不应采用15mnv 或15mnvq钢，可采用q235和16mn钢材。 2. 钢结构高层建筑选用的钢材 根据以上有关规定，钢结构高层建筑选用的钢材种类和品种分别有以下一些。,1) 钢材的种类 有三大类： (1) 低碳钢(普通碳素钢) (2) 普通低合金钢 (3) 热处理低合金钢(淬火回火合金钢) 我国低碳钢应用最普遍的是q235钢，类似q235钢材的外国钢材有美国的a36、日本的sm41、德国的st37、俄罗斯的ct3等。这些钢材已使用了半个多世纪，加工和使用性能都好，成本较低。但因其强度较低，在现代钢结构高层建筑中，一般只用于次要构件，如次梁、梯段、工字梁腹板等。 普通低合金钢国产的有16mn，外国钢材有美国的a440、a242，日本的ss50、sm51，德国的st52、st62等。60年代以来，低合金钢大量进入高层建筑市场，在钢结构高层建筑中广泛采用的合金钢的国家除美国、日本外还有欧洲国家。我国新建的钢结构高层建筑中，已有多幢建筑采用外国进口的低合金钢材建造。,热处理低合金钢，是对低合金钢进行热处理，来进一步提高强度而又不显著降低其塑性和韧性。目前这种钢材的屈服点已可达700n/mm2，如美国的t1、日本的ht70、俄罗斯的70/80级钢以及我国的14锰钼铌钢。虽然其强度高，但伸长率小，脆性大，塑性差，应力重分布能力低，可焊性不好，在钢结构高层建筑中采用很少，而且仅用于受拉或受弯构件。 2) 钢材的品种(a) 普通轧机 (b) 万能轧机 在现代钢结构高层建筑中，广泛采用h型钢、厚度方向性能钢板、压型钢板、薄壁钢管等。 (1) 型钢。有热扎h型钢和h型钢。热轧h型钢，欧美国家称宽翼缘工字钢、日本称h型钢，它用四轮万能轧机轧制而成，如图7.9所示；焊接h型钢，将钢板裁剪、组合后再用自动埋弧焊或手工焊、二氯化碳气体保护焊、高频电焊工艺焊接而成。,h型钢因为力学性能好(沿两轴方向惯性矩比较接近)，翼缘板内外侧相互平行，连接施工方便。明显用这种型钢做钢结构高层建筑的框架非常适合。钢结构高层建筑,中的柱子，当结构高度不十分高时，一般选用轧制h型钢；当荷载较大时可用焊接的h型钢。钢结构高层建筑的梁，多为轧制或焊接的h型钢。当然还有一些其他的组合截面，如箱形截面、十字形截面在钢结构高层建筑中的框架中使用。箱形截面一般由h型钢加焊钢板或由四块钢板焊接而成，钢板厚度由计算确定，用于荷载很大或存在双向弯矩的高度很大的钢结构高层建筑的柱子截面(如美国纽约110层世贸中心，我国金茂大厦等建筑的柱)，或钢结构高层建筑的大梁、悬臂梁及悬挂构件的悬臂梁截面；十字形截面由两个轧制工字钢或钢板组成，用于承受双向弯矩的柱子截面(如上海27层的瑞金大厦的柱)。,但钢结构高层建筑的柱、梁仍多为h型截面，所以轧制和焊接的h型钢在国外发展很快。我国近年来在h型钢的生产方面取得很大进展，目前国内已经有多家生产h型钢的厂家，如马钢、莱钢和鞍山一轧等，生产的h型钢的规格有70余种。它的规格标记采用高度h(mm)宽度b(mm)腹板厚度t1(mm)翼缘厚度t2(mm)表示，生产的hw型钢截面高度为100400mm，宽高比b/h=1；hm型钢截面高度为150600mm，宽高比b/h=1/22/3；hn型钢截面高度为100700mm，宽高比为b/h=1/21/3。对于焊接h型钢，冶金工业部颁布了yb 33021981轻型焊接h型钢和yb 33011981焊接h型钢的部颁布标准。轻型焊接h型钢的规格为10050mm454300mm；焊接h型钢的规格为300200mm1200600mm，后者一般采用的是自动埋弧焊工艺焊接，规格较大，宜用作钢结构高层建筑建筑的柱和梁。,上海施工的一些钢结构高层建筑建筑，有的即采用国产的焊接h型钢。焊接h型钢的翼缘突伸的最大宽厚比为15t2(t2翼缘厚度)，最大的腹杆高厚比为70t1(t1为腹板厚度)，钢板厚度采用以2mm的级差递增，但保留25mm一级。钢板的下料，板厚小于8mm时用机械剪切；大于8mm，采用氧一丙烷或氧一乙炔精密切割工艺和多头自动切割机或半自动切割机进行加工，翼缘板边缘的光洁度应达到有关要求。 (2) 厚度方向性能钢板。厚度方向性能钢板，也称z向钢，是在某一级结构钢(母级钢)的基础上，经过特殊冶炼、处理的钢材。其含硫量控制更严，为一般钢材的1/5以下，截面收缩率在15%以上。钢结构高层建筑是首先提出有厚度性能要求的建筑结构，为防止发生层状撕裂，国家制定和颁布了相关的行业标准。包括以下几项。, 适用于制作钢结构高层建筑建筑厚度为6100mm的钢板分为2个强度等级、4个牌号，分别为q235gj、q235gjz、q345gj、q345gjz。各牌号钢力学性能应符合有关 规定。 冶炼由转炉和电炉冶炼。 交货状态为热轧、正火或温度变形控制轧制(tmcp)，控轧是使合金元素最佳化和对从加热到轧制及其后冷却所包括的整个工艺过程进行控制的综合热加工技术。交货状态应在合同种注明，否则由供应方选择。 (3) 压型钢板、薄壁钢管。这几种钢材应用在钢和混凝土组合构件中，是一种各取所长的结合。钢的强度高，宜受拉，混凝土则宜受压，两种材料结合，都能充分发挥各自优势，是一种合理的结构。 采用压型钢板作钢筋混凝土楼板翼缘板的底模，钢筋混凝土板受压，压型钢板受拉，各得其所，是非常经济的结构形式。,采用薄壁钢管(圆管或方管)，内灌素混凝土的钢管混凝土结构。在压力作用下，钢管和混凝土之间产生相互作用的紧箍力，使混凝土处于三向受压的应力状态下工作，大大提高了混凝土的抗压强度，改善了塑性，提高了抗震性能；而薄壁钢管在混凝土的挤压下不易屈曲，提高了钢管的局部稳定性，使钢材强度得到充分发挥。试验研究，钢管混凝土强度比单钢管或同样截面的混凝土强度提高了好几倍，特别适用于轴心受压构件。 以上两种组合构件在高层建筑中已有很多应用，是很有发展前景且承载力高，塑性、韧性好，节省材料，方便施工，有较好经济效益等特点的新型组合结构。,7.2.4 钢材的代用,钢结构应按照选用钢材的原则选用钢材的钢号并提出对钢材的性能要求。钢结构工程所采用的钢材必须附有钢材的质量证明书，各项指标应符合设计文件的要求和国家现行有关标准的规定。施工单位不宜随意更改或代用。只有在供方无法满足设计要求又没有其他货源的情况下，经原设计单位同意时方可代换，并可根据钢材选择的原则灵活调整。对材质的要求，受拉构件高于受压构件；焊接结构高于螺栓连接的结构；厚钢板结构高于薄钢板结构；低温结构高于常温结构；受动力荷载的结构高于受静力荷载的结构。一般确定钢材必须代换时，应注意以下各点。,(1) 代用钢材的化学成分和机械性能与原设计应一致。钢号虽然满足设计要求，但生产厂提供的材质保证书中缺少设计部门提出的部分性能要求时，应做补充试验。 (2) 钢材性能虽然满足设计要求，但钢号的质量优于设计提出的要求时，应注意节约。 (3) 如钢材性能满足设计要求，而钢号质量低于设计要求时，一般不允许代用。如结构性质和使用条件允许，在材质相差不大的情况下，经设计单位同意亦可代用。 (4) 钢材的钢号和性能都与设计的要求不符时，如q235钢代q345钢，首先应根据上述1和2的规定检查是否合理，然后按钢材的设计强度重新计算，根据计算结果改变结构的截面，焊缝尺寸和节点构造。 (5) 对于成批混合的钢材，如用于主要承重结构时，必须逐根按现行标准对其化学成分和机械性能分别进行试验，如检验不符合要求时，可根据实际情况用于非承重结构构件。,(6) 采用进口钢材时，应验证其化学成分和机械性能是否满足相应钢号的标准。 (7) 当采用代用钢材而引起构件的强度、稳定性和刚度变化较大，并产生较大的偏心影响时，要重新进行设计。 (8) 钢材的规格尺寸与设计要求不同时，不能随意以大代小，须经计算后才能代用。,7.2.5 钢材的验收,对钢结构的钢材进行验收是保证钢结构工程质量的重要环节，应该遵照钢结构工程施工质量验收规范(gb 502052001)对钢材的有关规定执行。其主要内容包括以下几项。,(1) 钢材的数量和品种是否与订货单符合。,(2) 钢材的质量保证书是否与钢材上打印的记号符合。每批钢材必须具备生产厂家提供的材质证明书，写明钢材的炉号、化学成分和机械性等项目。应检查各项目是否齐全，并根据国标gb 7001988和gb/t 15911994中的有关规定，核对钢材的各项指标。 以上验收检查的数量为全数检查；检验的方法是检查质量合格证明文件及检验报告等。 (3) 检验钢材的表面质量，其表面不得有结疤、裂纹、折叠和分层等缺陷，其深度不得大于该钢材厚度负允许偏差值的1/2。 本项检查验收的数量为全数检查；检验方法是观察检查。 (4) 根据国标中的有关规定核对钢材的规格尺寸以及各类钢材外形尺寸的允许偏差。在yb 33011992中规定了焊接h型钢外形尺寸的允许偏差，见表7-5。,本项检查验收的数量为每一品种、规格的钢材或型钢抽查5处；检验的方法是用钢尺或游标卡尺量测。 (5) 属于下列情况之一的钢材，钢材必须具备材质质量保证书和试验报告。同时应进行抽样复验，复验结果应符合现行国家产品标准和设计要求。 国外进口钢材。 钢材混批。, 钢材质量保证书的项目少于设计要求(应提供缺少项目的试验报告)。 板厚大于40mm且设计有几项性能要求的厚板。 设计有复验要求的钢材。 对质量有疑义的钢材。 本项检查验收的数量为全数检查；检验的方法是检查质量保证书、试验报告及复验报告。 其中(1)、(2)、(5)为钢材验收的主控项目；(3)、(4)为钢材验收的一般项目。, 7.3 钢结构的连接技术,钢结构的连接是通过一定的方式将各个板件或杆件连成整体。板件、杆件间要保持正确的相互位置，连接部位应有足够的静力强度和疲劳强度，来满足传力和使用要求。因此连接是钢结构制作和施工中重要的环节。一般好的连接，应当符合安全可靠、节省钢材、构造简单和施工方便的原则。 我国钢结构高层建筑在制作和安装施工时采用的连接方法，根据结构的特点，主要是焊接连接和高强度螺栓连接等。, 7.3.1 焊接连接的方法、原理及操作工艺,1. 手工电弧焊 凡电极的送给、前进和摆动三个动作均靠手工操作来实现的都称为手工电弧焊。它是钢结构中常用的焊接方法，其设备简单，操作灵活方便，适用于各种位置的焊接；但生产效率较差，质量较低。在钢结构高层建筑的制造过程中一般用作焊缝打底；在现场焊接中，是广泛采用的一种焊接技术。 1) 原理 图7.10是手工电弧焊的原理示意图。它是由焊条、焊钳、焊件、电焊机和导线等组成电路。通过引弧后，在涂有焊药的焊条端和焊件间的间隙产生电弧，使焊条熔化，熔滴滴入被电弧吹成的焊件熔池中，同时焊药燃烧，在熔池周围形成保护气体，稍冷后在焊缝熔化的金属表面又形成熔渣，隔绝熔池中的液体金属和空气中的氧、氮等气体的接触，避免形成脆性易裂的化合物。焊缝金属冷却后就与焊件熔成一体。,2) 操作工艺 (1) 焊接参数的选择。焊接参数工艺的选择，应在保证焊接质量的条件下，采用大直径焊条和大电流焊接，以提高劳动生产率。 焊条直径的选择。主要根据焊件厚度选择，一般焊件的厚度越大，选用的焊条直径也越大。另外应注意：多层焊的第一层以及非水平位置焊接时，焊条直径应选小一点；在同样厚度条件下，平焊比在其他位置用的焊条直径大一些；立、横、仰焊位置的焊条，最大直径一般不超过4mm；对某些要求防止过热及控制线能量的焊件，宜选用小直径焊条。 焊接电流电压的选择。手工电弧焊的电源可分为交流电或直流电，交流电手工电弧焊是建筑工地上应用最广泛的焊接方法。直流电焊接技术一般应用焊接要求较高的钢结构。 手工电弧焊电流主要根据焊条直径选择。电压主要取决于弧长，电弧长，则电压高；反之，则低。,而手工电弧焊的电弧长度，大致应等于焊条直径，电弧过长，热量不集中，焊缝变宽，溶深不一致；过短，则易短路，焊缝变窄，表面凹凸不平。手工焊电流、电压参数选择参考有关手册。一般焊接电流初步选定后，要通过试焊调整，电流过大或过小都有弊端。 (2) 焊条的选用。在选用焊条时，应注意以下原则。 应与主体金属相匹配。 不同材质的母材焊接，焊条匹配强度低的母材。 对于易裂的母材或结构的塑性、韧性要求高的重要结构，应选用塑性、韧性好，含氢量低及坑裂性能好的碱性焊条(低氢焊条)。 应选用低氢焊条而无直流焊接电源时，可选用低氢钾型焊条。 一般与主体金属钢材相匹配国产焊条的选用可参见表7-6。,(3) 焊缝的起头、接头及收尾。 焊缝的起头。焊缝的起头就是指刚开始焊接的操作。起头部分往往容易出现气孔、未熔透、宽度不够及焊缝堆积过高等缺陷。为了避免和减少这种现象，应该在引弧后稍将电弧拉长，对焊缝端头进行适当预热，并且多次往复运条，达到熔深和所需要宽度后再调到合适弧长进行正常焊接。 焊缝的接头。在手工电弧焊操作中，焊缝接头的好坏，影响焊缝外观成形和焊缝质量。必须准确掌握接头部位，如过于推后，会出现焊肉重叠高起现象；反之，又会出现脱节凹陷。接头处应在熔池温度没有完全冷却时更换焊条，换焊条的动作越快越好，这样能增加电弧稳定性，保证和前焊缝的结合性能，减少气孔，并使接头美观。 接头一般是在弧坑前约15mm处引弧，然后移动到原弧坑位置进行焊接。用酸性焊条时，引燃电弧后可稍拉长电弧，待移到接头位置时再压低电弧；用碱性焊条时，电弧不可拉长，否则容易出现气孔。, 焊缝的收尾。指焊缝结束时的收尾，焊缝收尾操作时，应保持正常的熔池温度，做无直线移动的横摆点焊动作，逐渐填满熔池后再将电弧拉向一侧熄弧。每条焊缝结束时必须填满弧坑。过深的弧坑不仅会影响美观，还会使焊缝收尾处产生缩孔、应力集中。为了填满弧坑，一般采用以下三种操作方法。 划圈收尾法：当焊条移至焊缝终点时，作圆圈运动，直到填满弧坑再拉断电弧。此法适合于厚板收尾。 反复断弧收尾法：当焊接进行到焊缝终点时，在弧坑处反复熄弧和引弧数次，直到填满弧坑为止。此法适用于薄板和大电流焊接，但不适用于碱性焊条，容易产生 气孔。 回焊收尾法：焊条移至焊缝收尾处梢加停顿，接着改变焊条角度往回焊一小段，相当于收尾处变成一个起头。此法适用于碱性焊条的焊接。,2. 自动埋弧焊 埋弧焊是利用电弧作为热源的焊接方法，焊接时电弧在颗粒状的焊剂下层燃烧而完成焊接过程。 1) 原理 其原理如图7.11所示，一般焊丝成卷装置在焊丝转盘上，焊丝外表裸露不涂焊剂，焊剂成散状颗粒装置在焊剂漏斗中。通电使焊丝末端和焊件之间产生电弧后，电弧下的焊丝和附近焊件金属熔化形成熔池，焊剂也熔化并不断地从漏斗流下，将熔融的焊缝金属覆盖，焊剂将熔成焊渣浮在熔融的焊缝金属表面。部分蒸发的焊剂蒸汽将电弧周围的焊剂熔渣排开，形成封闭空间，使电弧与外界空气隔绝，故而焊接时看不见强烈的电弧光，称为埋弧焊。当埋弧焊的全部装备固定在小车上，由小车按规定的速度沿轨道前进进行焊接时，这种方法就称为自动埋弧焊。,自动埋弧焊由于焊剂对电弧空间保护可靠，电弧热量集中，熔深大，焊接速度快，热影响区较小，焊接变形小；且自动化操作，焊接工艺条件好，焊缝质量稳定，光洁平直，内部缺陷少，化学成分和机械性能较均匀，生产效率也高。广泛用于焊接中厚度板的有规律的直长对接和贴角焊缝，可焊接碳素钢低合金钢、不锈钢、耐热钢及其复合钢等。但由于采用颗粒状焊剂，一般只适用于平焊位置。,2) 操作工艺 (1) 焊丝的选择。我国钢结构高层建筑设计与施工规程推荐自动埋弧焊的焊丝和焊剂见表7-7。,3) 焊剂 (1) 堆放高度。高度太小时，对电弧的保护不全，影响焊接质量；太大时，易使焊缝产生气孔和表面成形不良。因此必须根据使用电流的大小适当选择焊剂堆放高度，一般为2550mm。当电流及弧压大时，应适当增大焊剂堆放高度和宽度。 (2) 粒度。电流大时，应选用细粒度焊剂，否则焊缝外形不良；电流小时，应选用粗粒度焊剂，否则焊缝表面易出现麻坑。一般粒度为840目，细粒度为1480目。 (3) 回收次数。焊剂反复使用次数过多时应与新焊剂混合使用，否则影响焊缝质量。 4) 焊丝的数目 目前埋弧焊发展很快，已有双丝、三丝、多丝埋弧焊等工艺。其中双丝焊是用2根焊丝沿焊缝方向排列并同时施焊，可一次得到大量熔敷金属，焊接速度提高，焊接变形小。,双丝焊机应用h形截面和箱形截面贴角焊缝的焊接已相当普及。双丝焊机焊接贴角焊缝的前后丝布置如图7.12所示。 5) 对接直焊缝的焊接技术 对接直焊缝的焊接方法有单面焊和双面焊两种基本类型；根据钢板厚度又可分为单层焊、多层焊。 (1) 焊剂热法或焊剂铜热法埋弧自动焊。在焊接对接焊缝时，为了防止熔渣和熔池金属的泄漏，采用焊剂热作为衬热进行焊接(热焊剂与焊接用焊剂相同)。焊剂要与焊件背面贴紧，以便能够承受一定的均匀的托力。如选用较大的焊接规范，使工件熔透，则达到双面成形。 双丝焊机应用h形截面和箱形截面贴角焊缝的焊接已相当普及。双丝焊机焊接贴角焊缝的前后丝布置如图7.12所示。,如用焊剂铜热板取代焊剂热，则可以克服焊剂热托力不均匀的现象，同时在工件与铜热板之间的焊剂也起到了对熔池背面的保护和合金作用，以保护焊缝背面的成形。,(2) 手工焊封底埋弧自动焊。对无法使用衬热的焊缝，可先行用手工焊进行封底，然后再采用埋弧焊。 (3) 多层埋弧焊。对于较厚钢板，一次不能焊完的，可采用多层焊。一般要求：第一层焊时，规范不要太大，即要保证焊透，又要避免裂纹等缺陷；每层焊缝的接头要错开，不可重叠；每层焊高一般为45mm。 6) 角接焊缝焊接技术 埋弧自动焊的角接焊缝主要出现在t形接头和搭接接头中，一般可采取船形焊和斜角焊两种形式。,3. co2气体保护焊 co2气体保护焊是利用co2气体为保护气体，依靠焊丝与焊件之间产生的电弧热来熔化金属，并与焊丝形成焊缝的一种电弧焊方法。如图7.13所示。,1) 原理 co2气体保护焊的原理是在焊接时焊丝由送丝机构通过软管经导电嘴送出，而co2气体从喷嘴以一定的流量喷出。当焊丝与焊件接触引燃电弧后，电弧下的焊丝和附近焊件金属熔化形成熔池，连续给送的气体把电弧、熔池与大气隔离，从而保持焊接过程的稳定，获得高质量的焊缝。操作时可用自动或半自动焊方式。由于焊接时没有熔渣，便于观察焊缝的成型过程，但操作时须在室内避风处，若在工棚施焊须搭设防风棚。 气体保护电弧加热集中，焊接速度较快，焊件熔深大，热影响区较窄，焊接变形和应力较小；co2在高温下具有的强氧化性可减少金属熔池中游离态氢的含量，其熔焊金属中的含氢量比低氢焊条施焊的还小，大大降低了金属的冷脆倾向；另外其耗量也仅为交流电手工焊的一半左右，且清渣工作量极小，效率比手工焊高12倍；但设备复杂，电弧光较强，金属飞溅多，焊表面成型较差。难用交流电进行焊接。,2) 操作工艺 (1) 焊接参数的选择。 焊丝直径的选择。根据工件厚度、施焊位置及生产率的要求来选择。焊丝直径的选择参照有关手册。 焊接电流和电弧电压的选择。一般co2焊接的电流应根据工件的厚度、焊丝直径、施焊位置以及要求的熔滴过渡形式来选择。电弧电压选择时必须与焊接电流恰好配合，应在1624v范围内。最佳电弧电压有时只有12v之差，应仔细调整。常用的焊接电流和电弧电压的范围参考有关手册。,(2) 焊丝的选择。焊丝成分应与母材成分接近，具有良好的焊接工艺性能。焊丝含c量一般要求 0.11%。其表面一般有镀铜等防锈措施。根据高层建筑结构设计与施工规程推荐，co2气体保护焊焊接q235钢材的焊丝是h08mn2si、低合金结构钢材(16mm)的焊丝是h08mn2sia等低合金钢焊丝，必要时还应根据冲击韧性和其他要求(如减小飞溅等)，通过焊丝添加适当的微量元素。 (3) co2气体保护半自动焊操作技术。 引弧与熄弧。co2气体保护半自动焊中，引弧前要把焊丝伸出长度调好。这取决于焊丝直径，约等于直径的10倍为合适。如果焊丝端部有球形头，应当剪掉，引弧时要选好适当的引弧位置，采用短滴引弧法。起弧后，要掌握好焊接速度，避免焊缝始端出现熔化不良和焊肉过高。,为了引弧与熄弧时co2气体能很好地保护熔池，也可以采取提前送气和滞后停气的措施。熄弧后，熔池未完全凝固前，不要将焊柱立即抬起。 各种位置的焊接技术。 平焊和横焊 一般有左向和右向焊两种操作方法。左向焊法，喷嘴不会挡住视线，能清楚地看到熔池和焊缝，便于控制焊缝的成形。熔池受电弧的冲击作用较小，能得到较大的熔