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1 第八章钢结构高层建筑施工知识目标 了解钢结构高层建筑工程结构用钢材 结构的连接技术 构件制作 结构安装及结构的防腐与防火等方面的内容 掌握钢结构高层建筑钢材的选用 零件不同的加工方式 结构安装的顺序和施工要点 构件制作和结构安装的焊接及螺栓连接的施工工艺 钢结构防腐和防火的涂装工艺 能力目标 能根据施工现场情况制定高层建筑钢结构施工方案 2 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 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 钢结构具有强度高 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 上海环球金融中心 492 5m 图8 1 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 3 图8 1上海环球金融中心 4 第一节钢结构材料钢结构用钢主要由铁元素组成 约占化学成分的98 或更高 但是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等对钢材材质的影响却很大 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 5 一 钢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 一 碳素结构钢碳素结构钢是最普通的工程用钢 其中碳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8 1 其中低碳钢是最主要并最多使用的钢材品种 6 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 碳素结构钢 GB T700 2006 根据现行的国家标准 碳素结构钢 GB T700 2006 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 Z TZ则分别是 沸 镇 及 特镇 汉语拼音的首位字母 分别代表沸腾钢 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 Q235AF表示屈服点为235N mm2的A级沸腾碳素结构钢 碳素结构钢按屈服点的大小 分为Q195 Q215 Q235 及Q275等四种牌号 7 2 优质碳素结构钢 GB T699 1999 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 钢中除含有碳 C 元素和为脱氧而含有一定量硅 Si 一般不超过0 40 锰 Mn 一般不超过0 80 较高可到1 20 合金元素外 不含其他合金元素 残余元素除外 此类钢产量较大 用途较广 一般多轧 锻 制成圆 方 扁等型材 板材和无缝钢管 主要用于制造一般结构及机械结构零 部件以及建筑结构件和输送流体用管道 8 此类钢必须同时保证化学成分和力学性能 其硫 S 磷 P 杂质元素含量一般控制在0 035 以下 若控制在0 030 以下者叫高级优质钢 其牌号后面应加 A 例如20A 若P控制在0 025 以下 S控制在0 020 以下时 称特级优质钢 其牌号后面应加 E 以示区别 对于由原料带入钢中的其他残余合金元素 如铬 Cr 镍 Ni 铜 Cu 等的含量一般控制在Cr 0 25 Ni 0 30 Cu 0 25 有的牌号锰 Mn 含量达到1 40 称为锰钢 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 T699 1999 中可用于建筑钢结构的牌号有15 U20152 20 U20202 15Mn U21152 20Mn U21202 其化学成分与力学性能应符合有关规定 9 二 低合金钢 GB T1591 1994 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 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 10 三 耐候结构钢 GB T4171 2008 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 T4171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 11 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 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 12 四 其他钢材1 桥梁用结构钢有着专门的使用标准 即 桥梁用结构钢 GB T714 2000 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 13 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 14 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 15 二 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 一 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 16 二 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型钢所替代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1 10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 17 三 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 抗压等能力强 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 经过剖分H钢而成的T型钢相应分为TW TM TN三种 18 四 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8 2所示 图8 2冷弯薄壁型钢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 19 五 厚度方向性能钢板国家标准 厚度方向性能钢板 GB T5313 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15 150mm 屈服点不大于500N 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8 2 20 三 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 21 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 22 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T 1 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 23 2 钢材的品种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 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 24 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 25 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 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 26 四 钢材的代用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 27 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 28 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