钢结构制作与安装.ppt

目录 第一堂课 钢结构认知 主讲人 张华忠高级工程师QQ 3050510 目录 钢结构的应用 钢结构的设计原则和规范 目录 钢结构的应用 钢结构的设计原则和规范 钢结构的定义 乐高积木做成的房子 每一个乐高积木 通过这个乐高积木我想说明的是 无论是多复杂的钢结构 其组成原理都是一样的 都是由一个一个简单的构件 通过螺栓或者焊接的方式连接在一起 从而形成一个雄伟的整体建筑物或者构筑物 万变不离其宗 而钢结构的祖宗就是构件和螺栓及焊缝 钢结构的定义 大家可以这样理解 钢结构就是积木 每个积木都是一个成品 一块一块地拼凑起来 钢筋混凝土结构就是里面加了牙签的橡皮泥 可以捏造成任何的形状 混凝土结构的模板就是小时候玩橡皮泥的时候用的那些模具 钢结构的定义 钢结构的定义 今天的第一个概念已传授成功 混凝土 橡皮泥 钢结构 积木什么叫概念 概念就是毕业十年后 当你回想起钢结构这门课 整本两百多页的书 还留存在你的脑海里面的 能够立即写下来的不足一两页的关键内容 中心思想概念就是当你领导安排了一个紧急任务给你的时候 只要你抓住了其中的几个要点 就可以保证这个任务的完成不会出大问题的那几个要点 概念就是你想弄明白一个新事物时 百度搜索中输入的 关键字 钢结构的定义 1 钢结构整体的定义定义 钢结构是用型钢或钢板制成基本构件 梁 板 柱 桁架等 根据使用要求通过焊接 螺栓连接按照一定的规律形成的承载结构 钢结构在工程建设中应用广泛 多层 高层 超高层钢结构民用建筑等 工业类建筑物 例如门式刚架厂房 大跨度的公共建筑 如高铁站 加油站的顶棚 体育馆等 道路工程中的大型桥梁 高耸结构 如输电线路塔 移动通信铁塔 广播电视塔等 钢结构的定义 思考题 除了这些钢结构工程之外 我们在实际工程中还会碰到钢结构吗 例如在一个采用钢筋混凝土结构的工地上 还会有钢结构吗 我们所学的钢结构岂不是无用武之地吗 答案是 有的 有很多 钢结构的定义 外墙攀爬用的脚手架 钢结构的定义 混凝土模板下面的支撑脚手架 钢结构的定义 施工电梯 钢结构的定义 工地塔式起重机 塔吊 钢结构的定义 钢筋加工棚 钢结构的定义 工棚 工人宿舍和管理人员办公室 钢结构的定义 以上的工地上的钢结构都有一个共同的特性 是什么呢 这些钢结构的安全性与施工人员的人身安全是密切相关的 钢结构的定义 2 每一个基本构件都是由型钢或者钢板制成 下面看看什么是型钢和钢板组合截面 工字型钢 槽钢型钢 钢结构的定义 2 型钢的定义 角钢 方钢管 钢结构的定义 2 型钢 圆钢管 Z型钢 型钢截面有固定的表格可以查到 也可用软件查得各种规格尺寸 钢结构的定义 2 钢板焊接而成的组合截面 三块钢板焊接而成的组合截面 H型钢梁 钢结构的定义 2 钢板焊接而成的组合截面 七块钢板焊接而成组合截面 十字形钢柱 钢结构的定义 3 构件与构件之间主要是通过三种方式连接 螺栓 焊接 铆钉 首先介绍一下螺栓 框架梁的螺栓连接 框架柱的螺栓连接 钢结构的定义 螺栓连接的定义 滚珠型防盗螺母 扭剪型高强摩擦型螺栓 钢结构的定义 3 第二种连接方法 焊缝连接 钢结构的定义 3 第二种连接方法 焊缝连接 钢结构的定义 3 第三种连接方法 铆钉连接 目前已经基本不用 在1900年前后 曾大量使用在美国的高层钢结构建筑物上 包括1887年建设的法国埃菲尔铁塔上 飞机上的铆钉 目录 钢结构的应用 钢结构的设计原则和规范 钢结构的特点 思考题 地球上为什么会有那么大量的钢结构 铁元素占整个地球的重量比例达到5 那么多的原材料 不利用就浪费了 随着挖矿技术和提炼技术的不断提高 生产每吨钢材以及生产各种高强度的钢材的生产率在不断地提高 从而导致钢材的成本原来越低 2015年的钢材的价格约为1900元 吨 相当于0 95元 每斤 比白菜还要便宜 我记得20年前的钢材高峰期时可以去到3600元 吨 钢材的确有很多的优点 我国每年消耗的钢铁占全世界消耗总量的50 钢结构的特点 1 相比起砖石 木 混凝土等建筑材料而言 钢的强度高 重量轻 钢材的强度高 以我们常用的Q345B钢为例 这个Q345的意思就是屈服强度是345N mm2 直观一点就是一部普通小汽车1 5吨 我们只需要一根圆8的钢筋就可以吊起来了 而C30素混凝土相对应的抗拉强度是多少呢 2 01N mm2 相当于钢材强度的1 172倍 如果采用高强度钢绞线的话 其强度可以去到1860N mm2 相当于C30素混凝土的900倍以上 钢结构的特点 思考题 水的容重是1吨 m3 混凝土的容重是2 5吨 m3 钢的容重是7 85吨 m3 那为什么说钢材的重量轻呢 钢的容重是混凝土的3倍 但抗拉强度是172倍 由于以上的优点 在相同的跨度和荷载作用下 普通钢屋架重量只有同等跨度钢筋混凝土屋架的1 4 1 3 其他结构类型也有此特点 所以我们说的重量轻并不是说容重更轻 而是说在做同一样建筑物的时候 在承载同样大小的重量的情况下 采用钢结构的总重量会比采用钢筋混凝土结构的总重量要轻很多 钢结构的特点 2 钢结构制作简单 现场安装速度快 建设单位在基础正式施工前 就可以将设计图纸提前交付给钢结构制作工厂 生产好各个梁板柱构件以及各种连接螺栓 可以在工厂里面焊接完成对工作也可提前完成 等基础完工后 就可以将工厂里面已经生产好的各种构件 通过汽车直接运到施工现场 然后工人们就可以像拼乐高积木一样 通过起重机等施工机械将吊装起来 然后通过螺栓和焊缝将一个个都构件进行快速连接 混凝土结构的施工周期就比较长 每个梁板柱的尺寸可能都是不同的 都需要等基础完工后 才可以在现场进行支模 浇筑 养护等必需的流程 而且必须养护到一定的强度 才可以继续往上建上一层 钢结构工程则没有这些顾虑 钢结构的特点 2 钢结构制作简单 现场安装速度快 下面通过一个视频了解一下钢结构工程安装的快速性 15天建成30层钢结构酒店 flv 钢结构的特点 3 钢结构的塑性和韧性好 抗震性能好 汶川地震中都江堰市华夏广场小区 底部两层整体倒塌 钢结构的特点 3 钢结构的塑性和韧性好 抗震性能好 混凝土结构 砌体结构 钢结构 钢结构的特点 3 钢结构的塑性和韧性好 抗震性能好 钢结构的抗震性能相对混凝土结构优越原因有以下两点原因 钢结构的柔性比较大 因此自振周期相对比较长 而地震波的周期是比较短促的 因此两者共振不起来 所以钢结构的地震反应比较小 而混凝土结构的刚度比较大 因此自振周期比较短 和地震波的周期比较接近 容易发生共振 所以地震反应大 钢材在破坏前会经过很大的塑性变形过程 一条钢筋从原始状态一直到拉断这个过程 能够伸长30 在这个那么长的过程中能吸收和消耗大量的能量 所以钢结构比其他结构更耐震 是一般地震中损坏最少的结构 此外由于这个伸长变化率有30 那么大 在建筑物里面的人可以很容易看到这个变形 人有足够的时间逃离现场 大家可以比较一下砖砌体结构 会不会有那么大的变形才倒塌 这就是一个塑性破坏和脆性破坏的区别了 钢结构的特点 3 钢结构的塑性和韧性好 抗震性能好 下面通过一个视频更直观地了解钢结构的优越的抗震性能 钢结构抗震台超九度试验 flv 钢结构的特点 4 钢结构属于各向同性材料 各向同性的意思 特定型号的钢材 抗拉 抗压 抗弯强度都是一样的 混凝土则不然 抗压强度fc是抗拉强度ft的十几倍 相对于混凝土结构 钢结构跟我们所学的建筑力学计算理论公式是是最吻合的 因此跟计算软件的计算假定吻合度很高 因此计算准确 安全可靠 钢结构的特点 4 钢结构属于各向同性材料 教材P12 钢结构的特点 思考题 大家可以发现在这个表里面有一个有意思的地方 同样牌号的钢 例如Q345钢 对于不同的厚度或者直径 它的设计强度是完全不同的 这是什么原因 混凝土有没有这个情况 答案 因为所有的钢板出炉时都要经过一道叫做轧制的工序 这个工序类似于古代的打铁 钢板的厚度越薄 在轧制过程中 就越容易消除钢板内部的缺陷 这些缺陷包括钢板内部的裂缝 气泡等 因此薄钢板就比厚钢板的设计强度取值高一些 混凝土没有这个情况 钢结构的特点 4 钢结构属于各向同性材料 混凝土设计规范 中混凝土强度 钢结构的特点 5 钢结构的密封性能好钢材组织非常致密 采用焊接连接可做到完全密封 适合用在气密性和水密性好的耐压容器 大型油库 煤气罐等 而混凝土结构一般是带裂缝工作的 而且混凝土内部组织不是特别致密 水分容易渗透 所以地下室的混凝土外墙通常都要做很多的防水处理 钢结构的特点 思考题 既然钢结构那么多优点 为什么我们现在的建筑物大部分都是混凝土结构的 最主要的原因就是贵 这个贵是跟混凝土相比 钢每吨大概1900元 而混凝土一吨是120元 对于一般的多层和高层而言 采用混凝土结构总体来说肯定是划算的 但是对于超高层的话 采用钢结构的土建成本的确比混凝土结构的成本要高 但是有其他方面对优点可以抵消这个短处 自重较小 可以减少基础的尺寸 从而节省基础的投资 可以减小梁柱截面 增加实际利用面积和空间 卖价更高 可以很有效地缩短工期 层数越多 这个时间上的优势越明显 从而减少贷款利息 还可以提早回收租金 这个优势最明显 由于钢结构的抗震性能优越 在高设防烈度区 超高层的土建成本甚至低于混凝土结构 钢结构的特点 6 钢材耐腐蚀性差 钢材原来就来自于大自然 什么叫铁矿石 铁都是以铁矿石化合物的状态存在于自然界中 尤其是以氧化铁的状态存在的量特别多 主要成份为Fe3O4和Fe2O3 其中铁元素的比例大概是70 氧气比例是30 铁矿石的提炼其实就是把这个氧化作用去掉的过程 所以当钢放回大自然中时 重新接触氧气时 又会被氧化了 尘归尘 土归土就这意思 每年因腐蚀而损失的钢材占世界钢铁年产量的四分之一 混凝土呢 钢结构的特点 6 钢材耐腐蚀性差 思考题 怎么预防钢结构的这个弱点 热镀锌法 适用于野外长期受大气腐蚀不易维护的地方 例如电力铁塔 通信铁塔 钢结构的特点 6 钢材耐腐蚀性差 思考题 怎么预防钢结构的这个弱点 涂层法 室内容易维护的钢结构 钢结构的特点 7 钢材耐火性能差 思考题 怎么预防钢结构的这个弱点 涂抹防火涂料 厚度不超过3mm 受火时膨胀发泡 形成致密的防火隔热层 钢结构的特点 7 钢材耐火性能差 思考题 怎么预防钢结构的这个弱点 包裹防火板材 钢结构的特点 7 钢材耐火性能差 钢结构钢结构最致命的弱点是钢的耐火性能非常差 钢的内部晶体组织对温度非常敏感 温度升高或者降低都会使钢材性能发生变化 从钢材的机械性能与温度的关系可以得出 总的趋势是随着温度的升高 钢材的强度降低 变形增大 在200 以内 钢材性能没有很大变化 430 540 之间强度急剧下降 发生很大的形变 导致钢柱 钢梁弯曲 结果因变形过大而不能继续使用 600 时强度很低不能承担荷载 钢结构的特点 耐高温差 美国世贸中心塌楼原因分析 美国纽约世贸中心 1973年 2001年9月11日楼高约411米 是当时的世界第一高楼 是外框内简的钢结构体系 外围全都是钢柱 十分密集 钢柱之间的中心距离只有1米多 美国凭借高强度的建筑钢材和高水平的结构设计技术建成了这个庞然大物 建造时光是钢材就用了20多万吨 混凝土32万多立方米 钢结构的特点 美国世贸中心塌楼原因分析 钢结构的特点 美国世贸中心塌楼原因分析 大楼不仅经历了近30年的风雨依然完好 甚至这次飞机的巨大撞击也未能使之立即倾倒 飞机的撞击使大楼虽然晃动了近1米 但无论是内部还是外部并没有严重塌落 这是大量楼内工作人员得以逃生的关键 钢材有一个致命的缺点 就是遇高温变软 丧失原有强度 为避免因此引发的灾难 建筑钢材上都涂有防火涂料等防护物 然而这样低水平的防护 对付一般的小灾小火还可以应付 但遇到如此猛烈的火灾 钢材防火涂层根本不可能应付 钢结构的特点 美国世贸中心塌楼原因分析 撞击大楼的第一架飞机为波音757 可载35吨燃油 第二架飞机为波音767 可载51吨燃油 由于刚起飞不久 两架飞机所携燃油几乎没有浪费地撒到大楼上 引起熊熊大火 长时间猛烈的大火烧软了飞机所撞击的那几个楼层的钢材 而它上部楼层约数千吨到上万吨的重量自然就会落下来 像一个巨大的铁锤 砸向下面的楼层 对下面的楼层结构的冲击力远远大于其原先静止时的重力 下面的楼层结构自然难以承受 于是一层层垂直地垮塌下来 钢结构的特点 美国世贸中心塌楼原因分析 最终死亡人数三千多人 估计恐怖分子也想不到最终世贸中心会完全倒塌这个结果 钢结构的特点 美国世贸中心塌楼原因分析 新世贸中心楼高541米生于2014年 钢结构的特点 911美国纽约世贸中心塌楼分析视频 钢结构的特点 美国世贸中心塌楼分析视频总结 通过下面这个视频大家可以学习到钢结构的以下几个特性 强度高 重量轻 塑性 韧性强 受到那么大的撞击 仍能坚持大概两个小时 就是这宝贵的两个小时 挽救了数万人的性命 钢材制作简单 建设速度很快 基本都是像拼积木一样 一层一层快速往上建设 钢材不耐高温 即使做了足够的涂料及保护 还是撑不过两个小时 只要做好耐腐蚀性工作 是可以完成设计基准期内的任务的 目录 钢结构的应用 钢结构的设计原则和规范 钢结构的应用 大跨度结构 北京奥运会国家体育场 鸟巢 1 总造价34亿元 占地面积20万平方米 每平方米造价约17000元 2 用钢量48000吨 3 长轴为332 3米 短轴为296 4米 最高点高度为68 5米 相当于一座22层的高层 最低点高度为42 8米 4 中国国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材 而这次使用的钢板厚度达到11厘米 目前在国家 钢结构设计规范 里面最大也只是Q420 厚度极限值也只是10厘米 钢结构的应用 大跨度结构 北京奥运会国家体育场 鸟巢 作为屋盖结构的主要承重构件 桁架柱最大断面达25m 20m 高度达67m 单榀最重达500吨 钢结构的应用 大跨度结构 北京奥运会国家体育场 鸟巢 内部的看台采用了钢筋混凝土结构 钢结构的应用 高层建筑 世界第一高钢结构高层 迪拜塔 哈利法塔高828米 楼层总数162层 造价15亿美元 由美国SOM公司设计 工程总承包单位为韩国三星 我国江苏南通六建集团公司承包土建施工 2010年完工 钢结构的应用 高层建筑 世界第一高钢结构高层 迪拜塔 为保持世界最高建筑的地位 钢结构顶部设置了直径为1 2m的可活动的中心钢桅杆 可由底部不断加长 用油压设备不断顶升 其预留高度为200m 为此哈利法塔始终不宣布建筑高度 到2009年底 确认5年内世界各国都不可能建成更高的建筑 才最后确定828m的最终高度 钢结构的应用 高层建筑 世界第一高钢结构高层 迪拜塔 全钢结构优于混凝土结构 适合于超高层建筑 这是20世纪六七十年代的普遍共识 这个时期大量建造了300m以上的钢结构高层建筑 如1971年建成的纽约世界贸易中心双塔 412m 1974年建成的芝加哥西尔斯大厦 442m 到了20世纪八九十年代 人们发现纯钢结构已不能满足建筑高度进一步升高的要求 其原因在于钢结构的侧向刚度提高难以跟上高度的迅速增长 从此以后 钢筋混凝土核心筒加外围钢结构就成为超高层建筑的基本形式 我国如广州西塔 2010年 460m 广州电视塔 2009年 600m 上海环球金融 2009年 492m 上海中心 2014年 632m 等 均无一例外 钢结构的应用 高层建筑 世界第一高钢结构高层 迪拜塔 迪拜塔作了前所未有的重大突破 采用了下部混凝土结构 上部钢结构的全新结构体系 30 601m为钢筋混凝土剪力墙体系 601 828m为钢结构 其中601 760m采用带斜撑的钢框架 因为越往上晃动越大 所以迪拜塔把酒店和公寓都布置在601m以下的混凝土结构部分 而将601m以上的钢结构部分作为办公楼使用 迪拜塔酒店每晚住宿费约1万 6万元人民币 钢结构的应用 高层建筑 广州天河区珠江新城西塔 塔高460米 钢结构的应用 高层建筑 广州天河区珠江新城东塔 塔高530米 已于2014年10月28日举行了封顶仪式 钢结构的应用 高层建筑 广州天河区珠江新城东塔 塔高530米 已于2014年10月28日举行了封顶仪式 钢结构的应用 高耸结构 广州塔 小蛮腰 内部混凝土筒体 外部钢结构 总高600米 钢结构的应用 高耸结构 宇宙飞船发射塔 钢结构的应用 高耸结构 建于1889年 总高度300米 一共用了250万个铆钉 钢结构的应用 桥梁结构 上海卢浦大桥 世界上也是当今世界上跨度最大的全钢结构拱桥 总跨度550米 钢结构的应用 桥梁结构 上海卢浦大桥 世界上也是当今世界上跨度最大的全钢结构拱桥 总跨度550米 钢结构的应用 板壳结构 密封性能好 能承受很大内力 并且温度急剧变化 目录 钢结构的应用 钢结构的设计原则和规范 结构的极限状态结构能够满足设计规定的某一功能要求且能够良好的工作 我们称之为该功能处于可靠状态 反之 称之为该功能处于失效状态 这种 可靠 与 失效 之间必然存在某一特定的界限状态 此特定状态称为该功能的极限状态 钢结构的设计原则和规范 承重结构应按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计 承载能力极限状态包括构件和连接的强度破坏 疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载 结构和构件丧失稳定 结构和构件变为机动体系和结构倾覆 意思是 危险了 大家快撤退了 正常使