钢结构材料施工技术培训讲义

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。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。图8-1上海环球金融中心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。

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。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。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。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。（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。（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。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。

（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。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。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。（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。（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。（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。（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。三、梢钢材吵的选发用各种洁结构罪对钢降材各伤有要条求，泡建筑梳钢材开选择域时根才据规临范要极求对少钢材弄的强拉度、糕塑性道、韧绩性、读耐疲姻劳性喂能、绍焊接荐性能镇、耐众锈性扣能等渔全面挽考虑陆，确胁定钢行材的负牌号崖及其心质量科等级禽。钢码材的放选用宇原则注是既魔能使芬结构驼安全嚼可靠客和满眯足要条求，横又要势最大齿可能迅节约世钢材狡和降颜低造对价，犯不同织的使残用条鞭件应朱有不容同的考质量做要求证。一游般应识考虑帝：结赞构的崇重要皇性、疾荷载经情况捆、连每接方贺法、捡结构干所处荒的温宜度和砍工作疏环境掌等几针方面樱的情迅况。1.检钢材腐的种吗类有链三大狼类：（1僚）低扑碳钢盘（普趣通碳脏素钢衡）（2屿）普学通低堡合金披钢（3迹）热痛处理功低合乐金钢议（淬挖火回逗火合行金钢璃）我国棕低碳然钢应扛用最酸普遍稼的是凶Q2历35世钢，垃类似今Q2潜35仆钢材糊的外杆国钢份材有耍美国晶的A黎36扎、日墨本的填SM上41久、德劲国的舞ST词37扔、俄物罗斯身的C玩T3并等园。这芒些钢长材已喂使用丧了半雅个多渐世纪蛋，加涝工和吵使用父性能全都好逃，成匪本较率低。堆但因娘其强栏度较殖低，悠在现裳代钢装结构元高层姥建筑落中，筝一般稀只用警于次读要构雕件，宽如次铸梁、及梯段禁、工鸽字梁摔腹板鼻等。普通扶低合谨金钢熊国产仍的有四16湾Mn殿，外旋国钢币材有派美国门的A纹44寒0、板A2届42知，日乘本的谜SS忙50多、S体M5茫1，庆德国挣的S设T5括2、蚂ST镜62矩等劝。6转0年乡丰代以辆来，坡低合仔金钢硬大量明进入扒高层积建筑沈市场案，在骡钢结集构高罗层建软筑中说广泛阿采用精的合遮金钢绘的国貌家除巡寿美国罢、日盏本外艇还有屠欧洲象国家俭。我登国新旅建的易钢结膀构高听层建糕筑中忙，已警有多缺幢建饼筑采旷用外饿国进久口的扁低合当金钢煌材建独造。热处放理低心合金催钢，竟是对应低合解金钢抬进行系热处家理，保来进舌一步艘提高因强度慢而又汇不显摩著降雾低其剂塑性子和韧聋性。参目前桶这种拢钢材累的屈魂服点膏已可连达7锄00狭N/熟mm呆2，捆如美甘国的己T—辩1、勒日本许的H薪T7跌0、立俄罗锤斯的雾70掌/8饺0纸级钢肉以及梯我国玻的1稠4锰伪钼铌福钢。扔虽然续其强由度高君，但雪伸长盖率小交，脆愁性大欧，塑浴性差姿，应款力重械分布乱能力晋低，数可焊有性不黎好，怕在钢斯结构慈高层桌建筑蔽中采傲用很绑少，滨而且喂仅用刻于受雪拉或辰受弯喉构件颗。2.铺钢材论的品玻种在现亲代钢派结构括高层松建筑搞中，往广泛根采用静H型萍钢、钞厚度债方向巩性能自钢板嫁、压丙型钢倚板、却薄壁矮钢管锅等。（1傻）型幅钢。右有热袄扎H故型钢姨和H贺型钢橡。热铺轧H赛型钢签，欧园美国捏家称疏宽翼只缘工雁字钢齐、日痛本称桐H偏型烂钢，鞭它用电四轮誓万能主轧机件轧制筐而成腐；焊雹接H薄型钢跟，将您钢板排裁剪恰、组凉合后袭再用氏自动额埋弧约焊或虽手工裙焊、域二氯出化碳月气体堡保护置焊、丢高频因电焊列工艺适焊接艳而成愁。（2却）厚沟度方东向性番能钢堂板。姑厚度丙方向梯性能素钢板崇，也砖称Z泄向钢骗，是掉在某银一级钓结构涂钢（员母级唉钢）氏的括基础滥上，签经过盒特殊从冶炼翁、处凤理的馅钢材顶。其汗含硫樱量控脖制更沈严，猾为一局般钢息材的请1/闸5以数下，缎截面境收缩暴率在寇15沿%以虽上。轮钢结满构高陵层建诱筑是棒首先传提出考有厚怖度性凉能要倍求的抱建筑郑结构肯，为葬防止东发生货层状画撕裂依，国命家制婚定和痕颁布幼了相五关的受行业仪标准辆。（3添）压王型钢偷板、幸薄壁婶钢管为。这稠几种翅钢材萄应用肝在钢步和混彼凝土趟组合芦构件刻中，斥是一唤种各秘取所选长的缠结合姓。钢往的强报度高赖，宜骑受拉苗，混惭凝土啊则宜顽受压齐，两仔种材为料结喝合，至都能伪充分谜发挥司各自壮优势野，是蛛一种欢合理轨的结堪构。以上愿两种孕组合财构件堵在高座层建盛筑中肢已有欺很多婚应用花，是刘很有习发展初前景蓄且承雀载力窑高，练塑性程、韧旦性好牢，节庙省材申料，诸方便赛施工亡，有幼较好奇经济害效益含等特捷点的脖新型筋组合脑结构访。四、洞钢材说的代碍用钢结飞构工愁程所姑采用犬的钢射材必凯须附恋有钢止材的蛋质量剧证明君书，榴各项烦指标棚应符午合设来计文挥件的慌要求观和国榴家现维行有蛙关标庆准的肿规定狡。施弟工单锻位不走宜随目意更剪改或丸代用再。只喂有在妻供方脚无法亲满足碰设计狠要求资又没系有其煤他货饼源的讯情况恳下，陵经原译设计捡单位制同意串时方介可代防换，帐并可淋根据锅钢材沙选择扮的原略则灵化活调哀整。枕对材封质的肃要求震，受卫拉构家件高企于受对压构陆件；队焊接奖结构佳高于竭螺栓阶连接舞的结习构；听厚钢萄板结剑构高圈于薄走钢板蛇结构骄；低膝温结冈构高冠于常隐温结肿构；攀受动予力荷狮载的稍结构馋高于瓣受静陆力荷溉载的蚁结构绘。一斥般确及定钢叙材必问须代删换时劲，应馆注意陷以下伴各点忆。（1尾）代棕用钢权材的子化学取成分杏和机涝械性佩能与墨原设语计应追一致孙。钢课号虽腊然满着足设悲计要笼求，艘但生除产厂眨提供默的材猾质保轿证书忌中缺条少设吓计部键门提峰出的来部分芽性能侄要求刑时，热应做率补充扩试验械。（2狼）钢泄材性练能虽坏然满见足设脚计要鸽求，归但钢烧号的俊质量金优于仅设计栽提出隔的要贡求时嚼，应荒注意匆节约驱。（3胜）如瓣钢材裙性能守满足杜设计陆要求诞，而还钢号史质量吼低于麦设计芒要求墙时，菌一般兄不允体许代答用。症如结血构性滑质和民使用在条件都允许牢，在鼻材质黎相差烟不大声的情症况下修，经租设计马单位收同意咱亦可总代用拳。（4掀）钢怕材的父钢号佣和性距能都凝与设虫计的撤要求年不符却时，刷如Q肺23贩5钢你代Q殊34候5钢勿，首惊先应玩根据背上述掌（1喂）和版（2纹）的扒规定滤检查裂是否万合理剖，然跟后按否钢材续的设脸计强洞度重遵新计葵算，怒根据拦计算膀结果戒改变棵结构骂的截夕面，址焊缝墓尺寸棉和节效点构繁造。（5鸽）对乘于成侦批混命合的脆钢材仪，如罩用于忘主要誓承重祝结构股时，速必须腐逐根谣按现问行标欣准对翻其化吴学成麦分和可机械里性能殊分别桶进行失试验毛，如毕检验斗不符豪合要财求时先，可荣根据礼实际缠情况会用于匙非承迅重结碧构构闷件。（6简）采倾用进枕口钢约材时捉，应序验证徐其化滴学成盼分和镇机械嘉性能狡是否相满足哪相应齿钢号爬的标哄准。（7吧）当灵采用设代用酿钢材座而引讨起构蚊件的姐强度泼、稳道定性北和刚烈度变晕化较画大，邀并产骡生较傲大的钞偏心赏影响恐时，错要重叨新进摸行设嘉计。（8序）钢弄材的咏规格视尺寸统与设庭计要苏求不咳同时耗，不漫能随耳意以纹大代聚小，遣须经澡计算若后才本能代筋用。五、丸钢材某的验率收对钢芬结构跑的钢昌材进市行验蚂收是恐保证甚钢结词构工斥程质贤量的洗重要维环节倒，应灭该遵昏照《锤钢结组构工果程施论工质尚量验严收规孩范》悦（G医B峡50史20卧5—者20践01新）对穗钢材议的有钉关规纷定执话行。绍其主胁要内勤容包猛括以粱下几耕项。（1岔）助钢材析的数袖量和珍品种消是否茶与订为货单豪符合野。（2策）影钢材涨的质誓量保宰证书芽是否若与钢没材上健打印具的记承号符荣合。宇每批熊钢材骆必须睬具备彩生产慰厂家录提供神的材见质证券明书剖，写节明钢薄材的店炉号犬、化酱学成身分和恋机械趴性等飞项目基。应鱼检查动各项惜目是敞否齐班全，派并根抓据国绒标G迫B/速T怠70优0—坦20唯06译和棚GB如/T努1糟59坝1—赤19爱94怕中的责有关速规定寨，核邻对钢防材的帮各项木指标螺。以上夸验收熊检查并的