钢结构高层建筑施工课件

鋼結構高層建築施工●7.1鋼結構高層建築的結構體系我國鋼結構有著悠久的歷史，遠在古代就有鐵鏈懸橋、鐵塔等建築物。20世紀中期，先後建成了許多鋼橋、工業廠房、體育館等。幾十年來，我國的大城市由於人口高度密集，生產和生活用房緊張，交通擁擠，地價昂貴，城市建築逐漸向高空發展，高層和超高層建築迅速出現。鋼結構由於強度高，自重輕，有良好的塑性、韌性，抗震性能好，工業化程度高，安裝容易，施工週期短，投資回收快，環境污染少，建築造型美觀等綜合優勢。隨著我國鋼鐵結構的發展，國家建築技術政策由以往限制使用鋼結構轉變為積極合理推廣應用鋼結構，從而推動了建築鋼結構的快速發展。旅館、飯店、公寓、辦公樓等多高層及超高層建築採用鋼結構也越來越多，北京、上海、深圳等地區已陸續建造了數十幢鋼結構高層建築。

如北京的京城大廈(183.35m)、深圳的地王大廈(384m)、上海的金茂大廈(421m)等著名的鋼結構高層建築。目前，鋼結構高層建築已成為我國高層建築的主要結構類型，並且由於我國已生產鋼結構高層建築用厚鋼板、熱軋H型鋼等多種鋼材品種，也為鋼結構高層建築的發展提供了重要的物質保證。鋼結構建築被稱為21世紀的綠色工程。表7-1列舉了國內較有代表性的一些鋼結構高層建築。

目前，鋼結構高層建築的結構體系主要有純框架結構體系、框架—支撐(剪力牆)結構體系、錯層桁架結構體系、外筒式結構體系、筒體結構體系等幾種，如圖7.1所示。●7.1鋼結構高層建築的結構體系

●7.1.1純框架結構體系

純框架結構體系是由水準梁和垂直柱通過節點的剛性構造連接而成的多個平面剛接框架結構組成的空間杆系結構，承受作用於各個平面的荷載。框架結構在垂直平面上不設支撐，可以形成較大的空間，為平面佈置提供了最大的靈活性，框架結構可以有多種結構平面，如圖7.2所示。

框架結構體系各部分的剛度比較均勻，構造簡單，易於施工。其整體性取決於各柱和梁的剛度、強度以及節點剛接構造的可靠性，在豎向荷載作用下的承載能力取決於梁、柱的強度和穩定性，在這方面與其他結構體系的情況基本相同，在水準荷載作用下其抗側力的強度和剛度主要取決於杆件的抗彎能力。據此，該體系對於30層以下的建築較為合適。25層的北京長富宮飯店，即為鋼框架結構體系。當建築超過30層後，樓層剪力很大，這種體系的剛度不易滿足要求，靠加大梁、柱截面來提高框架的抗側力能力，已不再經濟合理，常需採用剪力牆或筒體結構來加強剛接框架而另成別的體系。框架結構體系的優點是建築平面佈置靈活，能適用於各類性質的建築，有較大延性，有利於抗震；缺點是側向剛度較差，在風載或地震荷載等水準荷載作用下，層間位移較大，會導致非結構部件破壞。●7.1.2框架一支撐(剪力牆)結構體系

高層建築結構設計的重要內容之一是控制建築物頂點的水準位移在規定的限值範圍內，上述純框架結構體系到達一定高度後，難以承受水準荷載作用下的水準剪力，通過在框架結構某些節間的豎向平面內增設起剪力牆作用，由鋼支撐構成的豎向抗剪支撐桁架，來承受水準剪力。即能有效地提高結構體系的抗剪剛度而大大減少水準位移，這種結構型式一般稱之為框架—支撐結構，其類型如圖7.3(a)、(b)所示。

當剛接框架和抗剪支撐共同工作而成為框架—支撐結構體系時，框架主要作為承受豎向荷載的結構，也承受一部分水準荷載(一般約占15%～20%)，大部分水準荷載由抗剪支撐承受。在水準力作用下，抗剪支撐桁架的支撐構件只承受拉、壓軸向應力，無論從強度或變形的角度看，都是十分有利的。這種結構中因柱子主要承受牆、梁和樓板傳遞的豎向荷載，用鋼量較純框架結構小，框架梁—柱節點相對簡單，可視為鉸接或半剛接。由於豎向抗剪支撐桁架提高了結構的抗水準力能力，增加了結構的整體剛度。因而此結構體系的建築高度可以加大。可建到60層左右。如53層的北京京廣中心(208m)即為鋼框架—支撐結構。

但當豎向支撐桁架設置在建築物中部構成抗水準力核心筒時，週邊柱一般不參與抵抗水準力，則整個結構的剛度提高有限，也就影響了建築物層數的增加。如果在結構的頂層或中間層設置高度相當於一個樓層的水準帶狀支撐桁架，可使週邊柱共同抵抗水準力，結構抵抗水準力能力大大提高。一般設在中間樓層的水準桁架稱腰桁架，設在頂層的水準桁架稱帽桁架。此類框架—支撐結構又稱為有腰(帽)桁架的框架—支撐結構體系。如52層的北京京城大廈(183.35m)就採用了此結構體系。支撐的類型很多，如圖7.4所示，採用何種類型支撐、其數量多少及剛度大小，主要依建築物高度和水準力的大小加以調整。在鋼結構高層建築中，用的最多的是人字支撐、交叉支撐和單斜杆支撐。為保持抗側力性能的均衡，單斜杆支撐應對稱佈置，以承受左、右兩方向來的地震作用。

另外有時在鋼結構高層建築中多採用帶豎縫或水準縫的混凝土牆板代替支撐桁架，這種牆板的變形能力比普通混凝土牆板大得多。它的上下邊沿全長與框架梁連接。由於混凝土牆板的斷面大，有很大的剛度和抗剪能力，能有效地抵抗地震作用引起的剪力，顯著地節約了鋼材，如43層的深圳發展中心(165m)。●7.1.3錯列桁架結構體系

由框架—支撐結構派生演變成。其特點是下一樓層的桁架位於上一樓層兩榀桁架間距的中線上，使相鄰兩個樓層桁架呈“品”字形交錯排列，如圖7.5所示。此結構的樓板架設在下層桁架的上弦杆和上層桁架的下弦杆上，樓板參與桁架傳遞水準力，起剛性隔板作用。水準力作用於每層桁架上弦，經腹杆傳至下弦，又由樓板傳至相鄰桁架的上弦。這一過程的重複，就可以使水準力傳至基礎。這種結構適用於公寓、旅館等狹長建築物，因為狹長矩形平面高層建築，短邊剛度往往較小，而短邊方向的風載又較大。錯列桁架結構的優點是短邊剛度較大，容易滿足以上設計要求，而且此結構的經濟效果非常突出，國內尚無這種結構實例，據國外報導此體系非常省鋼，其用鋼量比框筒結構低40%。又因桁架在工廠製作後整體吊裝，結構安裝速度快，施工週期短，美國已有此類結構實例。●7.1.4外筒式結構體系

外筒式結構體系如圖7.1(e)、(f)、(g)所示，有開口筒、框架筒、桁架筒等幾種。當建築物高度超過60層後，水準荷載作用的影響愈來愈嚴重，結構體系必須具有更強有力的承受水準荷載的有效部分。由於框架—核心筒結構的內筒平面尺寸較小，其側向剛度受到限制，所以有時把抗剪結構在外圍延伸至建築短邊全寬，長邊則在中間斷開，在平面兩端形成槽形懸臂構件，稱為半框筒式結構或開口筒結構。如長邊較長，中間可再加工字形抗剪懸臂構件或加一個封閉的中間筒。此結構的抗水準力構件可採用支撐桁架或密柱解決，其抗水準力能力加大，內部空曠，使用較靈活，但樓蓋梁跨度較大，可建到70層。國內尚無此結構體系實例。

如果採用密排的柱和各層樓蓋處的橫樑(或以窗下牆作為橫樑)剛接組成密間距矩形網格，四周成圈，形成一個封閉空心箱形懸臂筒(豎直方向)，來承受水準荷載，則大大提高了體系的抗側移剛度和抗扭轉性能。豎直重力荷載則主要由內部少量中間柱承受。勁性樓面作為橫隔把側力分佈到周邊結構上，無需樓板梁的彎矩約束作用來抵抗和傳遞水準力，樓板可做成密肋板或無梁平板，則可獲得較大的樓層淨高。這種結構的外筒是由空腹格網組成的框架式結構，因而稱為框架筒。其合適高度為80層左右，其平面具有很大的多功能靈活性，且其外圈密排式空腹格網可直接作為安裝玻璃的窗框。

但這種外筒不是實腹外牆而是密網框架，框架的柔性在傳力過程中易造成應力損失，使正應力兩邊大中間小，角柱軸力大於中間軸力，形成剪力滯後現象。因此框架筒結構在水準荷載作用下，仍存在一定的缺點，為克服缺點可將外筒的剛性框架結構改為桁架式結構，也稱為桁架式外筒結構。因框架筒依靠梁柱的彎曲抵抗水準剪力，而桁架筒則主要靠斜撐的軸向力來抵抗水準剪力，水準剪力引起的斜撐拉力將會被重力荷載產生的壓力抵消，斜撐的這種雙重作用使這種結構有很高的效能，用鋼量也降低約10%，應用此結構體系，建築物高可達100層以上。其缺點是開窗受斜撐影響，大量交叉節點使結構變的複雜。如圖7.6所示美國芝加哥100層的約翰·漢考克中心即為桁架式外筒結構，強大的交叉支撐外露於建築物的立面上。●7.1.5筒體結構體系

筒體結構體系如圖7.1(h)、(i)所示，主要有筒中筒、筒束等幾種。加強框架外筒式結構體系的另一種方法是在內部設置強勁的鋼結構或鋼筋混凝土結構剪力牆式的核心內筒，週邊結構為密柱深梁鋼框筒，從而發展形成筒中筒結構體系。此結構體系的內筒和外筒由樓蓋結構連接起來形成一個整體，共同承受水準荷載和豎直荷載，可以十分有效地抵抗側力。由於有內筒參與抵抗側力，框筒的剪力泄後現象得到改善，其合適高度也可達到100層左右。

筒式結構的發展，從單筒到筒中筒，進而又把許多個筒體排列而成筒束結構體系。此體系合適高度約為110～120層，如採用桁架式筒束結構體系，有可能把合適高度提高到140層以上。美國芝加哥西爾茲大廈是採用筒束結構的典型實例。其平面形式及外形特徵如圖7.7所示。110層的西爾茲大廈平面尺寸67.5×67.5m，高445m。50層以下結構由9個22.5×22.5的框筒相互連接組成筒束，平面呈正方形；51～66層去掉2個角部框筒，平面呈雙菱形；67～90層又去掉另兩個角部框筒，平面呈十字形；91～110層再去掉3個框筒，平面呈長方形。●

7.2鋼結構用鋼材

結構鋼主要由鐵元素組成，約占化學成分的98%或更高，但是影響鋼材材質的卻是所占百分比含量很小的其他元素，如碳、其他合金元素以及雜質元素。鋼化學成分的微量變化，會直接影響鋼材的機械性能、加工性能和使用性能。有時為獲得更高的強度和韌性，必須加入少量其他元素，特別是碳和錳。對於焊接結構鋼，除了抗拉強度外，塑性、韌性和可焊性都是主要指標，因而含碳量一般控制在0.22%以下，對碳、磷極限含量都嚴格控制，防止熱脆和冷脆等。●7.2.1結構用鋼材的種類

鋼材的品種繁多，性能各異，但在鋼結構中採用的鋼材按其化學元素組成，主要有以下幾類：1.碳素結構鋼碳素結構鋼是最普通的工程用鋼，其中碳是形成鋼材強度的主要元素，直接影響著鋼材的可焊性。按其含碳量的多少，可分為低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼，見表7-2。其中低碳鋼是最主要並最多使用的鋼材品種。

碳素結構鋼又可以分為普通碳素結構鋼和優質碳素結構鋼。1)普通碳素結構鋼(GB700—1988)

根據現行的國家標準《碳素結構鋼》(GB700—1988)的規定，碳素結構鋼的牌號由代表屈服點的字母(Q)、屈服點數值(N/mm2)、品質等級代號(A、B、C、D)、去氧方法代號(F、b、Z、TZ)等四個部分符號按順序組成。Q是“屈”字中文拼音的首位字母；品質等級中A級最差，D級最優；F、b、Z、TZ則分別是“沸”、“半”、“鎮”及“特鎮”中文拼音的首位字母，分別代表沸騰鋼、半鎮靜鋼、鎮靜鋼及特殊鎮靜鋼(表示去氧程度不同)。其中代號Z、TZ可以省略。如：Q235-A.F表示屈服點為235N/mm2的A級沸騰碳素結構鋼。Q235-D表示屈服點為235N/mm2的D級特殊鎮靜碳素結構鋼。碳素結構鋼按屈服點的大小，分為Q195、Q215、Q235、Q255、及Q275等五種牌號。由平爐或氧氣頂吹轉爐冶煉、交貨時，供方應提供力學性能和化學成分的質保書，其內容包括屈服強度、極限強度、伸長率、彎曲實驗及碳、錳、矽、硫、磷等的含量。不同，牌號、不同品質等級的鋼材對化學成分和拉伸、衝擊韌性、冷彎等力學性能指標要求也不同，應符合有關規定。

根據老標準《普通碳素結構鋼技術條件》(GB700—1979)的規定，碳素結構鋼分為甲、乙、特三類。甲類鋼主要按力學性能供應；乙類鋼按化學成分供應；特類鋼則按力學性能和化學成分供應。碳素結構鋼按含碳量的大小分為1、2、3、4、5、6、7七個鋼號，鋼號越大，含碳量就越多，鋼材的強度和硬度也就越高，塑性則越低。現行標準中的Q235即為3號鋼。2)優質碳素結構鋼(GB699—1988)

優質碳素結構鋼是用以滿足不同加工要求而賦予相應性能的碳素鋼，是碳素鋼經過熱處理(如調質處理和正火處理)得到的優質鋼。按《優質碳素結構鋼技術條件》(GB699—1988)的規定，共有31個品種，根據其含錳量的不同分為兩組：普通含錳量的鋼，其含錳量小於0.8%；較高含錳量的鋼，其含錳量為0.7%～1.2%。優質碳素鋼與普通碳素鋼的主要區別在於鋼中含雜質元素較少，硫、磷的含量均不大於0.035%，都屬平爐或電爐冶煉的鎮靜鋼，且嚴格限制其他缺陷，並且有較好的綜合性能。

優質碳素鋼鋼號的寫法是用其平均含碳量的萬分之幾表示，如“45號鋼”是表示平均含碳量0.45%的優質碳素鋼，用作高強螺栓的熱圈等。優質碳素鋼在建築工程中應用較少，國家標準《優質碳素結構鋼》(GB/T699—1988)中可用於建築鋼結構的牌號有15(U20152)、20(U20202)、15Mn(U21152)、20Mn(U21202)，其化學成分與力學性能應符合有關規定。2.低合金鋼(GB/T1591—1994)

低合金鋼是一種在普通碳素鋼基礎上添加少量的一種或多種合金元素(總量低於5%)如釩、鈮、鈦、鉻、鎳等，以提高其強度，耐腐蝕性、耐磨性或低溫衝擊韌性的鋼材。加入釩、鈮、鈦等元素能明顯提高鋼材的強度、細化晶粒、改善可焊性；鎳、鉻屬於殘餘元素，本身就是不銹鋼的主要元素，它能提高強度，淬硬性和耐磨性等綜合性能，但是對可焊性不利；有時加入少量鉬和稀土(RE)元素，可以改善其綜合性能，使低合金結構鋼可以比碳素結構鋼節省約20%的用鋼量。

根據現行國家標準《低合金高強度結構鋼》(GB/T1591—1994)規定，低合金高強度結構鋼的牌號表示由代表屈服點的中文拼音字母(Q)、屈服點數值(N/mm2)。品質等級符號(A、B、C、D、E)等三個部分組成，其中品質等級由A到E品質從低到高。鋼牌號按屈服點大小，分為Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等五種，其中常用的鋼種為Q345和Q390。如按老標準GB/T1591-88規定，共列出了十幾種鋼號，隨著低合金鋼在鋼結構中的推廣使用，用於土木工程中的低合金鋼除了常用的16錳鋼和15錳釩鋼外，還有16錳鈮半、16錳稀土、14錳鈮半、18鈮半、15錳鈦、09錳等。表7-3列示了新國標GB/T1591—1994的低合金結構鋼牌號表示方法與原國標GB1591—1988不同。

低合金鋼由氧氣頂吹轉爐、平爐和電爐冶煉，交貨時供方應提供力學性能和化學性能的質保書，其內容包括屈服強度、極限強度、伸長率、衝擊韌性、冷彎實驗等及碳、錳、矽、硫、磷、釩、鈮和鈦等的含量。不同牌號、不同品質等級的低合金鋼其化學成分和力學性能應符合相關規定。3.耐候鋼在鋼的冶煉過程中，加入少量的Cu、P、Cr、Ni等特定合金元素，可以在金屬基體表面上形成保護層，以提高鋼材耐大氣腐蝕性能，這類鋼材稱為耐候鋼或耐大氣腐蝕鋼，按照國家標準GB/T4171的規定，耐候鋼適用於耐大氣腐蝕的建築結構，產品通常在交貨狀態下使用。在暴露初期，腐蝕速度與普通鋼並沒有太多的區別，然而，隨著穩定鏽層的形成，腐蝕速度就會延緩下來。但是在海邊等氯離子多的地區或雨量充沛的地區，表面緩蝕層很容易喪失其作用。以使用耐候鋼為藉口而降低防腐蝕塗裝的質、塗膜厚度或者想著可以延長更新塗裝週期都是不合理的。

我國目前生產的耐候鋼分為高耐候結構鋼和焊接結構用耐候鋼兩種：1)高耐候結構鋼其性能比焊接結構用耐候鋼好，故稱作高耐候性結構鋼。按化學成分可分為：銅磷鋼和銅磷鉻鎳鋼兩類。其牌號表示方法是由代表“屈服點”的拼音字母Q、屈服點的數字及“高耐候”的拼音字母GNH按順序組成，含Cr、Ni的高耐候鋼在牌號後加代號“L”。可分為Q295GNH、Q295GNHL、Q345GNH、Q345GNHL、Q390GNH五種牌號。各牌號的化學成分與力學性能要求應符合有關規定。2)焊接結構用耐候鋼這類鋼材具有良好的焊接性能，適用厚度為100mm。焊接結構用耐候鋼的牌號表示由代表“屈服點”的字母Q、鋼材的屈服點數值及“耐候”的字母NH按順序組成。分為Q235NH、Q295NH、Q355NH、Q460NH四種牌號，各牌號的化學成分和力學性能應符合有關規定。4.其他鋼材1)橋樑用結構鋼有著專門的三個沿用標準，即《橋樑建築用熱軋碳素鋼技術條件》(GB714—1965)、《橋樑用碳素鋼及普通低合金鋼鋼板技術條件》(YB168—1970)及《橋樑用結構鋼》(YB(T)10—1981)。橋樑用結構鋼比一般的建築用結構鋼的技術要嚴格得多，所以，如果鋼結構建築中使用了橋樑用結構鋼，屬於以優代劣。2)耐火鋼普通建築用鋼在350℃以上高溫時屈服強度迅速下降到室溫的2/3以下，不能滿足設計要求。為了提高普通建築用的鋼結構抵抗火災的能力，必須噴塗耐火塗層，而這樣會費工費時，增加建築結構重量，減少使用面積，延長工期，提高建築成本。20世紀80年代日本提出了耐火鋼的概念，研製和應用耐火鋼正是為了減薄或取消耐火塗層。日本研究者通過在鋼中添加微量的Cr、Mo、Nb等合金元素開發出來，在600℃的高溫屈服強度相當於室溫下的2/3以上屈服強度的耐火溫度為600℃的建築耐火鋼，其用途廣泛，可用於辦公樓、商場、賓館、鋼結構高層建築大廈等建造。3)鑄鋼、不銹鋼及高強度鋼等高強度鋼是通過冶煉加進多種的合金元素及熱處理工藝而獲得，用在受強度控制的大跨度、特重型結構中時，可以明顯的節約鋼材。如應用在高層建築的底部幾層承重結構中。

●7.2.2結構鋼材的品種

目前隨著鋼結構的大力發展，建築形式多種多樣，應用的鋼材品種也有了很大變化。鋼材的主要品種有以下類型。1.鋼板、鋼帶鋼板和鋼帶的主要區別在於鋼板是平板狀矩形的鋼材，而鋼帶是指成卷交貨的鋼材。鋼板按軋製方法可以分為冷軋鋼板和熱軋鋼板，在建築鋼結構中主要用熱軋鋼板。根據厚度、長度與寬度的變化，鋼板分為薄板、厚板、特厚板和扁鋼等。薄板主要用來製造冷彎薄壁型鋼；厚板用做梁、柱、實腹式框架等構件的腹板和翼緣，以及桁架中心節點板；特厚板用於鋼結構高層建築箱形柱等；扁鋼可作為組合梁的翼緣板、各種構件的連接板等。2.普通型材工字鋼、槽鋼、角鋼三種類型是工程結構中使用最早的型鋼。1)工字鋼有普通熱軋工字鋼和輕型工字鋼兩種。翼緣內表面有著1：6傾斜度，使翼緣外薄而內厚，就造成工字鋼在兩個主平面內的截面特性相差極大。不宜單獨用做軸心受壓構件或承受斜彎曲和雙向彎曲的構件，在應用中難以發揮鋼材的強度特性，已逐漸被H型鋼所淘汰。2)槽鋼有普通熱軋槽鋼和輕型槽鋼兩種，其伸出肢較大，可用於屋蓋檁條，承受斜彎曲或雙向彎曲。另外槽鋼翼緣內表面斜度1∶10比工字鋼平緩，安裝螺栓較容易，但其腹板較厚，使槽鋼組成的構件用鋼量較大。相比而言，型號相同的輕型槽鋼比普通槽鋼的翼緣寬而薄，腹板厚度更小，截面特性更好。3)角鋼是傳統鋼結構工程中應用非常廣泛的型材，有等邊角鋼和不等邊角鋼兩大類，可以組成獨立的受力構件，或作為受力構件之間的連接零件。3.H型鋼

H型鋼有熱軋H型鋼和焊接H型鋼兩種。其中熱軋H型鋼又分為寬翼緣H型鋼(HW)、中翼緣H型鋼(HM)、窄翼緣H型鋼(HN)和H型鋼柱等。焊接H型鋼由平鋼板用高頻焊接組合而成。H型鋼與工字鋼相比，其翼緣寬，兩個主軸方向的慣性矩接近，抗彎、抗扭、抗壓、抗震能力強；翼緣內表面沒有斜度，上下表面平行，便於機械加工、結構連接和安裝。H型鋼的截面特性要明顯優於傳統的普通型鋼，受力更加合理，故已廣泛用於鋼結構高層建築建築中。具體內容後面有闡述。經過剖分H鋼而成的T型鋼相應分為TW、TM、TN三種。4.冷彎型鋼是由薄鋼板或鋼帶經冷軋(彎)或壓模而成，其截面型式有等邊角鋼、卷邊等邊角鋼、Z型鋼、卷邊Z型鋼、槽鋼、卷邊槽鋼等開口截面以及方形和矩形閉口截面等，如圖7.8所示。冷彎型鋼在輕型鋼結構、大跨度鋼結構中有著不容忽視的地位。5.厚度方向性能鋼板國家標準《厚度方向性能鋼板》(GB/T5313)是對有關標準的鋼材要求做厚度方向性能試驗時的專用規定，適用於板厚為15～150mm、屈服點不大於500N/mm2的鎮靜鋼板。要求內容有兩方面：含硫量的限制和厚度方向斷面收縮率的要求值。據此分為Z15、Z25、Z35三個級別，相應的技術要求見表7-4。●7.2.3鋼材的選用

各種結構對鋼材各有要求，建築鋼材選擇時根據規範要求對鋼材的強度、塑性、韌性、耐疲勞性能、焊接性能、耐鏽性能等全面考慮，確定鋼材的牌號及其品質等級。鋼材的選用原則是既能使結構安全可靠和滿足要求，又要最大可能節約鋼材和降低造價，不同的使用條件應有不同的品質要求。一般應考慮：結構的重要性、荷載情況、連接方法、結構所處的溫度和工作環境等幾方面的情況。1.選用鋼結構高層建築鋼材的有關規定《鋼結構高層建築技術規程》(JGJ99—1998)規定：鋼結構高層建築的鋼材，不採用Q235—A級鋼，宜採用Q235等級B、C、D的碳素結構鋼，以及Q345等級B、C、D、E的低合金高強度結構鋼。其品質標準應分別符合我國現行國家標準《碳素結構鋼》(GB700—1988)和《低合金高強度結構鋼》(GB/T1591—1994)的規定。當有可靠根據時，可採用其他牌號的鋼材。

採用焊接連接的節點，當板厚≥50mm，並承受沿板厚方向的拉力作用時，應按現行國家標準《厚度方向性能鋼板》(GB5313)的規定，附加板厚度方向的斷面收縮率，並不得小於該標準Z15級規定的允許值(Z15級斷面收縮率：三個試樣平均值大於15%，單個試樣值大於10%)，以防止發生層狀撕裂。抗震鋼結構高層建築的鋼材應保證：強屈為1.2～1.8、有明顯屈服臺階、伸長率大於20%、有保持延性的良好可焊性。不應採用15MnV或15MnVq鋼，可採用Q235和16Mn鋼材。2.鋼結構高層建築選用的鋼材根據以上有關規定，鋼結構高層建築選用的鋼材種類和品種分別有以下一些。1)鋼材的種類有三大類：(1)低碳鋼(普通碳素鋼)(2)普通低合金鋼(3)熱處理低合金鋼(淬火回火合金鋼)我國低碳鋼應用最普遍的是Q235鋼，類似Q235鋼材的外國鋼材有美國的A36、日本的SM41、德國的ST37、俄羅斯的CT3等。這些鋼材已使用了半個多世紀，加工和使用性能都好，成本較低。但因其強度較低，在現代鋼結構高層建築中，一般只用於次要構件，如次梁、梯段、工字梁腹板等。普通低合金鋼國產的有16Mn，外國鋼材有美國的A440、A242，日本的SS50、SM51，德國的ST52、ST62等。60年代以來，低合金鋼大量進入高層建築市場，在鋼結構高層建築中廣泛採用的合金鋼的國家除美國、日本外還有歐洲國家。我國新建的鋼結構高層建築中，已有多幢建築採用外國進口的低合金鋼材建造。

熱處理低合金鋼，是對低合金鋼進行熱處理，來進一步提高強度而又不顯著降低其塑性和韌性。目前這種鋼材的屈服點已可達700N/mm2，如美國的T—1、日本的HT70、俄羅斯的70/80級鋼以及我國的14錳鉬鈮鋼。雖然其強度高，但伸長率小，脆性大，塑性差，應力重分佈能力低，可焊性不好，在鋼結構高層建築中採用很少，而且僅用於受拉或受彎構件。2)鋼材的品種(a)普通軋機(b)萬能軋機在現代鋼結構高層建築中，廣泛採用H型鋼、厚度方向性能鋼板、壓型鋼板、薄壁鋼管等。(1)型鋼。有熱紮H型鋼和H型鋼。熱軋H型鋼，歐美國家稱寬翼緣工字鋼、日本稱H型鋼，它用四輪萬能軋機軋製而成，如圖7.9所示；焊接H型鋼，將鋼板裁剪、組合後再用自動埋弧焊或手工焊、二氯化碳氣體保護焊、高頻電焊工藝焊接而成。H型鋼因為力學性能好(沿兩軸方向慣性矩比較接近)，翼緣板內外側相互平行，連接施工方便。明顯用這種型鋼做鋼結構高層建築的框架非常適合。鋼結構高層建築中的柱子，當結構高度不十分高時，一般選用軋製H型鋼；當荷載較大時可用焊接的H型鋼。鋼結構高層建築的梁，多為軋製或焊接的H型鋼。當然還有一些其他的組合截面，如箱形截面、十字形截面在鋼結構高層建築中的框架中使用。箱形截面一般由H型鋼加焊鋼板或由四塊鋼板焊接而成，鋼板厚度由計算確定，用於荷載很大或存在雙向彎矩的高度很大的鋼結構高層建築的柱子截面(如美國紐約110層世貿中心，我國金茂大廈等建築的柱)，或鋼結構高層建築的大樑、懸臂梁及懸掛構件的懸臂梁截面；十字形截面由兩個軋製工字鋼或鋼板組成，用於承受雙向彎矩的柱子截面(如上海27層的瑞金大廈的柱)。

但鋼結構高層建築的柱、梁仍多為H型截面，所以軋製和焊接的H型鋼在國外發展很快。我國近年來在H型鋼的生產方面取得很大進展，目前國內已經有多家生產H型鋼的廠家，如馬鋼、萊鋼和鞍山一軋等，生產的H型鋼的規格有70餘種。它的規格標記採用高度H(mm)×寬度B(mm)×腹板厚度t1(mm)×翼緣厚度t2(mm)表示，生產的HW型鋼截面高度為100～400mm，寬高比B/H=1；HM型鋼截面高度為150～600mm，寬高比B/H=1/2～2/3；HN型鋼截面高度為100～700mm，寬高比為B/H=1/2～1/3。對於焊接H型鋼，冶金工業部頒佈了YB3302—1981輕型焊接H型鋼和YB3301—1981焊接H型鋼的部頒佈標準。輕型焊接H型鋼的規格為100×50mm～454×300mm；焊接H型鋼的規格為300×200mm～1200×600mm，後者一般採用的是自動埋弧焊工藝焊接，規格較大，宜用作鋼結構高層建築建築的柱和梁。

上海施工的一些鋼結構高層建築建築，有的即採用國產的焊接H型鋼。焊接H型鋼的翼緣突伸的最大寬厚比為15t2(t2翼緣厚度)，最大的腹杆高厚比為70t1(t1為腹板厚度)，鋼板厚度採用以2mm的級差遞增，但保留25mm一級。鋼板的下料，板厚小於8mm時用機械剪切；大於8mm，採用氧一丙烷或氧一乙炔精密切割工藝和多頭自動切割機或半自動切割機進行加工，翼緣板邊緣的光潔度應達到有關要求。(2)厚度方向性能鋼板。厚度方向性能鋼板，也稱Z向鋼，是在某一級結構鋼(母級鋼)的基礎上，經過特殊冶煉、處理的鋼材。其含硫量控制更嚴，為一般鋼材的1/5以下，截面收縮率在15%以上。鋼結構高層建築是首先提出有厚度性能要求的建築結構，為防止發生層狀撕裂，國家制定和頒佈了相關的行業標準。包括以下幾項。①適用於製作鋼結構高層建築建築厚度為6～100mm的鋼板分為2個強度等級、4個牌號，分別為Q235GJ、Q235GJZ、Q345GJ、Q345GJZ。各牌號鋼力學性能應符合有關規定。②冶煉由轉爐和電爐冶煉。③交貨狀態為熱軋、正火或溫度—變形控制軋製(TMCP)，控軋是使合金元素最佳化和對從加熱到軋製及其後冷卻所包括的整個工藝過程進行控制的綜合熱加工技術。交貨狀態應在合同種注明，否則由供應方選擇。(3)壓型鋼板、薄壁鋼管。這幾種鋼材應用在鋼和混凝土組合構件中，是一種各取所長的結合。鋼的強度高，宜受拉，混凝土則宜受壓，兩種材料結合，都能充分發揮各自優勢，是一種合理的結構。採用壓型鋼板作鋼筋混凝土樓板翼緣板的底模，鋼筋混凝土板受壓，壓型鋼板受拉，各得其所，是非常經濟的結構形式。

採用薄壁鋼管(圓管或方管)，內灌素混凝土的鋼管混凝土結構。在壓力作用下，鋼管和混凝土之間產生相互作用的緊箍力，使混凝土處於三向受壓的應力狀態下工作，大大提高了混凝土的抗壓強度，改善了塑性，提高了抗震性能；而薄壁鋼管在混凝土的擠壓下不易屈曲，提高了鋼管的局部穩定性，使鋼材強度得到充分發揮。試驗研究，鋼管混凝土強度比單鋼管或同樣截面的混凝土強度提高了好幾倍，特別適用於軸心受壓構件。以上兩種組合構件在高層建築中已有很多應用，是很有發展前景且承載力高，塑性、韌性好，節省材料，方便施工，有較好經濟效益等特點的新型組合結構。

●7.2.4鋼材的代用

鋼結構應按照選用鋼材的原則選用鋼材的鋼號並提出對鋼材的性能要求。鋼結構工程所採用的鋼材必須附有鋼材的品質證明書，各項指標應符合設計檔的要求和國家現行有關標準的規定。施工單位不宜隨意更改或代用。只有在供方無法滿足設計要求又沒有其他貨源的情況下，經原設計單位同意時方可代換，並可根據鋼材選擇的原則靈活調整。對材質的要求，受拉構件高於受壓構件；焊接結構高於螺栓連接的結構；厚鋼板結構高於薄鋼板結構；低溫結構高於常溫結構；受動力荷載的結構高於受靜力荷載的結構。一般確定鋼材必須代換時，應注意以下各點。(1)代用鋼材的化學成分和機械性能與原設計應一致。鋼號雖然滿足設計要求，但生產廠提供的材質保證書中缺少設計部門提出的部分性能要求時，應做補充試驗。(2)鋼材性能雖然滿足設計要求，但鋼號的品質優於設計提出的要求時，應注意節約。(3)如鋼材性能滿足設計要求，而鋼號品質低於設計要求時，一般不允許代用。如結構性質和使用條件允許，在材質相差不大的情況下，經設計單位同意亦可代用。(4)鋼材的鋼號和性能都與設計的要求不符時，如Q235鋼代Q345鋼，首先應根據上述1和2的規定檢查是否合理，然後按鋼材的設計強度重新計算，根據計算結果改變結構的截面，焊縫尺寸和節點構造。(5)對於成批混合的鋼材，如用於主要承重結構時，必須逐根按現行標準對其化學成分和機械性能分別進行試驗，如檢驗不符合要求時，可根據實際情況用於非承重結構構件。(6)採用進口鋼材時，應驗證其化學成分和機械性能是否滿足相應鋼號的標準。(7)當採用代用鋼材而引起構件的強度、穩定性和剛度變化較大，並產生較大的偏心影響時，要重新進行設計。(8)鋼材的規格尺寸與設計要求不同時，不能隨意以大代小，須經計算後才能代用。●7.2.5鋼材的驗收

對鋼結構的鋼材進行驗收是保證鋼結構工程品質的重要環節，應該遵照《鋼結構工程施工品質驗收規範》(GB50205—2001)對鋼材的有關規定執行。其主要內容包括以下幾項。(1)鋼材的數量和品種是否與訂貨單符合。(2)鋼材的品質保證書是否與鋼材上列印的記號符合。每批鋼材必須具備生產廠家提供的材質證明書，寫明鋼材的爐號、化學成分和機械性等專案。應檢查各項目是否齊全，並根據國標GB700—1988和GB/T1591—1994中的有關規定，核對鋼材的各項指標。以上驗收檢查的數量為全數檢查；檢驗的方法是檢查品質合格證明文件及檢驗報告等。(3)檢驗鋼材的表面品質，其表面不得有結疤、裂紋、折疊和分層等缺陷，其深度不得大於該鋼材厚度負允許偏差值的1/2。本項檢查驗收的數量為全數檢查；檢驗方法是觀察檢查。(4)根據國標中的有關規定核對鋼材的規格尺寸以及各類鋼材外形尺寸的允許偏差。在YB3301—1992中規定了焊接H型鋼外形尺寸的允許偏差，見表7-5。

本項檢查驗收的數量為每一品種、規格的鋼材或型鋼抽查5處；檢驗的方法是用鋼尺或遊標卡尺量測。(5)屬於下列情況之一的鋼材，鋼材必須具備材質品質保證書和試驗報告。同時應進行抽樣複驗，複驗結果應符合現行國家產品標準和設計要求。①國外進口鋼材。②鋼材混批。③鋼材品質保證書的專案少於設計要求(應提供缺少專案的試驗報告)。④板厚大於40mm且設計有幾項性能要求的厚板。⑤設計有複驗要求的鋼材。⑥對質量有疑義的鋼材。本項檢查驗收的數量為全數檢查；檢驗的方法是檢查品質保證書、試驗報告及複驗報告。其中(1)、(2)、(5)為鋼材驗收的主控專案；(3)、(4)為鋼材驗收的一般專案。●

7.3鋼結構的連接技術

鋼結構的連接是通過一定的方式將各個板件或杆件連成整體。板件、杆件間要保持正確的相互位置，連接部位應有足夠的靜力強度和疲勞強度，來滿足傳力和使用要求。因此連接是鋼結構製作和施工中重要的環節。一般好的連接，應當符合安全可靠、節省鋼材、構造簡單和施工方便的原則。我國鋼結構高層建築在製作和安裝施工時採用的連接方法，根據結構的特點，主要是焊接連接和高強度螺栓連接等。●7.3.1焊接連接的方法、原理及操作工藝1.手工電弧焊凡電極的送給、前進和擺動三個動作均靠手工操作來實現的都稱為手工電弧焊。它是鋼結構中常用的焊接方法，其設備簡單，操作靈活方便，適用於各種位置的焊接；但生產效率較差，品質較低。在鋼結構高層建築的製造過程中一般用作焊縫打底；在現場焊接中，是廣泛採用的一種焊接技術。1)原理圖7.10是手工電弧焊的原理示意圖。它是由焊條、焊鉗、焊件、電焊機和導線等組成電路。通過引弧後，在塗有焊藥的焊條端和焊件間的間隙產生電弧，使焊條熔化，熔滴滴入被電弧吹成的焊件熔池中，同時焊藥燃燒，在熔池周圍形成保護氣體，稍冷後在焊縫熔化的金屬表面又形成熔渣，隔絕熔池中的液體金屬和空氣中的氧、氮等氣體的接觸，避免形成脆性易裂的化合物。焊縫金屬冷卻後就與焊件熔成一體。2)操作工藝(1)焊接參數的選擇。焊接參數工藝的選擇，應在保證焊接品質的條件下，採用大直徑焊條和大電流焊接，以提高勞動生產率。①焊條直徑的選擇。主要根據焊件厚度選擇，一般焊件的厚度越大，選用的焊條直徑也越大。另外應注意：多層焊的第一層以及非水準位置焊接時，焊條直徑應選小一點；在同樣厚度條件下，平焊比在其他位置用的焊條直徑大一些；立、橫、仰焊位置的焊條，最大直徑一般不超過4mm；對某些要求防止過熱及控制線能量的焊件，宜選用小直徑焊條。②焊接電流電壓的選擇。手工電弧焊的電源可分為交流電或直流電，交流電手工電弧焊是建築工地上應用最廣泛的焊接方法。直流電焊接技術一般應用焊接要求較高的鋼結構。手工電弧焊電流主要根據焊條直徑選擇。電壓主要取決於弧長，電弧長，則電壓高；反之，則低。

而手工電弧焊的電弧長度，大致應等於焊條直徑，電弧過長，熱量不集中，焊縫變寬，溶深不一致；過短，則易短路，焊縫變窄，表面凹凸不平。手工焊電流、電壓參數選擇參考有關手冊。一般焊接電流初步選定後，要通過試焊調整，電流過大或過小都有弊端。(2)焊條的選用。在選用焊條時，應注意以下原則。①應與主體金屬相匹配。②不同材質的母材焊接，焊條匹配強度低的母材。③對於易裂的母材或結構的塑性、韌性要求高的重要結構，應選用塑性、韌性好，含氫量低及坑裂性能好的鹼性焊條(低氫焊條)。④應選用低氫焊條而無直流焊接電源時，可選用低氫鉀型焊條。一般與主體金屬鋼材相匹配國產焊條的選用可參見表7-6。(3)焊縫的起頭、接頭及收尾。①焊縫的起頭。焊縫的起頭就是指剛開始焊接的操作。起頭部分往往容易出現氣孔、未熔透、寬度不夠及焊縫堆積過高等缺陷。為了避免和減少這種現象，應該在引弧後稍將電弧拉長，對焊縫端頭進行適當預熱，並且多次往復運條，達到熔深和所需要寬度後再調到合適弧長進行正常焊接。②焊縫的接頭。在手工電弧焊操作中，焊縫接頭的好壞，影響焊縫外觀成形和焊縫品質。必須準確掌握接頭部位，如過於推後，會出現焊肉重疊高起現象；反之，又會出現脫節凹陷。接頭處應在熔池溫度沒有完全冷卻時更換焊條，換焊條的動作越快越好，這樣能增加電弧穩定性，保證和前焊縫的結合性能，減少氣孔，並使接頭美觀。接頭一般是在弧坑前約15mm處引弧，然後移動到原弧坑位置進行焊接。用酸性焊條時，引燃電弧後可稍拉長電弧，待移到接頭位置時再壓低電弧；用鹼性焊條時，電弧不可拉長，否則容易出現氣孔。③焊縫的收尾。指焊縫結束時的收尾，焊縫收尾操作時，應保持正常的熔池溫度，做無直線移動的橫擺點焊動作，逐漸填滿熔池後再將電弧拉向一側熄弧。每條焊縫結束時必須填滿弧坑。過深的弧坑不僅會影響美觀，還會使焊縫收尾處產生縮孔、應力集中。為了填滿弧坑，一般採用以下三種操作方法。劃圈收尾法：當焊條移至焊縫終點時，作圓圈運動，直到填滿弧坑再拉斷電弧。此法適合於厚板收尾。反復斷弧收尾法：當焊接進行到焊縫終點時，在弧坑處反復熄弧和引弧數次，直到填滿弧坑為止。此法適用於薄板和大電流焊接，但不適用於鹼性焊條，容易產生氣孔。回焊收尾法：焊條移至焊縫收尾處梢加停頓，接著改變焊條角度往回焊一小段，相當於收尾處變成一個起頭。此法適用於鹼性焊條的焊接。2.自動埋弧焊埋弧焊是利用電弧作為熱源的焊接方法，焊接時電弧在顆粒狀的焊劑下層燃燒而完成焊接過程。1)原理其原理如圖7.11所示，一般焊絲成卷裝置在焊絲轉盤上，焊絲外表裸露不塗焊劑，焊劑成散狀顆粒裝置在焊劑漏斗中。通電使焊絲末端和焊件之間產生電弧後，電弧下的焊絲和附近焊件金屬熔化形成熔池，焊劑也熔化並不斷地從漏斗流下，將熔融的焊縫金屬覆蓋，焊劑將熔成焊渣浮在熔融的焊縫金屬表面。部分蒸發的焊劑蒸汽將電弧周圍的焊劑熔渣排開，形成封閉空間，使電弧與外界空氣隔絕，故而焊接時看不見強烈的電弧光，稱為埋弧焊。當埋弧焊的全部裝備固定在小車上，由小車按規定的速度沿軌道前進進行焊接時，這種方法就稱為自動埋弧焊。

自動埋弧焊由於焊劑對電弧空間保護可靠，電弧熱量集中，熔深大，焊接速度快，熱影響區較小，焊接變形小；且自動化操作，焊接工藝條件好，焊縫品質穩定，光潔平直，內部缺陷少，化學成分和機械性能較均勻，生產效率也高。廣泛用於焊接中厚度板的有規律的直長對接和貼角焊縫，可焊接碳素鋼低合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼及其複合鋼等。但由於採用顆粒狀焊劑，一般只適用於平焊位置。2)操作工藝(1)焊絲的選擇。我國《鋼結構高層建築設計與施工規程》推薦自動埋弧焊的焊絲和焊劑見表7-7。3)焊劑(1)堆放高度。高度太小時，對電弧的保護不全，影響焊接品質；太大時，易使焊縫產生氣孔和表面成形不良。因此必須根據使用電流的大小適當選擇焊劑堆放高度，一般為25～50mm。當電流及弧壓大時，應適當增大焊劑堆放高度和寬度。(2)粒度。電流大時，應選用細粒度焊劑，否則焊縫外形不良；電流小時，應選用粗粒度焊劑，否則焊縫表面易出現麻坑。一般粒度為8～40目，細粒度為14～80目。(3)回收次數。焊劑反復使用次數過多時應與新焊劑混合使用，否則影響焊縫品質。4)焊絲的數目目前埋弧焊發展很快，已有雙絲、三絲、多絲埋弧焊等工藝。其中雙絲焊是用2根焊絲沿焊縫方向排列並同時施焊，可一次得到大量熔敷金屬，焊接速度提高，焊接變形小。

雙絲焊機應用H形截面和箱形截面貼角焊縫的焊接已相當普及。雙絲焊機焊接貼角焊縫的前後絲佈置如圖7.12所示。5)對接直焊縫的焊接技術對接直焊縫的焊接方法有單面焊和雙面焊兩種基本類型；根據鋼板厚度又可分為單層焊、多層焊。(1)焊劑熱法或焊劑—銅熱法埋弧自動焊。在焊接對接焊縫時，為了防止熔渣和熔池金屬的洩漏，採用焊劑熱作為襯熱進行焊接(熱焊劑與焊接用焊劑相同)。焊劑要與焊件背面貼緊，以便能夠承受一定的均勻的托力。如選用較大的焊接規範，使工件熔透，則達到雙面成形。雙絲焊機應用H形截面和箱形截面貼角焊縫的焊接已相當普及。雙絲焊機焊接貼角焊縫的前後絲佈置如圖7.12所示。

如用焊劑—銅熱板取代焊劑熱，則可以克服焊劑熱托力不均勻的現象，同時在工件與銅熱板之間的焊劑也起到了對熔池背面的保護和合金作用，以保護焊縫背面的成形。(2)手工焊封底埋弧自動焊。對無法使用襯熱的焊縫，可先行用手工焊進行封底，然後再採用埋弧焊。(3)多層埋弧焊。對於較厚鋼板，一次不能焊完的，可採用多層焊。一般要求：第一層焊時，規範不要太大，即要保證焊透，又要避免裂紋等缺陷；每層焊縫的接頭要錯開，不可重疊；每層焊高一般為4～5mm。6)角接焊縫焊接技術埋弧自動焊的角接焊縫主要出現在T形接頭和搭接接頭中，一般可採取船形焊和斜角焊兩種形式。3.CO2氣體保護焊

CO2氣體保護焊是利用CO2氣體為保護氣體，依靠焊絲與焊件之間產生的電弧熱來熔化金屬，並與焊絲形成焊縫的一種電弧焊方法。如圖7.13所示。1)原理

CO2氣體保護焊的原理是在焊接時焊絲由送絲機構通過軟管經導電嘴送出，而CO2氣體從噴嘴以一定的流量噴出。當焊絲與焊件接觸引燃電弧後，電弧下的焊絲和附近焊件金屬熔化形成熔池，連續給送的氣體把電弧、熔池與大氣隔離，從而保持焊接過程的穩定，獲得高質量的焊縫。操作時可用自動或半自動焊方式。由於焊接時沒有熔渣，便於觀察焊縫的成型過程，但操作時須在室內避風處，若在工棚施焊須搭設防風棚。氣體保護電弧加熱集中，焊接速度較快，焊件熔深大，熱影響區較窄，焊接變形和應力較小；CO2在高溫下具有的強氧化性可減少金屬熔池中游離態氫的含量，其熔焊金屬中的含氫量比低氫焊條施焊的還小，大大降低了金屬的冷脆傾向；另外其耗量也僅為交流電手工焊的一半左右，且清渣工作量極小，效率比手工焊高1～2倍；但設備複雜，電弧光較強，金屬飛濺多，焊表面成型較差。難用交流電進行焊接。2)操作工藝(1)焊接參數的選擇。①焊絲直徑的選擇。根據工件厚度、施焊位置及生產率的要求來選擇。焊絲直徑的選擇參照有關手冊。②焊接電流和電弧電壓的選擇。一般CO2焊接的電流應根據工件的厚度、焊絲直徑、施焊位置以及要求的熔滴過渡形式來選擇。電弧電壓選擇時必須與焊接電流恰好配合，應在16～24V範圍內。最佳電弧電壓有時只有1～2V之差，應仔細調整。常用的焊接電流和電弧電壓的範圍參考有關手冊。(2)焊絲的選擇。焊絲成分應與母材成分接近，具有良好的焊接工藝性能。焊絲含C量一般要求<

0.11%。其表面一般有鍍銅等防銹措施。根據《高層建築結構設計與施工規程》推薦，CO2氣體保護焊焊接Q235鋼材的焊絲是H08Mn2Si、低合金結構鋼材(16mm)的焊絲是H08Mn2SiA等低合金鋼焊絲，必要時還應根據衝擊韌性和其他要求(如減小飛濺等)，通過焊絲添加適當的微量元素。(3)CO2氣體保護半自動焊操作技術。①引弧與熄弧。CO2氣體保護半自動焊中，引弧前要把焊絲伸出長度調好。這取決於焊絲直徑，約等於直徑的10倍為合適。如果焊絲端部有球形頭，應當剪掉，引弧時要選好適當的引弧位置，採用短滴引弧法。起弧後，要掌握好焊接速度，避免焊縫始端出現熔化不良和焊肉過高。

為了引弧與熄弧時CO2氣體能很好地保護熔池，也可以採取提前送氣和滯後停氣的措施。熄弧後，熔池未完全凝固前，不要將焊柱立即抬起。②各種位置的焊接技術。平焊和橫焊一般有左向和右向焊兩種操作方法。左向焊法，噴嘴不會擋住視線，能清楚地看到熔池和焊縫，便於控制焊縫的成形。熔池受電弧的衝擊作用較小，能得到較大的熔寬，焊縫成形比較美觀，所以左向焊法應用比較普通；右向焊法，氣體保護效果較好，但因焊絲指向熔池，電弧對熔池一定的衝擊作用，如果操作不當，會影響焊縫成形。

平焊多採用左向焊法。薄板平位置對接焊時，焊柱作直線運動，如果間隙較大，可以適當橫向擺動，但幅度不要太大，以免影響氣體對熔池的保護；中厚板V形坡口對接焊時，底層焊縫採用直線運動，上層焊縫可採用橫向擺動的多層焊，也可採用多道焊法。橫焊多採用右向焊法。焊柱作直線運動，必要時也可作小幅度的往復擺動。平角焊和搭接焊時，採用左向焊法和右向焊法均可以。立焊有向上和向下兩種操作方法。向上立焊的熔深較大，多用於中厚板的細絲焊接，操作時適當地作三角形擺動，可以控制熔寬、改善焊縫的成形；向下立焊的焊縫成形良好，生產率高，但熔深較小，多用於薄板焊接。向下立焊必須選擇合適的焊接規範，焊柱一般不作橫向擺動。仰焊應採用較細的焊絲及較小的焊接電流。薄板件仰焊時，一般多採用小幅度的往復擺動。中厚板仰焊時，應適當橫向擺動，並在接縫或坡口兩側稍停片刻，以防焊肉中間凸起及液態金屬下淌。(4)CO2氣體保護自動焊接操作技術。自動焊時對工件的坡口、裝配間隙要求都較嚴格，焊接規範的選擇也要求較嚴格。一般自動焊採用短滴過渡，或採用大滴過渡，以減少飛濺，並保證焊接過程的穩定。採用的焊絲一般不超過2mm。自動焊對於平焊位置的對接、角接和T形接頭等平直焊縫。可採用無熱板的單面焊雙面成形工藝。為防止燒穿也可採用銅熱板，由焊機的行走小車沿焊縫作勻速自動行進，靠自動化程式控制，實現焊接過程。(5)特種CO2氣體保護焊簡介。①粗絲CO2氣體保護焊。粗絲(焊絲直徑3～5mm)自動焊用於中厚板的水準位置焊接。它的特點是焊接熔化係數高，電弧穿透力強，熔深大。與埋弧焊比，在相同條件下，有較高的生產率，較低的焊接成本。雖然使用較大的焊接電流，但是電流密度比用細絲焊時低得多，而電弧電壓也較低。焊接過程中，電弧深入熔池，形成所謂的“潛弧”現象，使飛濺減少，焊接過程穩定焊縫成形良好。②藥芯焊絲CO2氣體保護焊。藥芯焊絲是一種新型的焊接材料。用普通08號鋼帶加焊藥芯軋製而成，截面形式如圖7.14所示。(a)多為小直徑焊絲，φ=1.6～2.4mm，與平外特性直流電源匹配；(b)、(c)直徑為2.4～3.2mm，與交流電源匹配。所用機械與CO2氣體保護焊相似，成盤的焊絲由送絲機軟管連續自動送入焊柱，焊工手持焊柱施焊。這種焊接工藝靠空心焊絲中含有造渣劑、合金劑、去氧劑、穩弧劑等成分的焊藥產生的氣體保護熔池金屬，它兼有引弧、穩弧、造渣和向焊縫金屬摻合金的作用。有利於獲得品質優良的焊縫，具有熔敷率比CO2保護焊更高，坑風能力強等優點，在美、俄、日等國家採用廣泛。(6)CO2保護焊注意事項。在一定的焊絲直徑、焊接電流和電弧電壓條件下，熔寬與熔深都隨著焊接速度的增加而減小。如果焊接速度過快，容易產生咬邊和未熔合等缺陷，同時氣體保護效果變壞，可能出現氣孔；焊速過低，產生率不高，焊接變形增大。一般自動焊速度應在15～40m/h範圍內，自動焊則不超過90m/h。

CO2氣體用40L的鋼瓶灌裝，瓶內壓力隨外界溫度升高而增大，所以CO2氣瓶不可靠近熱源或置於烈日下暴曬，防爆炸。當壓力小於1.0N/mm2時，CO2氣體中的含水量大大增加，不能繼續使用，否則極易在焊縫跟部及熱影響區域出現細微氫致裂紋，危害很大。CO2氣流量根據焊接電流速度、焊絲伸長度及噴嘴直徑等來選擇。一般短滴過渡時，氣體流量約為8～15L/min，大滴過渡時約為15～25L/min。坡口兩側各大於2倍板件厚且不小於100mm寬度範圍內對母材均勻預熱，焊縫層間溫度應保持在120℃以上；焊後熱處理0.5～1h，加熱溫度200℃～250℃，用石棉布包裹保溫2h。4.電渣焊1)原理電渣焊也是一種自動焊，主要用於中碳鋼及中、高強度結構鋼在豎直位置上的對接焊接。其原理同電弧焊有本質區別。電渣焊開始一般先在電極和引弧板之間產生電弧，利用其熱量使周圍的焊劑熔化而變成液態熔渣。當液態熔渣在焊件和冷卻滑塊的空間內達到一定深度(即形成渣池)時，電弧熄滅，此時電弧過程即轉變為電渣過程。當焊接電流由電極經過渣池至焊件時，渣池產生的電阻熱使電極和焊件熔化，在渣池下麵形成金屬熔池。隨著金屬熔池的不斷升高，遠離熱源的熔池金屬逐漸冷卻而形成焊縫。其過程如圖7.15所示。電渣焊有絲極、板極、熔嘴和管狀熔嘴等數種，其中管狀熔嘴是一種新的工藝方法。其特點是焊絲的外面套一根細鋼管(直徑d=12mm，壁厚3mm)，其外壁塗有一層厚2mm的藥皮，焊接時管狀熔嘴與焊絲一起不斷送進和熔化。

其藥皮既自動補充熔渣，又向焊縫金屬過渡一定的合金元素。而其他電渣焊要通過焊劑向焊縫過渡合金元素相當困難，因而不得不採用低合金鋼焊接材料(如絲極、板極等)。熔嘴電渣焊適用於建築結構的厚板對接、角接焊縫，尤其是鋼結構高層建築中的箱形柱柱面板與內置橫隔板的立縫焊接。如圖7.16所示為管狀熔嘴。1—送進壓輪2—管狀熔嘴3—藥皮4—水冷銅塊5—焊縫表面渣殼6—焊絲7—電動機8—管狀熔嘴夾持器9—渣池10—熔融金屬11—焊縫2)操作工藝(1)焊接電流和電壓。①焊接電流的選擇。可按經驗公式計算I=KF(I：平均焊接電流，A；F：管狀熔嘴截面積，mm2；K：比例係數，一般取5～7)。②電壓與熔縫的熔寬成正比，在起弧階段電壓稍高，一般為50～55V，便於儘快熔化母材邊緣和形成穩定的電渣過程。在保證焊透的情況下，電壓盡可能低一些。正常焊接階段所需電壓稍低，一般可在35～55V之間選取。焊縫收尾時應適當減小焊接電壓，並斷續送進焊絲，將焊縫引到熄弧板上收尾。焊接電壓隨焊接過程而變化，焊接過程隨時注意調整電壓。(2)焊劑。國產電渣焊專用焊劑有170和360兩種。170為無錳、低矽、高氟型焊劑；360為中錳、高矽、中氟型焊劑。另外某些埋弧焊焊劑(如HJ430、431等)亦可配合適當焊絲用於電渣焊。焊接含碳量低於0.30%～0.35%的碳素鋼和低合金鋼時，常用焊絲有H08Mn2Si、H10Mn2等牌號。

焊接啟動時，慢慢投入少量焊劑，一般為35～50g，焊接過程中應逐漸少量添加焊劑。(3)速度。①焊接速度可在1.5～3m/h的範圍內選取。②送絲速度常用的範圍為200～300m/h，造渣過程中選取200m/h為宜。(4)渣池深度。渣池深度穩定，所產生的熱量穩定，焊接過程也穩定。一般深度與產生的電阻熱成正比，取值常為35～55mm。(5)引弧、熄弧板。焊道兩端應按工藝要求設置引弧板和熄弧板，一般引弧板長度應達到板厚的2～2.5倍，熄弧板長度應達到板厚的1.5～2倍。(6)熔嘴。①熔嘴不應有明顯銹蝕和彎曲。②安裝管狀熔嘴並調整對中，熔嘴下端距引弧板底面距離一般為15～25mm。③焊接過程中，應隨時檢查熔嘴是否在焊道的中心位置上，嚴禁熔嘴和焊絲過偏。(7)焊接過程中注意。①隨時檢查焊件的熾熱狀態，一般約在800℃(櫻紅色)以上為熔合良好。當不足800℃時，應適當調整焊接工藝參數，適當增加渣池內總熱量。②當翼緣板較薄時，翼緣板外部的焊接部位應安裝水冷卻裝置，隨時控制冷卻水溫在50℃～60℃，水流量應保持穩定。(8)熔嘴電渣焊不作焊前預熱和焊後熱處理，只是引弧前對引弧器加熱100℃左右。●7.3.2高強度螺栓連接技術

高強螺栓連接是目前鋼結構建築最先進的連接方法之一。其特點是施工方便，可拆可換，傳力均勻，沒有鉚釘傳力的應力集中高，接頭剛性好，承載能力大，疲勞強度高，螺母不易鬆動，結構安全可靠。在我國鋼結構高層建築中廣泛應用，如上海的瑞金大廈、金茂大廈等鋼結構高層建築中亦採用高強螺栓連接。1.高強度螺栓連接的方法。高強螺栓的連接方法分為摩擦型連接，承壓型連接兩種，如圖7.17所示。1)摩擦型連接該連接是擰緊螺母後，螺栓杆產生強大拉力，把接頭處各層鋼板壓得很緊，以巨大的抗滑移力來傳遞內力，連接件之間產生相對滑移作為承載能力極限狀態。摩擦力的大小是根據鋼板表面的粗糙程度(與摩擦面處理的方法有關)和螺栓杆對鋼板施加壓力的大小來決定。摩擦型連接螺栓形式有六角頭型和扭剪型兩種，兩者的連接性能和本身的力學性能都是相同的，都是以扭矩的大小取決螺栓軸向力的大小；其區別在於外形和施工方法不同，前者的扭矩是由施工工具來控制，後者的扭矩是由螺栓尾部切口的扭斷力矩來控制。兩者相比，扭剪型更具有施工簡便、檢查直觀、受力良好、品質可靠等優點。近年來鋼結構高層建築工程上絕大部分採用這種形式。2)承壓型連接連接是由螺栓擰緊後所產生的抗滑移力及螺栓杆在螺孔內和連接鋼板間產生的承壓力來傳遞應力的一種方法。在荷載設計值下，以螺栓或連接件達到最大承載能力，作為承載能力極限。承壓型連接不得用於直接承受動力荷載的構件連接、承受反復荷載作用的構件連接和冷彎薄壁型鋼構件連接。所以在鋼結構高層建築中都是應用摩擦型連接。2.高強度螺栓的材料要求。大六角頭高強螺栓連接副由一個螺栓杆、一個螺母和二個墊圈組成。螺栓性能等級分為8.8級和10.9級，前者用45號鋼或35號鋼製作，後者用20MnTiB、40B或35VB鋼製作。扭剪型高強螺栓連接副由一個螺栓杆、一個螺母和一個墊圈組成。螺栓性能等級只有10.9級，用20MnTiB製作。鋼結構用高強度螺栓、螺母、墊圈的性能等級及機械性能要求見表7-8。其規格尺寸和鋼材的化學成分、性能要求應符合有關規定。3.施工工藝高強螺栓的施工，包括摩擦面處理、安裝、初擰、終擰和檢驗等工作。1)栓杆長度確定長度計算：L=A+B+C+D式中L：螺栓需要總長度，(mm)；A：節點各層鋼板厚度總和，(mm)；B：墊圈厚度(mm)；C：螺母厚度，(mm)；D：擰緊後露出2～4扣的長度，(mm)。2)備料數量：按計算的數量增加5%的施工損耗3)工藝要點(1)安裝前注意。①高強螺栓連接副應按批號分別存放，並應在同批內配套使用。在儲存、運輸和施工過程中不得混用，輕裝、輕卸，防止受潮、生銹、玷污和碰傷。②高強螺栓節點鋼板的抗滑移面，應按規定的工藝進行摩擦面處理，並達到設計要求的抗滑移動係數(摩擦係數)。③高強螺栓使用前，應按有關規定對高強螺栓的各項性能進行檢驗。④安裝高強螺栓時，接頭摩擦面上不允許有毛刺、鐵屑、油污、焊接飛濺物。摩擦面應乾燥、沒有結露、積霜、積雪、並不得在雨天進行安裝。⑤使用定扭矩扳子緊固高強度螺栓時，班前應對定扭矩扳子進行核校，合格後方能使用。(2)安裝時注意以下幾點。①一個接頭上的高強螺栓，應從螺栓群中部開始安裝，逐個擰緊。初擰、複擰、終擰都應從螺栓群中部開始向四周擴展逐個擰緊，每擰緊一遍均應用不同顏色的油漆做上標記，防止漏擰。終擰後應用膩子封嚴四周，防止雨水侵入，初擰、複擰、終擰必須在同一天內完成。②接頭如有高強度螺栓連接又有電焊連接時，是先緊固還是先焊接，應按設計要求規定的順序進行。當設計無規定時，按先栓後焊的施工工藝順序進行。③高強螺栓應自由穿入螺栓孔內，高強度螺栓應自由穿入孔內，嚴禁用榔頭等工具強行打入或用扳手強行擰入螺孔，否則螺杆產生擠壓力，使扭矩轉化為拉力，使鋼板壓緊力達不到設計要求。當板層發生錯孔時，允許用鉸刀擴孔。擴孔時，鐵屑不得掉入板層間。擴孔數量不得超過一個接頭螺栓孔的1/3，擴孔直徑不得大於原孔徑再加2mm。嚴禁用氣割進行高強螺栓孔的擴孔工作。④一個接頭多顆高強螺栓穿入方向應一致。墊圈有倒角的一側應朝向螺栓頭和螺母，螺母有圓臺的一面應朝向墊圈，螺母和墊圈不應裝反。並以扳手向下壓的緊固方向為最佳。⑤安裝中出現板厚差(δ)時，δ≤1mm可不處理；δ＞1mm，將厚板一側磨成1∶5緩坡，使間隙<1mm；δ>3mm時，要加設填板，填板制孔、表面處理與母材相同。⑥當氣溫低於－10℃和雨、雪天氣時，在露天作業的高強螺栓應停止作業。當氣溫低於0℃時，應先做緊固軸力實驗，不合格者，當日應停止作業。⑦高強螺栓緊固方法。高強螺栓的緊固是用專門扳手擰緊螺母，使螺栓杆內產生要求的拉力。大六角頭高強螺栓一般用兩種方法擰緊，即扭矩法和轉角法。扭矩法分初擰和終擰二次擰緊，進行初擰扭矩用終擰扭矩的60%～80%，其目的是通過初擰，使接頭各層鋼板達到充分密貼。再用終擰扭矩把螺栓擰緊。如板層較厚，板疊較多，初擰後板層達不到充分密貼，還要增加複擰，複擰扭矩和初擰扭矩相同。轉角法也是以初擰和終擰二次進行。初擰用扭矩法，終擰用轉角法。初擰用定扭矩扳子以終擰扭矩的50%～80%進行，使接頭各層鋼板達到充分密貼，再在螺母和螺栓杆上面通過圓心畫一條直線，然後用扭矩扳子轉動螺母一個角度，使螺栓達到終擰要求。轉動角度的大小在施工前由實驗確定。

扭剪型高強螺栓緊固也分初擰和終擰二次進行。初擰用定扭矩扳手，以終擰扭矩的50%～80%進行，使接頭各層鋼板達到充分密貼，再用電動扭剪型扳子把梅花頭擰掉，使螺栓杆達到設計要求的軸力。電動扭剪型扳子一般有大小兩各套管，大套管卡住螺母，小套管卡住梅花頭，接通電源後，兩個套管按反向旋轉，螺母逐漸擰緊，梅花頭切口受剪力逐漸加大，螺母達到所需要的扭矩時，梅花頭切口剪斷，梅花頭掉下。這時螺栓達到要求的軸力，如圖7.18所示。●7.4鋼結構高層建築的製作和安裝●

7.4.1鋼結構構件的製作

由於鋼結構高層建築建築工程規模大、構件類型多，技術複雜、製作工藝要求嚴格，一般均由專業工廠來加工製作，組織大流水作業生產。這樣做有利於結合工廠條件，便於採用先進技術。鋼結構生產工藝流程如圖7.19所示。1.加工製作前的準備工作1)審查設計圖紙即核對圖紙中的構件數量，各構件的相對關係，接頭的細部尺寸等；審查構件之間各部分尺寸有無矛盾，技術上是否合理，構件分段是否符合製作、運輸、安裝的要求。一般採取在平整地面上以1∶1的比例放樣的方法進行。如審查過程發現問題，應會同設計單位、安裝單位進行協商統一，再進行下一步工作。2)繪製加工工藝圖一般根據設計檔及相應的規範、規程等技術檔、材料供應的規格(尺寸、重量、材料)，結合工廠加工設備的條件進行。根據加工工藝圖，應編制構件製作的指導書。3)備料根據設計圖、加工工藝圖算出各種材質、規格的材料淨用量，並根據構件的不同類型和供貨條件，增加一定的損耗量。目前國內外都以採用增加加工餘量的方法來代替損耗。4)鋼材的準備檢驗鋼材材質的品質保證書(記載著本批鋼材的鋼號、規格、長度、根數、出產單位、日期、化學成分和力學性能)；檢查鋼材的外形尺寸、鋼材的表面缺陷；檢驗鋼結構用鋪助材料(包括螺栓、電焊條、焊劑、焊絲等)的化學成分，力學性能及外觀。所有檢驗結構均應符合設計檔要求和國家有關標準。5)堆放檢驗合格的鋼材應按品種、牌號、規格分類堆放，其底部應墊平、墊高，防止積水。注意堆放不得造成地基下陷和鋼材永久變形。2.零件加工1)放樣根據加工工藝圖，以1∶1的要求放出整個結構的大樣，製作出樣板和樣杆以作為下料、銑邊、剪制、制孔等加工的依據。放樣應在專門的鋼平臺或平板上進行，樣板和樣杆是構件加工的標準，應使用質輕、堅固、不宜變形的材料(如鐵皮、扁鐵、塑膠板等)製成並精心使用，妥善保管。2)號料以放樣為依據，在鋼材上畫出切割、銑、刨邊、彎曲、鑽孔等加工位置。號料前，應根據圖紙用料要求和材料尺寸合理配料，尺寸大、數量多的零件應統籌安排、長短搭配、先大後小或套材號料；根據工藝圖的要求儘量利用標準接頭節點，使材料得到充分的利用而耗損率降到最低值；大型構件的板材宜使用定尺料，使定尺的寬度或長度為零件寬度或長度的倍數；另外根據材料厚度的切割方法適當的增加切割餘量。切割餘量、號料的允許偏差應符合有關規定。3)下料鋼材的下料方法有氣割、機械剪切、等離子切割和鋸切等，下料的允許偏差應符合相應的規定。(1)氣割。利用氧氣和燃料燃燒時產生的高溫熔化鋼材，並以高壓氧氣流進行吹掃，使金屬按要求的尺寸和形狀切割成零件。可以對各種鋼材進行切割，它用的氧氣的純度對氣體消耗量、切割速度、切割品質有很大的關係。

氧氣切割是鋼材切割工藝中最簡單、最方便的一種，近年來又通過提高切割火焰的噴射速度使效率和品質大為提高，為了提高氣割下料的效率和精度，目前多頭切割和電磁仿形、光電跟蹤等自動切割也已經廣泛使用。適用於多頭切割和曲線切割。(2)機械剪切。使用機械力(剪切、鋸割、磨削)切割，適合於厚度在12～16mm以下鋼板的直線性切割。相應的機械有剪板機、鋸床、砂輪機等。剪刀採用碳工具鋼和合金工具鋼，剪刀的間隙應根據板厚調整。(3)等離子切割。利用特殊的割炬，在電流、氣流及冷卻水的作用下