關(guān)于鋼結構（1）

1.基本介紹

（1）定義

鋼材的特點(diǎn)是強度高、自重輕、整體剛度好、抵抗變形能力強，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特別適宜；材料勻質(zhì)性和各向同性好，屬理想彈性體，最符合一般工程力學(xué)的基本假定；材料塑性、韌性好，可有較大變形，能很好地承受動(dòng)力荷載；建筑工期短；其工業(yè)化程度高，可進(jìn)行機械化程度高的專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)。

鋼結構應研究高強度鋼材，大大提高其屈服點(diǎn)強度；此外要軋制新品種的型鋼，例如H型鋼（又稱(chēng)寬翼緣型鋼）和T形鋼以及壓型鋼板等以適應大跨度結構和超高層建筑的需要。

另外還有無(wú)熱橋輕鋼結構體系，建筑本身是不節能的，本技術(shù)用巧妙的特種連接件解決了建筑的冷熱橋問(wèn)題；小桁架結構使電纜和上下水管道從墻里穿越，施工裝修都方便。

（2）特點(diǎn)

1、材料強度高，自身重量輕

鋼材強度較高，彈性模量也高。與混凝土和木材相比，其密度與屈服強度的比值相對較低，因而在同樣受力條件下鋼結構的構件截面小，自重輕，便于運輸和安裝，適于跨度大，高度高，承載重的結構。

2、鋼材韌性，塑性好，材質(zhì)均勻，結構可靠性高

適于承受沖擊和動(dòng)力荷載，具有良好的抗震性能。鋼材內部組織結構均勻，近于各向同性勻質(zhì)體。鋼結構的實(shí)際工作性能比較符合計算理論。所以鋼結構可靠性高。

3、鋼結構制造安裝機械化程度高

鋼結構構件便于在工廠(chǎng)制造、工地拼裝。工廠(chǎng)機械化制造鋼結構構件成品精度高、生產(chǎn)效率高、工地拼裝速度快、工期短。鋼結構是工業(yè)化程度最高的一種結構。

4、鋼結構密封性能好

由于焊接結構可以做到完全密封，可以作成氣密性，水密性均很好的高壓容器，大型油池，壓力管道等。

5、鋼結構耐熱不耐火

當溫度在150℃以下時(shí)，鋼材性質(zhì)變化很小。因而鋼結構適用于熱車(chē)間，但結構表面受150℃左右的熱輻射時(shí)，要采用隔熱板加以保護。溫度在300℃ -400℃時(shí).鋼材強度和彈性模量均顯著(zhù)下降，溫度在600℃左右時(shí)，鋼材的強度趨于零。在有特殊防火需求的建筑中，鋼結構必須采用耐火材料加以保護以提高耐火等級。

6、鋼結構耐腐蝕性差

特別是在潮濕和腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中，容易銹蝕。一般鋼結構要除銹、鍍鋅或涂料，且要定期維護。對處于海水中的海洋平臺結構，需采用“鋅塊陽(yáng)極保護”等特殊措施予以防腐蝕。

7、低碳、節能、綠色環(huán)保，可重復利用

鋼結構建筑拆除幾乎不會(huì )產(chǎn)生建筑垃圾，鋼材可以回收再利用。

（3）發(fā)展歷程

中國雖然早期在鐵結構方面有卓越的成就，但長(cháng)期停留于鐵制建筑物的水平。直到19世紀末，我國才開(kāi)始采用現代化鋼結構。新中國成立后，鋼結構的應用有了很大的發(fā)展，不論在數量上或質(zhì)量上都遠遠超過(guò)了過(guò)去。輕鋼結構的樓面由冷彎薄壁型鋼架或組合梁、樓面OSB結構板，支撐、連接件等組成。所用的材料是定向刨花板，水泥纖維板，以及膠合板。在這些輕質(zhì)樓面上每平方米可承受316～365公斤的荷載。

鋼結構建筑的多少，標志著(zhù)一個(gè)國家或一個(gè)地區的經(jīng)濟實(shí)力和經(jīng)濟發(fā)達程度。進(jìn)入2000年以后，我國國民經(jīng)濟顯著(zhù)增長(cháng)，國力明顯增強，鋼產(chǎn)量成為世界大國，在建筑中提出了要“積極、合理地用鋼”，從此甩掉了“限制用鋼”的束縛，鋼結構建筑在經(jīng)濟發(fā)達地區逐漸增多。特別是2008年前后，在奧運會(huì )的推動(dòng)下，出現了鋼結構建筑熱潮，強勁的市場(chǎng)需求，推動(dòng)鋼結構建筑迅猛發(fā)展，建成了一大批鋼結構場(chǎng)館、機場(chǎng)、車(chē)站和高層建筑，其中，有的鋼結構建筑在制作安裝技術(shù)方面具有世界一流水平，如奧運會(huì )國家體育場(chǎng)等建筑。

奧運會(huì )后，鋼結構建筑得到普及和持續發(fā)展，鋼結構廣泛應用到建筑、鐵路、橋梁和住宅等方面，各種規模的鋼結構企業(yè)數以萬(wàn)計，世界先進(jìn)的鋼結構加工設備基本齊全，如多頭多維鉆床、鋼管多維相貫線(xiàn)切割機、波紋板自動(dòng)焊接機床等。并且現在數百家鋼結構企業(yè)的加工制作水平具有世界先進(jìn)水平，如鋼結構制作特級和一級企業(yè)。近幾年，鋼產(chǎn)量每年多達6億多噸，鋼材品種完全能滿(mǎn)足建筑需要。鋼結構設計規范、鋼結構材料標準、鋼結構工程施工質(zhì)量驗收規范、以及各種專(zhuān)業(yè)規范和企業(yè)工法基本齊全。 ^[1] 

鋼結構下游行業(yè)對鋼結構行業(yè)的發(fā)展具有較大的牽引和驅動(dòng)作用，它們的需求變化直接決定了行業(yè)未來(lái)的發(fā)展狀況。

1.鋼結構的上游行業(yè)為鋼鐵等原材料供應行業(yè)

鋼鐵行業(yè)是鋼結構產(chǎn)業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎，鋼鐵行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步為鋼結構的應用創(chuàng )造了有利條件。國內鋼鐵行業(yè)的一些大企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始了建筑結構用鋼的品種和技術(shù)的研發(fā)，相繼開(kāi)發(fā)了高強鋼和耐火、耐候、耐海水、抗層狀撕裂、抗低溫用鋼，以及H 型鋼、高性能彩涂鋼板、冷彎型鋼等，為鋼結構產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了良好的應用基礎。

2、上下游對本行業(yè)的影響

鋼結構的上游主要是鋼鐵行業(yè)，鋼材產(chǎn)品價(jià)格波動(dòng)直接影響本行業(yè)的采購成本。從整體上看，上游行業(yè)基本屬于競爭性行業(yè)，生產(chǎn)用于鋼結構的各類(lèi)鋼板、鋼管、型鋼等鋼材，其中H 型鋼和中厚板是鋼結構建筑中最為常用的產(chǎn)品。產(chǎn)業(yè)洞察研究數據2011 年粗鋼產(chǎn)量達6.96 億噸，產(chǎn)量相對飽和，鋼結構生產(chǎn)所需的原材料能獲得穩定的供應。

下游行業(yè)對鋼結構行業(yè)的發(fā)展具有較大的牽引和驅動(dòng)作用，它們的需求變化直接決定了行業(yè)未來(lái)的發(fā)展狀況。鋼結構以其強度高、自重輕、抗震性能好、工業(yè)化程度高、施工周期短、可塑性強、節能環(huán)保等綜合優(yōu)勢，在工業(yè)廠(chǎng)房、市政基礎設施建設、文教體育建設、電力、橋梁、海洋石油工程、航空航天等行業(yè)得到了廣泛的應用，市場(chǎng)空間逐步擴大。另外，一旦住宅鋼結構市場(chǎng)取得突破，逐步取代傳統建筑形態(tài)進(jìn)入住宅建設領(lǐng)域，鋼結構行業(yè)將引來(lái)爆發(fā)性的增長(cháng)。

（4）應用

屋面系統

是由屋架、結構OSB面板、防水層、輕型屋面瓦（金屬或瀝青瓦）及相關(guān)連接件組成的。邁特建筑輕鋼結構的屋面，外觀(guān)可以有多種組合。材料也有多種。在保障了防水這一技術(shù)的前提下，外觀(guān)有了許多的選擇方案。

墻體結構

輕鋼結構住宅的墻體主要由墻架柱、墻頂梁、墻底梁、墻體支撐、墻板和連接件組成。建筑輕鋼結構住宅一般將內橫墻作為結構的承重墻，墻柱為C形輕鋼構件，其壁厚根據所受的荷載而定，通常為0.84～2毫米，墻柱間距一般為400～600毫米， 建筑輕鋼結構住宅這種墻體結構布置方式，可有效承受并可靠傳遞豎向荷載，且布置方便。

2.技術(shù)與制作

（1）技術(shù)性能

保溫節能技術(shù)輕鋼結構為確保達到保溫效果，在建筑物的外墻和屋面中使用的保溫隔熱材料能長(cháng)期使用并能保溫隔熱。建筑輕鋼結構住宅一般除了在墻的墻柱間填充玻璃纖維網(wǎng)格布外，在墻外側再貼一層保溫材料，有效隔斷了通過(guò)墻柱至外墻板的熱橋；樓層之間擱柵內填充玻璃纖維，減少通過(guò)樓層的熱傳遞;所有內墻墻體的墻柱之間均填充玻璃纖維，減少戶(hù)墻之間的熱傳遞。

防火技術(shù)輕鋼結構一個(gè)最關(guān)鍵的問(wèn)題是防火技術(shù)的應用， 輕鋼結構住宅的耐火等級為四級。建筑輕鋼結構住宅在墻的兩側與樓蓋的天花處貼防火石膏板，對于普通防火墻和分戶(hù)墻用25.4毫米厚（1吋）石膏板保護，以達到1個(gè)小時(shí)的防火要求，另外在墻體墻柱間與樓蓋擱柵間填充的玻璃纖維對于防火與熱傳遞也起了積極的保護作用。

隔聲技術(shù)輕鋼結構在內外墻及樓蓋擱柵間填充玻璃棉，有效阻止了通過(guò)空氣傳播的音頻部分，而對于通過(guò)固體傳播的沖擊聲，作如下構造處理：對于分戶(hù)墻用二道墻柱構成帶有中間空隙的二道墻體；而對于吊頂用的固定石膏板的小龍骨，用帶有小切槽的彈性構造以有效減少樓層間的固體聲傳播。

(2)施工技術(shù)

連接方法

焊接連接

螺栓連接

鉚釘連接

重鋼結構

1．廠(chǎng)房桁車(chē)起吊重量：≥25噸。

2．每平米用鋼量：≥50KG/㎡。

輕鋼結構

指用圓鋼和小于L45×4和L56×36×4的角鋼制作的輕型鋼結構。國家規范和技術(shù)文件都并沒(méi)有重鋼一說(shuō)。

《鋼結構設計規范》GBJ17-88已經(jīng)于2003年12月1日起廢除，現時(shí)實(shí)行的是《鋼結構設計規范》GB50017-2017

設備鋼結構

設備鋼結構是指大型設備中的鋼結構部分，根據技術(shù)人員的經(jīng)驗，以下結構應可劃入設備鋼結構范疇：架橋機的塔架鋼結構、起重機的起重大梁、起重機車(chē)身、大型設備支架等，屬于對精密性、材質(zhì)、連接等要求較高的精密鋼結構之一。對于成套設備來(lái)說(shuō)，是最主要的受力部分，在功能上起到結構性作用。

(3)制作

設備鋼結構的加工制作與精密鋼結構類(lèi)似，介于普通結構件（對加工要求不高）與精密機械加工（要求加工較精細）之間，采用焊接或者栓接的連接方式。

同時(shí)鋼結構類(lèi)型主要有:用于廠(chǎng)房的排架結構、用于多高層建筑的框架結構、框架一剪力墻結構、框一筒結構，用于大空間的平板網(wǎng)架結構和彎頂網(wǎng)充結構等等。建筑功能不同，采用的結構形式也不同。鋼結構設計要執行國家的技術(shù)規范，做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟合理、安全實(shí)用、確保質(zhì)量。因此在結構設計制作的時(shí)候要注意以下要求:

1.首先根據建筑功能要求，采用相應合理的結構體系。做到技術(shù)先進(jìn)、結構新穎、達到建筑和結構的完美統一。

2.鋼結構（除容器外）多以桿件為主，故桿件尺寸盡可能模數化、標準化，便于機械化制造、運送、安裝、提高生產(chǎn)率。

3.采用具有較高經(jīng)濟指標的高效鋼材。

4.鋼結構的節點(diǎn)是至關(guān)重要的，要采用適當的連接方式，使節點(diǎn)設計與結構計算簡(jiǎn)化模型相一致。以往的結構破壞絕大多數發(fā)生在節點(diǎn)，所以對節點(diǎn)要精心設計，精心施工.采用先進(jìn)的、可靠的連接方法.

(4)材料要求

鋼結構在使用過(guò)程中會(huì )受到各種形式的作用（荷載、基礎不均勻沉降、溫度等），所以要求鋼材應具有良好的機械性能（強度、塑性、韌性）和加工性能（冷熱加工和焊接性能），以保證結構安全可靠。鋼材的種類(lèi)很多，符合鋼結構要求的只是少數幾種，如碳素鋼中的Q235，低合金鋼中的l6Mn，用于高強螺栓的20錳釩鋼（20MnV）等。 ^[2] 

性能指標

1、強度

鋼材的強度指標由彈性極限σe，屈服極限σy，和抗拉極限σu，設計時(shí)以鋼材的屈服強度為基礎，屈服強度高可以減輕結構的自重，節省鋼材，降低造價(jià)?？估瓘姸?/span>σu即是鋼材破壞前所能承受的最大應力，此時(shí)的結構因塑性變形很大而失去使用性能，但結構變形大而不垮，滿(mǎn)足結構抵抗罕遇地震時(shí)的要求。‘σu/σy值的大小，可以看作鋼材強度儲備的參數。

2、塑性

鋼材的塑性一般指應力超過(guò)屈服點(diǎn)后，具有顯著(zhù)的塑性變形而不斷裂的性質(zhì)。衡量鋼材塑性變形能力的主要指標是伸長(cháng)率δ和斷面收縮率ψ。

3、冷彎性能

鋼材的冷彎性能是衡量鋼材在常溫下彎曲加工產(chǎn)生塑性變形時(shí)對產(chǎn)生裂紋的抵抗能力。鋼材的冷彎性能是用冷彎實(shí)驗來(lái)檢驗鋼材承受規定彎曲程度的彎曲變形性能。

4、沖擊韌性

鋼材的沖擊韌性是指鋼材在沖擊荷載作用下，斷裂過(guò)程中吸收機械動(dòng)能的一種能力，是衡量鋼材抵抗沖擊荷載作用，可能因低溫、應力集中，而導致脆性斷裂的一項機械性能。一般通過(guò)標準試件的沖擊試驗來(lái)獲得鋼材的沖擊韌性指標。

5、焊接性能

鋼材的焊接性能是指在—定的焊接工藝條件下，獲得性能良好的焊接接頭。焊接性能可分為焊接過(guò)程中的焊接性能和使用性能上的焊接性能兩種。焊接過(guò)程中的焊接性能是指焊接過(guò)程中焊縫及焊縫附近金屬不產(chǎn)生熱裂紋或冷卻不產(chǎn)生冷卻收縮裂紋的敏感性。 焊接性能好，是指在一定焊接工藝條件下，焊縫金屬和附近母材均不產(chǎn)生裂紋。使用性能上的焊接性能是指焊縫處的沖擊韌性和熱影響區內延性性能，要求焊縫及熱影響區內鋼材的力學(xué)性能不低于母材的力學(xué)性能。我國采用焊接過(guò)程的焊接性能試驗方法，也采用使用性使用性質(zhì)上的焊接性能試驗方法。

6、耐久性

影響鋼材耐久性的因素很多。首先是鋼材的耐腐蝕性差，必須采取防護措施，防止鋼材腐蝕生銹。防護措施有：定期對鋼材油漆維護，采用鍍鋅鋼材，在有酸，堿，鹽等強腐蝕介質(zhì)條件下，采用特殊防護措施，如海洋平臺結構采用“陽(yáng)極保護”措施防止導管架腐蝕，在導管架上固定上鋅錠，海水電解質(zhì)會(huì )自動(dòng)先腐蝕鋅錠，從而達到保護鋼導管架的功能。其次由于鋼材在高溫和長(cháng)期荷載作用下，其破壞強度比短期強度降低較多，故對長(cháng)期高溫作用下的鋼材，要測定持久強度。鋼材隨時(shí)間推移會(huì )自動(dòng)變硬、變脆、即“時(shí)效”現象。對低溫荷載作用下的鋼材要檢驗其沖擊韌性。 ^[3] 

(5)要求

設備鋼結構通常會(huì )在以下方面提出特殊要求或者更高要求：

結構件：材質(zhì)、表面粗糙度、公差、表面處理、直線(xiàn)度（或弧度）

連接：孔位偏差、螺栓等級；焊接方法、焊接標準、焊材；氣密性，要求進(jìn)行無(wú)損檢測、液體滲透檢測等

整體結構：垂直度、水平度等

包裝：包裝材料、包裝方法

倉儲：環(huán)境溫度、環(huán)境濕度

運輸：裝卸、車(chē)內擺放、集裝箱內擺放，等等。

(6)鋼構

指用鋼板和熱扎、冷彎或焊接型材通過(guò)連接件連接而成的能承受和傳遞荷載的結構形式。鋼結構體系具有自重輕、工廠(chǎng)化制造、安裝快捷、施工周期短、抗震性能好、投資回收快、環(huán)境污染少等綜合優(yōu)勢，與鋼筋混凝土結構相比，更具有在“高、大、輕”三個(gè)方面發(fā)展的獨特優(yōu)勢，在全球范圍內，特別是發(fā)達國家和地區，鋼結構在建筑工程領(lǐng)域中得到合理、廣泛的應用。鋼結構行業(yè)通常分為輕型鋼結構、高層鋼結構、住宅鋼結構、空間鋼結構和橋梁鋼結構五大子類(lèi)。

鋼結構在各項工程建設中的應用極為廣泛，如鋼橋、鋼廠(chǎng)房、鋼閘門(mén)、各種大型管道容器、高層建筑和塔軌機構等。

(7)加固技術(shù)措施

鋼結構也是有損壞的時(shí)候，我們要即時(shí)發(fā)現即時(shí)解決問(wèn)題，鋼結構網(wǎng)介紹鋼結構損壞的主要因素有：

1）由荷載變化，超期服役，規范和規程改變導致結構承載力不足；

2）構件由于各種意外產(chǎn)生變形、扭曲、傷殘、凹陷等，致使構件截面削弱，桿件翹曲，連接開(kāi)裂等；

3）溫差作用下引起構件或連接變形、開(kāi)裂和翹曲；

4）由于化學(xué)物質(zhì)的侵蝕而產(chǎn)生腐蝕以及電化學(xué)腐蝕致使鋼結構構件截面削弱；

5）其它包括設計、生產(chǎn)、施工中的失誤及服役期中的違規使用和操作等。

鋼結構的加固技術(shù)措施主要有三種：

1） 截面補強法：在局部或沿構件全長(cháng)以鋼材補強，連成整體使之共同受力；

2） 改變計算簡(jiǎn)圖：增設附加支承，調整荷載分布情況，降低內力水平，對超靜定結構支座進(jìn)行強迫位移，降低應力峰值；

3） 預應力拉索法：利用高強拉索加固結構薄弱環(huán)節或提高結構整體承載力、剛度和穩度。

(8)施工技術(shù)

一、鋼結構安裝焊接前的準備工作

試驗鋼材包括Q345GJC-Z15（壁厚70mm）、Q345GJC-Z15（壁厚40mm）、Q345C（翼緣厚28mm），焊接位置為柱—柱橫焊、柱—梁平焊（包括桁架梁上下翼緣平焊）、T型角立焊。坡口形式及尺寸按設計要求。焊后外觀(guān)及超聲波檢查合格后取樣進(jìn)行了力學(xué)和物理試驗。

試驗結果接頭的抗拉強度達到母材抗拉強度標準值，接頭彎曲180°無(wú)裂紋。采用的焊接材料和焊接設備技術(shù)條件應符合國家標準，性能優(yōu)良。清渣、氣刨、焊條烘干保溫等裝置應齊全有效。

二、手工電弧焊及CO2氣保焊焊材和設備

（1）焊條應在高溫烘干箱中烘干，焊條烘干次數不得超過(guò)兩次。

（2）焊絲包裝應完好，如有破損而導致焊絲污染或彎折、紊亂時(shí)應部分棄之。

（3）CO₂氣體純度應不低于99.9%（體積比），含水量應低于0.05%（重量比），瓶?jì)雀邏旱陀?/span>1MPa時(shí)應停止使用。

（4）焊機電壓應正常，地線(xiàn)壓緊牢固，接觸可靠，電纜及焊鉗無(wú)破損，送絲機應能均勻送絲，氣管應無(wú)漏氣或堵塞。

三、安裝焊接程序及一般規定

焊接的一般順序為：焊前檢查 →預熱除銹 → 裝焊墊板和引弧板→ 焊接 → 檢驗

1．焊前檢查坡口角度、鈍邊、間隙及錯口量，坡口內和兩側的銹斑、油污、氧化鐵皮等應清除干凈。

2．預熱。焊前用氣焊或特制烤槍對坡口及其兩側各100mm范圍內的母材均勻加熱，并用表面測溫計測量溫度，防止溫度不符合要求或表面局部氧化，預熱溫度。

3．重新檢查預熱溫度，如溫度不夠應重新加熱，使之符合要求。

4．裝焊墊板及引弧板，其表面清潔程度要求與坡口表面相同，墊板與母材應貼緊，引弧板與母材焊接應牢固。

5．焊接：第一層的焊道應封住坡口內母材與墊板的連接處，然后逐道逐層累焊至填滿(mǎn)坡口，每道焊縫焊完后，都必須清除焊渣及飛濺物，出現焊接缺陷應及時(shí)磨去并修補。

6．一個(gè)接口必須連續焊完，如不得已而中途停焊時(shí)，應進(jìn)行保溫緩冷處理，再焊前，應重新按規定加熱。

7．遇雨、雪天時(shí)應停焊，構件焊口周?chē)吧戏綉袚躏L(fēng)、雨棚，風(fēng)速大于5m/s時(shí)應停焊。環(huán)境溫度低于零度時(shí)，應按規定采取預熱和后熱措施施工。

8．碳素結構鋼應在焊縫冷卻到環(huán)境溫度、低合金結構鋼應在完成24h以后，進(jìn)行焊縫探傷檢驗。

9．焊工和檢驗人員要認真填寫(xiě)作業(yè)記錄表。

四、典形節點(diǎn)的焊接順序和工藝參數

（1）上下柱無(wú)耳板側由兩名焊工在兩側對稱(chēng)焊至板厚的1/3處時(shí)，切去耳板。

（2）然后在切去耳板側由兩名焊工在兩側對稱(chēng)焊至板厚的1/3處。

（3）再由兩名焊工分別承擔相鄰兩面的焊接。

（4）每?jì)蓪又g焊道的接頭應相互錯開(kāi)，兩名焊工焊接的焊道接頭也要注意每層錯開(kāi)，焊接過(guò)程中要注意檢測層間溫度。

（5）焊接工藝參數：

CO2氣保焊：焊絲直徑Φ1.2mm，電流280～320A，焊速350～450mm/min

焊絲伸出長(cháng)度：約20mm，氣體流量25～80L/min，

電壓29～34V，層間溫度120～150℃

五、柱—梁、梁—梁節點(diǎn)

（1）先焊梁的下翼緣，梁腹板兩側的翼緣焊道要保持對稱(chēng)焊接。

（2）待下翼緣焊完，然后焊接上翼緣。

（3）如翼緣板厚大于30mm時(shí)，宜上下翼緣輪換施焊。

（4）焊接工藝參數：

CO2氣保焊：焊絲直徑φ1.2mm，電流280～360A，焊速300～500mm/min

焊絲伸出長(cháng)度約20 mm，氣體流量20～80L/mm

電壓30～38V，層間溫度120～150℃