高层钢结构建筑施工.ppt
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1、第7章 高层钢结构建筑施工,教学提示:随着大城市的人口高度密集,城市建筑逐渐向高空发展,高层和超高层建筑迅速出现。有着综合优势的钢结构已经成为我国高层建筑的主要结构类型,钢结构建筑被称为21世纪的“绿色工程”。教学要求:本章让学生了解钢结构高层建筑工程关于结构体系、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等几大方面的内容。重点让学生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。,钢结构由于强度高,自重轻,塑性、韧性,抗震性能好,工业化程度高,施工周期短,环境污染少,
2、建筑造型美观等综合优势,在发达国家和地区的高层、超高层建筑中广泛应用。现代建筑全钢结构包括屋盖钢结构和现代高层钢结构。钢结构建筑的发展是一个国家和地区经济繁荣、科技进步的重要标志。澳大利亚、英国、加拿大、日本、美国、芬兰、法国、瑞典、丹麦等国家,均已形成了相当规模的产业化钢结构建筑体系。美国高层房屋结构中超过一半使用了钢结构。日本有1/3的房屋使用钢结构。我国高层及超高层建筑采用钢结构也越来越多,北京、上海、广州、深圳等地区已陆续建造了数十幢钢结构高层建筑。,目前,钢结构高层建筑的结构体系主要有纯框架结构体系、框架-支撑(剪力墙)结构体系、错层桁架结构体系、外筒式结构体系、筒体结构体系等几种,
3、如图7.5所示。,7.1 钢结构高层建筑的结构体系,(a)框架;(b)框架-支撑;(c)框架-支撑-腰(帽)桁架;(d)错列桁架;(e)开口筒;(f)框筒;(g)桁架筒;(h)筒中筒;(i)筒束图7.5 高层钢结构主要结构形式,框架结构体系是由水平梁和垂直柱通过节点的刚性构造连接而成的多个平面刚接框架结构组成的空间杆系结构,承受作用于各个平面的荷载。框架结构在垂直平面上不设支撑,可以形成较大的空间,为平面布置提供了最大的灵活性,结构平面形式图7.6,图 7.6 框架结构体系的平面形式,7.1.1 框架一支撑(剪力墙)结构体系 高层建筑结构设计的重要内容之一是控制建筑物顶点的水平位移在规定的限值
4、范围内,纯框架结构体系到达一定高度后,难以承受水平荷载作用下的水平剪力,通过在框架结构某些节间的竖向平面内增设起剪力墙作用,由钢支撑构成的竖向抗剪支撑桁架,来承受水平剪力,即能有效地提高结构体系的抗剪刚度而大大减少水平位移,这种结构型式一般称之为框架-支撑结构,其类型如图7.7(a)、(b)所示。,图 7.7 由交叉支撑组成的框架-支撑结构体系,7.1.2 错列桁架结构体系 由框架-支撑结构派生演变成。其特点是下一楼层的桁架位于上一楼层两榀桁架间距的中线上,使相邻两个楼层桁架呈“品”字形交错排列。此结构的楼板架设在下层桁架的上弦杆和上层桁架的下弦杆上,楼板参与桁架传递水平力,起刚性隔板作用。水
5、平力作用于每层桁架上弦,经腹杆传至下弦,又由楼板传至相邻桁架的上弦。可以使水平力传至基础。这种结构适用于公寓、旅馆等狭长建筑物,因为狭长矩形平面高层建筑,短边刚度往往较小,而短边方向的风载又较大。错列桁架结构的优点是短边刚度较大,容易满足以上设计要求,而且此结构的经济效果非常突出,其用钢量比框筒结构低40%。,7.1.3 外筒式结构体系 外筒式结构体系如图 7.5(e)、(f)、(g)所示,有开口筒、框架筒、桁架筒等几种。当建筑物高度超过60层后,水平荷载作用的影响愈来愈严重,结构体系必须具有更强有力的承受水平荷载的有效部分。由于框架-核心筒结构的内筒平面尺寸较小,其侧向刚度受到限制,所以有时
6、把抗剪结构在外围延伸至建筑短边全宽,长边则在中间断开,在平面两端形成槽形悬臂构件,称为半框筒式结构或开口筒结构。如长边较长,中间可再加工字形抗剪悬臂构件或加一个封闭的中间筒。此结构的抗水平力构件可采用支撑桁架或密柱解决,其抗水平力能力加大,内部空旷,使用较灵活,但楼盖梁跨度较大,可建到70层。,7.1.4 筒体结构体系 筒体结构体系如图7.5(h)、(i)所示,主要有筒中筒、筒束等几种。加强框架外筒式结构体系的另一种方法是在内部设置强劲的钢结构或钢筋混凝土结构剪力墙式的核心内筒,外围结构为密柱深梁钢框筒,从而发展形成筒中筒结构体系。此结构体系的内筒和外筒由楼盖结构连接起来形成一个整体,共同承受
7、水平荷载和竖直荷载,可以十分有效地抵抗侧力。由于有内筒参与抵抗侧力,框筒的剪力泄后现象得到改善,其合适高度也可达到100层左右。筒式结构的发展,从单筒到筒中筒,再到筒束结构体系。此体系合适高度约为110120层,如采用桁架式筒束结构体系,有可能把合适高度提高到140层以上。,结构钢主要由铁元素组成,约占化学成分的98%或更高,但是影响钢材材质的却是所占百分比含量很小的其他元素,如碳、其他合金元素以及杂质元素。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
8、要指标,对碳、磷极限含量都严格控制,防止热脆和冷脆等。,7.2 钢结构用钢材,7.2.1 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:1.碳素结构钢 碳素结构钢是最普通的工程用钢,其中碳是形成钢材强度的主要元素,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7-2。其中低碳钢是最主要并最多使用的钢材品种。,表 7-2 碳素结构钢的含碳量,碳素结构钢可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。(1)普通碳素结构钢(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
9、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、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、b、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:Q235-A.F表示屈服点为235N/mm2的A级沸腾碳素结构钢。Q235-D表示屈服点为235N/mm2的D级特殊镇静碳素结构钢。,(2)优质碳素结构钢(GB699-2015)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
10、钢经过热处理(如调质处理和正火处理)得到的优质钢。按优质碳素结构钢技术条件(GB699-2015)的规定,共有28个品种,根据其含锰量的不同分为四种:0.35%0.65%;0.5%0.8%,0.7%1.0%,0.9%1.2%。优质碳素钢与普通碳素钢的主要区别在于钢中含杂质元素较少,硫、磷的含量均不大于0.035%,都属平炉或电炉冶炼的镇静钢,且严格限制其他缺陷,并且有较好的综合性能。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/T69-2015)中可用于建筑钢结构的牌号有15(U20152)、20(U20202)、15Mn(U21152)、20 Mn(U21202),其化学成分
11、与力学性能应符合有关规定。,2.低合金高强度结构钢(GB/T 1591-2008)低合金高强度结构钢是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。加入少量钼和稀土元素,可以改善其综合性能,可以比碳素结构钢节省约20%用钢量。根据现行国家标准低合金高强度结构钢(GB/T 1591-2008)规定,低合金高强度结构钢的牌号表示由代表屈服点的汉语拼音字母(Q)、屈服点数值(N/mm2)。质量等级符号(A、B、C、D、E)等三个部分组成,其中质量等级由A到 E质量从低到高。钢牌号按屈服点大小,分为Q345、Q
12、390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690等八种,其中常用的钢种为Q345和Q390。,3.耐候结构钢 在钢的冶炼过程中,通过添加少量的合金元素,如 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。按照国家标准耐候结构钢(GB/T 4171-2008)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。在暴露初期,腐蚀速度与普通钢并没有太多的区别,然而,随着稳定锈层的形成,腐蚀速度就会延缓下来。但是在海边等氯离子多的地区或雨量充沛的地区,表面缓蚀层很容易丧失其作用。以使用耐候钢为借口而降低
13、防腐蚀涂装的质、涂膜厚度或者想着可以延长更新涂装周期都是不合理的。我国目前生产耐候钢分为高耐候结构钢和焊接结构用耐候钢两种。,4.其他钢材(1)桥梁用结构钢 桥梁用结构钢(GB714-2000)是对以往三个标准合并修订而成。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,20世纪80年代日本提出了耐火钢的概念,通过在钢中添加微量的Cr、Mo等合金元素,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钢,其用途广泛。(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
14、大跨度、特重型结构中,可以节约钢材。,7.2.2 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。1.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。2.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。,3.H型钢 H型钢有热轧 H型钢和焊接H型钢两种。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
15、翼缘宽,两个主轴方向的惯性矩接近,抗弯、抗扭、抗压、抗震能力强;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型钢截面特性要明显优于传统的普通型钢,受力更加合理,用于钢结构高层建筑建筑中。4.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。,4.厚度方向性能钢板 国家标准厚度方向性能钢板(GB/T 5313-2010)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15150mm、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
16、厚度方向断面收缩率的要求值。据此分为Z15、Z25、Z35三个级别。,7.2.3 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。,1.选用钢结构高层建筑钢材的有关规定 高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ99-2015)规定:主要承重构件所用钢材的牌号宜选用Q345、Q390钢,一般构件宜选
17、用Q235钢,其材质和材料性能应分别符合现行国家标准低合金高强度结构钢GB/T 1591或碳素结构钢GB700的规定。有依据时,可采用更高强度级别的钢材。采用焊接连接的节点,当板厚 50mm,并承受沿板厚方向的拉力作用时,应按现行国家标准厚度方向性能钢板(GB/T 5313-2010)的规定。,2.钢结构高层建筑钢材选用 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型钢和焊接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
18、艺焊接而成。(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。,7.2.4 钢材的验收 对钢结构的钢材进行验收是保证钢结构工程质量的重要环节,应该遵照钢结构工程施工质量验收规范(GB50205-2008)对钢材的有关规定执行。(1)钢材的数量和品种是否与订货单符合。(2)钢材的质量保证书是否与钢材上打印的记号符合。(3)检验钢材的表面质量,其表面不得有结疤、裂纹、折叠和分层等缺陷,其深度不 得大于该钢材厚度负允许偏差值的1/2。(4)根据国标中的有关规定核对钢材
19、的规格尺寸以及各类钢材外形尺寸的允许偏差。,(5)属于下列情况之一的钢材,钢材必须具备材质质量保证书和试验报告。同时应进行抽样复验,复验结果应符合现行国家产品标准和设计要求。1)国外进口钢材;2)钢材混批;3)钢材质量保证书的项目少于设计要求(应提供缺少项目的试验报告);4)板厚大于 40mm且设计有几项性能要求的厚板;5)设计有复验要求的钢材;6)对质量有疑义的钢材。其中(1)、(2)、(5)为主控项目;(3)、(4)为钢材验收的一般项目。,钢结构的连接是通过一定的方式将各个板件或杆件连成整体。板件、杆件间要保持正确的相互位置,连接部位应有足够的静力强度和疲劳强度,来满足传力和使用要求。因此
20、连接是钢结构制作和施工中重要的环节。一般好的连接,应当符合安全可靠、节省钢材、构造简单和施工方便的原则。我国钢结构高层建筑在制作和安装施工时采用的连接方法,根据结构的特点,主要是焊接连接和高强度螺栓连接等。,7.3 钢结构的连接技术,7.3.1 焊接连接的方法、原理及操作工艺 1.手工电弧焊 凡电极的送给、前进和摆动三个动作均靠手工操作来实现的都称为手工电弧焊。其设备简单,操作灵活方便,适用于各种位置的焊接;但生产效率较差,质量较低。2.自动埋弧焊 埋弧焊是利用电弧作为热源的焊接方法,焊接时电弧在颗粒状的焊剂下层燃烧而完成焊接过程。3.CO2气体保护焊 CO2气体保护焊是利用CO2气体为保护气
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