第六章钢结构工程 钢结构工程 是指以钢铁为基材 经过机械加工组装而成的结构 包括 工业厂房 高层建筑 塔桅 桥梁等 钢结构特点 强度高 结构轻 施工周期短 精度高 材料可回收利用等 1 2 第一节钢结构加工工艺 一 钢结构加工前的准备材料准备 技术准备 施工详图设计 工艺规程设计 一 放样根据详图或图样要求的形状 尺寸 按照1 1把 产品 零件 或部件 的实形 画在放样台或平板上 求取实长并制成样板的过程 对比较复杂的壳体零 部件 还需要作图展开 3 二 钢结构的放样 号料与下料放样 号料是整个钢结构制作工艺中的第一道工序 为了提高放样 号料的精度和效率 应采用计算机辅助设计 二 号料用样板在钢板上画出构件的实样 并打上各类的加工记号 为钢材的切割下料做准备 4 三 切割下料 切割的目的就是将放样和号料的零件形状从原材料上进行下料分离 钢材切割可以通过切削 冲剪 摩擦机械力和热切割来实现 常用的切割方法有 机械剪切 气割和等离子切割 三种方法 机械切割法 剪板机 联合冲剪机 弓锯床 砂轮机割机 等 利用上 下两剪刀的相对运动来切断钢材 或利用锯片的切削运动把钢材分离 或利用锯片与工件间的摩擦发热使金属熔化而被切断 5 三 构件加工 一 矫正钢材使用前矫正的原因 材料内部的残余应力及存放 运输 吊运不当等原因 会引起钢材原材料变形 在加工成型过程中 由于操作和工艺原因会引起成型件变形 构件连接过程中会存在焊接变形等 为了保证钢结构的制作及安装质量 必须对不符合技术标准的材料 构件进行矫正 钢结构的矫正 就是通过外力或加热作用 使钢材较短部分的纤维伸长 或使较长的纤维缩短 以迫使钢材反变形 使材料或构件达到平直及一定几何形状的要求并符合技术标准的工艺方法 矫正的形式主要有矫直 矫平 矫形三种 矫正按外力来源分为 火焰矫正 机械矫正 手工矫正等 按矫正时钢材的温度分为 热矫正 冷矫正 6 1 火焰矫正 利用火焰对钢材进行局部加热 被加热处理的金属由于膨胀受阻而产生压缩塑性变形 使较长的金属纤维冷却后缩短而完成的 影响火焰矫正效果的因素有三个 火焰加热位置 加热的形式 加热的热量 火焰加热的位置应选择在金属纤维较长的部位 加热的形式有点状加热 线状加热和三角形加热三种 用不同的火焰热量加热 可获得不同的矫正变形的能力 低碳钢和普通低合金结构钢构件用火焰矫正时 常采用600 800 C的加热温度 7 2 机械矫正 钢材的机械矫正 是在专用矫正机上进行的 机械矫正的实质 使弯曲的钢材在外力作用下产生过量的塑性变形 以达到平直的目的 机械矫正的优点 作用力大 劳动强度小 效率高 钢材的机械矫正的方法 拉伸机矫正 压力机矫正 多辊矫正机矫正等 拉伸机矫正适用于薄板扭曲 型钢扭曲 钢管 带钢和线材等的矫正 压力机矫正适用于板材 钢管和型钢的局部矫正 多辊矫正机可用于型材 板材等的矫正 8 3 手工矫正 钢材的手工矫正 采用锤击的方法进行 操作简单灵活 手工矫正特点 矫正力小 劳动强度大 效率低而用于矫正尺寸较小的钢材 在缺乏或不便使用矫正设备时采用 4 钢材 或构件的矫正注意事项 钢材在低温情况下 不得进行冷矫正 碳素结构钢 16 时 低合金结构钢 12 冷矫正和冷弯曲的最小曲率半径和最大弯曲矢高应符合有关的规定 矫正时 应尽量避免损伤钢材表面 其划痕深度不得大于0 5mm 且不得大于该钢材厚度负偏差的1 2 9 二 弯卷成型 1 钢板卷曲钢板卷曲 是通过旋转辊轴对板料进行连续三点弯曲所形成的 当制件曲率半径较大时 可在常温状态下卷曲 如制件曲率半径较小或钢板较厚时 则需在钢板加热后进行 钢板卷曲按其卷曲类型可分为单曲率卷制和双曲率卷制 单曲率卷制包括对圆柱面 圆锥面和任意柱面的卷制 操作简便 较常用 双曲率卷制可实现球面 双曲面的卷制 10 1 预弯 板料进行预弯 使剩余直边弯曲到所需的曲率半径后再卷曲 预弯可在三辊 四辊或预弯压力机上进行 钢板卷曲工艺包括预弯 对中和卷曲三个过程 11 2 对中 将预弯的板料置于卷板机上弯曲时 为防止产生歪扭 使板材的纵向中心线与辊轴轴线保持严格的平行 3 卷曲 采用多次进给法卷曲 利用上辊筒 三辊机 或侧辊筒 四辊机 位置的调节使板料发生初步的弯曲 然后来回滚动而卷曲 当板料移至边缘时 根据板边和准线检查板料位置是否正确 逐步压下上辊并来回滚动 使板料的曲率半径逐渐减小 直至达到规定的要求 12 2 管材弯曲 3 型材弯曲 型钢弯曲时 由手截面重心线与力的作用线不在同一平面上 同时型钢除受弯曲力矩外还受扭矩的作用 所以型钢断面会产生畸变 畸变程度取决于应力的大小 而应力的大小又取决于弯曲半径 弯曲半径越小 则畸变程度越大 为了控制应力与变形 应控制最小弯曲半径 如果制件的曲率半径较大 一般采用冷弯 反之则采用热弯 根据被弯管材的界面尺寸和弯曲半径 分为 形弯 在形弯设备上 通过成形模具 连续弯曲管材 压弯 截面尺寸较大的管材 油压机与成形模具 逐步压弯成形 中频弯 截面尺寸较大 弯曲曲率较小的管材 采用中频电流瞬间加热需弯曲段 并在外力作用下按要求弯曲 三 边缘加工 在钢结构制造中 经过剪切或气割过的钢板边缘 其内部结构会发生硬化和变态 为了保证桥梁或重型吊车梁等重型构件的质量 需要对边缘进行加工 其刨切量不应小于2 0mm 此外 为了保证焊缝质量 考虑到装配的准确性 要将钢板边缘刨成或铲成坡口 往往还要将边缘刨直或铣平 边缘加工的部位包括 吊车梁翼缘板 支座支撑面等具有工艺性要求的加工面 设计图纸中有技术要求的焊接坡口 尺寸精度要求严格的加劲板 隔板 腹板及有孔眼的节点板等 常用的边缘加工方法有铲边 刨边 铣边和碳弧电气刨边四种 13 14 四 其他工艺 1 折边 在钢结构制造过程中 常把构件的边缘压弯成倾角或一定形状的操作过程称为折边 这类工件的弯曲折边常利用折边机进行 折边用于薄板构件 有较长的弯曲线和很小的弯曲半径 薄板经折边后可以大大提高结构的强度和刚度 2 模具压制 在钢结构制孔中包括 铆钉孔 普通螺栓连接孔 高强度螺栓孔 地脚螺栓孔等 制孔方法有 冲孔 钻孔 两种 钻孔适用任何规格的钢板 型钢的孔加工 使用钻床 电钻 风钻等加工 钻孔的特点 切削方法 孔壁损伤小 孔位精度高 15 3 制孔 在压力设备上利用模具使钢材成形 模具的形状尺寸与制造质量 决定成形质量按加工工序 模具分 冲裁模 弯曲模 拉伸模 压延模 4种 火焰割孔 当地脚螺栓孔与螺栓的间距较大 孔径大于50mm时采用 第二节钢结构的拼装与连接 由于受运输 吊装等条件的限制 有时构件要分段出厂 为了保证安装的顺利进行 应根据构件或结构的复杂程序和设计要求 在出厂前进行预拼装 管结构为立体预拼装 可设卡 夹具 其他结构一般均为平面拼装 构件应处于自由状态 不得强行固定 一 工厂预拼装 在预拼装时 对螺栓连接的节点板除检查各部位尺寸外 还应用试孔器检查板叠孔的通过率 预拼装检查合格后 对上 下定位中心线 标高基准线 交线中心点等应标注清楚 准确 构件的连接方法 焊接 铆接 螺栓连接 16 预拼装的允许偏差应符合规定 如表 17 二 焊接施工方法 一 概述 焊接 是将需要连接的构件在连接部分加热到熔化状态后使它们连接起来的加工方法 有时也在半熔化状态下加压力使它们连接 或在其间加入其他熔化状态的金属使它们冷却后连成一体的加工工艺方法 焊接的优点 在构件上不需要钻孔 构造简单 加工容易 而且还不削弱构件截面 焊接方法的选择应考虑焊接构件的材质和厚度 接头的形式和焊接设备 焊接的效率和经济性 焊接质量的稳定性 1 建筑钢结构焊接的一般要求 18 二 焊接施工方法 一 概述 19 建筑钢结构的焊接方法有 手工电弧焊 埋弧焊 熔化极气体保护焊 电渣焊 螺柱焊 栓钉焊 二 焊接施工 电弧焊是工程中应用最普遍的焊接形式 1 焊接接头 焊接接头 按焊接方法 分为 熔化接头 电渣焊接头两大类 焊接接头形式 见表所示 20 2 焊缝形式 1 焊缝形式按施焊的空间位置分为 平焊缝 横焊缝 立焊缝 仰焊缝 四种形式 如图 平焊的熔滴靠自重过渡 操作简单 质量稳定 横焊时 由于重力熔化金属容易下淌 而使焊缝上侧产生咬边 下侧产生焊瘤或未焊透等缺陷 立焊焊缝成形更加困难 易产生咬边 焊瘤 夹渣 表面不平等缺陷 仰焊时 必须保持最短的弧长 因此常出现未焊透 凹陷等质量问题 21 2 焊缝形式 平焊的熔滴靠自重过渡 操作简单 质量稳定 横焊时 由于重力熔化金属容易下淌 而使焊缝上侧产生咬边 下侧产生焊瘤或未焊透等缺陷 立焊焊缝成形更加困难 易产生咬边 焊瘤 夹渣 表面不平等缺陷 仰焊时 必须保持最短的弧长 因此常出现未焊透 凹陷等质量问题 22 2 焊缝按结合形式 可分为 对接焊缝 角焊缝和塞焊缝三种 如图 3 焊接工艺参数的选择 手工电弧焊的焊接工艺参数 焊条直径 焊接电流 电弧电压 焊接层数 电源种类及极性 等 焊条直径的选择依据 焊件厚度 接头形式 焊缝位置 焊接层次等因素 一般情况 可根据下表按焊件厚度选择焊条直径 并倾向于选择较大直径的焊条 平焊时 直径可大一些 立焊时 所用焊条直径不超过5mm 横焊和仰焊时 所用直径不超过4mm 开坡口多层焊接时 为了防止产生未焊透的缺陷 第一层焊缝宜采用直径为3 2mm的焊条 23 1 焊条直径 2 焊接电流 焊接电流的选择依据 焊条的类型 直径 焊缝空间位置 焊件的厚度 接头形式等 4 焊接前的准备 焊前准备包括 坡口制备 预焊部位清理 焊条烘干 预热 预变形及高强度钢切割表面探伤等 碰击法是将焊条垂直于工件进行碰击 然后迅速保持一定距离 划擦法是将焊条端头轻轻划过工件 然后保持一定距离 施工中 严禁在焊缝区以外的母材上打火引弧 在坡口内引弧的局部面积应熔焊一次 不得留下弧坑 24 5 引弧与熄弧 引弧 碰击法 划擦法 严禁在焊缝区以外的母材上打火引弧 2 焊条要沿焊缝方向移动 形成线形焊缝 3 焊条横向摆动 形成焊缝的一定宽度 一般焊缝的宽度是焊条直径的1 5倍左右 采用合适的运条方式可以在各种焊接位置得到优质的焊缝 25 6 运条方法 1 焊条沿中心线向下送进 防止断弧 7 焊接完工后的处理 焊接结束后 对焊缝及两侧清理 彻底清除飞溅物 焊渣和焊瘤等 26 三 螺栓连接施工 一 普通螺栓1 普通螺栓的种类和用途普通螺栓是钢结构常用的紧固件之一 用作钢结构中构件间的连接 固定 或将钢结构固定到基础上 使之成为一个整体 常用的普通螺栓有 六角螺栓 双头螺栓 地脚螺栓等 27 2 普通螺栓的施工 永久螺栓的螺栓头和螺母的下面应放置平垫圈 螺栓头和螺母应与结构构件的表面及垫圈密贴 倾斜面的螺栓连接应放置斜垫片垫平 以使螺母和螺栓的头部支承面垂直于螺杆 避免螺栓紧固时螺杆受到弯曲力 永久螺栓和锚固螺栓的螺母满足施工图纸中的设计规定 采用有防松装置的螺母或弹簧垫圈 对于动荷载或重要部位的螺栓连接 应在螺母的下面按设计要求放置弹簧垫圈 各种螺栓连接 从螺母一侧伸出螺栓的长度应保持在不小于两个完整螺纹的长度 使用螺栓等级和材质应符合施工图纸的要求 1 连接要求 28 2 长度选择 连接螺栓的长度可按下述公式计算 L H nh C式中 连接板约束厚度 mm H 螺母的高度 mm h 垫圈的厚度 mm n 垫圈的个数 个 C 螺杆的余长 5 10mm 3 紧固轴力 螺栓紧固必须从中心开始 对称施拧 施拧时的紧固轴力应不超过相应的规定 永久螺栓拧紧质量检验采用锤敲或用力矩扳手检验 要求螺栓不颤头和偏移 拧紧的真实性用塞尺检查 对接表面高差 不平度 不应超过0 5mm 29 二 高强度螺拴 高强度螺栓是由 优质碳素钢或低合金钢材料 制成 具有强度高的特点 高强度螺栓按照连接形式可分为 抗拉连接 摩擦连接 承压连接三种 高强度螺栓连接的优点 安装简便 迅速 能装能拆和承压高 受力性能好 安全可靠等 高强度螺栓普遍应用于大跨度结构 工业厂房 桥梁结构 高层钢框架结构等重要结构 1 特征与形式 形式有 1 高强度六角头螺栓 粗