1、钢结构特点:
1.钢结构自重轻
2.钢结构工程可靠性高
3.钢材具有良好的抗振动(冲击)和抗冲击性能
4.钢结构制造工业化水平高
5.钢结构可以准确、快速地组装
6.易于制成密封结构
7.钢结构容易腐蚀
8.钢结构耐火性能差
2.常用结构用钢的牌号及性能
1、碳素结构钢:Q195、Q215、Q235、Q255、Q275等。
2.低合金高强度结构钢
3.优质碳素结构钢、合金结构钢
4.特殊用途钢
3.钢结构材料选择原则
钢结构材料的选择原则是在一定条件下,保证承重结构的承载能力和防止发生脆性破坏,是根据结构的重要性、荷载特点、结构形式、应力状态、连接方式、钢材厚度以及工作环境等因素综合考虑的。
《钢结构设计规范》GB50017-2003提出的四种钢材是“适用”类型,在条件允许的情况下是首选,只要所用钢材符合规范的要求,并不禁止使用其他类型。
4、钢结构主要技术内容:
(1)高层钢结构技术。根据建筑高度和设计要求,采用框架、框架支撑、筒体和巨型框架结构。构件可采用型钢、刚性钢筋混凝土或钢管混凝土。钢构件重量轻,延展性好,采用焊接型钢或轧制型钢,适用于超高层建筑;刚性钢筋混凝土构件刚度大,耐火性能好,适用于中高层建筑或底层结构;钢管混凝土施工方便,只用于柱结构。
(2)空间钢结构技术。空间钢结构自重轻、刚度大、造型美观、施工快捷。以钢管为杆件的球节点平板网架、多层变截面网架、网壳等是我国空间钢结构的主要技术。是结构用量最大的结构类型。具有空间刚度大、钢材用量少等优点,具有设计、施工、检验程序,可提供完整的CAD。空间结构除网架结构外,还有大跨度索悬结构、索膜结构等。
(3)轻钢结构技术。用浅色钢板做墙体、屋面围护结构组成的新型结构形式。采用厚度5mm以上的钢板焊接或卷制的大截面薄壁H型钢墙梁、屋面檩条,圆钢制成的柔性支撑体系,高强度螺栓连接,组成轻钢结构体系。柱距可从6m~9m,跨度可达30m以上,高度可达十几米,可安装轻型吊挂,重量约~30kg/m2。现已有规范的设计程序和专业生产公司,产品质量好,安装快,自重轻,投资少,施工不受季节限制。适用于各种轻型工业厂房。
(4)钢-混凝土组合结构技术。钢-混凝土组合结构是由型钢或钢管与混凝土构件组成的梁、柱承重结构,其应用范围近年来不断扩大。组合结构兼有钢和混凝土的优点,强度高、刚度好、抗震性能好,当采用外混凝土施工时,具有更好的防火、防腐性能,组合结构构件一般可减少用钢量15-20%,组合楼板与钢管混凝土构件还可少用或不用模板,施工方便快捷,推广潜力大。适用于荷载较大的多层或高层建筑的框架梁、柱、楼板,工业建筑柱、楼板等。
(5)高强度螺栓连接及焊接技术。高强度螺栓通过摩擦传递应力,由螺栓、螺母和垫圈三部分组成。高强度螺栓连接具有施工方便、拆卸灵活、承载能力高、抗疲劳性能好、自锁性能好、安全性高等优点,在工程上已取代铆接和部分焊接,成为钢结构生产安装中的主要连接方法,对于车间生产的钢构件,厚板宜采用自动多丝电弧埋弧焊,箱形柱隔板宜采用电渣焊技术焊接。现场安装时,宜采用半自动焊技术、气体保护药芯焊丝和自保护药芯焊丝技术。
(6)钢结构防护技术。钢结构防护包括防火、防腐、防锈。一般防火涂料处理后,不再需要做防锈处理。但在有腐蚀性气体的建筑中,仍需做防腐处理。涂料种类较多,如TN系列、MC-10等,其中MC-10防火涂料有醇酸磁漆、氯化橡胶漆、氟橡胶漆和氯磺化漆等。根据等级要求和环保要求选择合适的涂料和涂层厚度。
5、钢结构的目标和措施:
钢结构工程涉及面广,技术难度大,在其推广应用中必须遵守国家和行业的标准、规范,地方建设行政主管部门要重视钢结构工程专业阶段的建设,组织开展质检队伍的培训,及时总结工作实践和新技术应用。大专院校、设计部门、施工公司要加快培养钢结构工程技术人员,推广成熟的钢结构CAD。群众性学术团体要配合钢结构技术的发展,广泛开展国内外学术交流和培训活动,积极提高钢结构设计、生产、施工、安装技术的整体水平,在不久的将来必将得到回报。
6.钢结构连接方法
钢结构的连接方式有三种:焊接连接、螺栓连接和铆钉连接。
1.焊接连接
焊接连接是利用电弧产生的热量,使焊条和焊件部分熔化,经冷却后凝固成焊缝,从而将焊件连接成一体的。
优点:不削弱构件截面、节省钢材、结构简单、易于制造、连接刚度大、密封性能好,在一定条件下易于采用自动化操作,生产效率高。
缺点:焊接高温在焊缝附近形成的热影响区可能使材料在某些部位产生脆性;焊接过程中,钢材受到不均匀分布的高温和冷却,使结构中产生焊接残余应力和残余变形,会对焊接结构的承载能力、刚度和使用性能造成一定的影响;由于焊接结构刚度较大,一旦出现局部裂纹,容易蔓延至整个结构,特别是在低温下,容易引起脆性断裂;焊缝连接塑性和韧性较差,焊接过程中可能出现缺陷,降低疲劳强度。
(二)螺栓连接
螺栓连接是通过螺栓等紧固件将连接件连接成一体。螺栓连接分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接两种。
优点:施工工艺简单,安装方便,特别适合施工现场的安装与连接,拆卸方便,适用于需要安装和拆卸的结构和临时连接。
缺点:装配时需在板材上钻孔并找正,增加了制造工作量,且要求制造精度高;螺栓孔还会削弱构件的截面强度,且被连接件往往需互相搭接或增加辅助连接板(或角钢),因此结构较复杂,耗钢量较多。
(三)铆钉连接
铆钉连接是将一端带有半圆形预制钉头的铆杆加热后迅速插入连接件的钉孔内,再用铆钉枪将另一端铆入钉头,使连接紧固。
优点:铆接力传递可靠钢结构设备基础,塑性和韧性良好,易于检查和保证质量,可用于重型结构及直接承受动载荷的结构。
缺点:铆接工艺复杂,制造成本高,劳动强度大,因此已基本被焊接、高强度螺栓连接等取代。
7.焊接连接
1.焊接方法
钢结构常用的焊接方法是电弧焊,包括手工电弧焊、自动或半自动电弧焊、气体保护焊等。
手工电弧焊是钢结构最常用的焊接方法,其设备简单,操作灵活方便,但劳动条件差,生产效率比自动或半自动焊低,焊缝质量变异性大,在一定程度上取决于焊工的技术水平。
自动焊焊缝质量稳定,内部缺陷少,塑性和冲击韧性好,适用于焊接较长的直接焊缝。半自动焊为手工操作,适用于焊接曲线形或任意形状的焊缝。自动、半自动焊应采用与主体金属相适应的焊丝和焊剂。焊丝应符合国家标准的规定,焊剂应根据焊接工艺要求确定。
气保焊采用惰性气体(或CO2)作为电弧保护介质,使熔化金属与空气隔绝,保持焊接过程稳定。气保焊电弧加热集中,焊接速度快,熔深大,故焊缝强度比手工焊高。具有良好的塑性和抗腐蚀性能,适用于焊接厚钢板。
(二)焊缝形式
焊接连接形式按被连接构件的相对位置可分为对接、搭接、T型接头和角接四种。这些连接所采用的焊缝基本类型有两种:对接焊缝和角焊缝。在具体应用中,应根据连接的受力情况,结合制造、安装和焊接条件进行选择。
(三)焊接结构
1. 对接焊缝
对接焊缝传力直接、平稳,无明显的应力集中,因而受力性能好,适用于承受静、动载荷的连接构件,但由于对接焊缝的质量要求较高,对焊件的焊接间隙要求比较严格,一般用于工厂化连接。
2. 角焊缝
角焊缝形式:角焊缝按其长度方向和外力作用方向可分为平行于力方向的侧面角焊缝、垂直于力方向的正面角焊缝和斜于力方向的角焊缝。斜角焊缝和环焊缝。
角焊缝的截面形式有普通型、平坡型和深熔型。图中hf称为角焊缝的腿长尺寸,普通截面焊缝的腿长比为1:1,类似等腰直角三角形,力传递线弯曲剧烈,因此应力集中严重,对于直接承受动荷载的结构,为使力传递平稳,正面角焊缝宜采用平坡型(长边角焊缝宜采用深熔型,长边比为1:1)。
8.螺栓连接
(一)普通螺栓连接结构
1、常用螺栓形式及规格
钢结构中常用的形式为大六角头型,用字母M加公称直径(mm)表示,工程中常用M18、M20、M22、M24等,国际标准对螺栓统一用螺栓性能等级来表示,如“4.6级”、“8.8级”等。小数点前的数字表示螺栓材料的最小抗拉强度,如“4”表示400N/mm2,“8”表示800N/mm2。小数点后的数字(0.6、0.8)表示螺栓材料的屈服强度比,即屈服点与最小抗拉强度之比。
根据螺栓加工精度,普通螺栓分为A、B、C三个等级。
A、B级螺栓(精制螺栓)采用8.8级钢材,经机床加工而成,表面光洁,尺寸准确,配用I级孔(即在装配构件上钻孔或扩孔而成的螺栓孔,孔壁光滑,孔位准确)。由于其加工精度高,与孔壁接触紧密,连接变形小,受力性能好,可用于承受较大剪力和拉力的连接。但其制造安装费用较多,劳动强度大,成本高,因此在钢结构中很少采用。
C级螺栓(毛螺栓)采用4.6级或4.8级钢材,加工粗糙,尺寸不准确,只需打Ⅱ级孔(即螺栓孔在单个零件上一次冲压或不用夹具钻孔,一般孔径比螺栓杆径大1~2mm)。传递剪力时,连接变形较大,但传递拉力的性能好。操作时不需要专用设备,成本较低。常用于承受拉力并承受静载荷或间接承受动载荷的螺栓连接。为结构中的次剪力连接。
2.普通螺栓连接的布置
螺栓的排列应简单、均匀、紧凑,满足受力要求,构造合理,安装方便。螺栓的排列有平行和交错两种形式(如图所示)。平行较简单,交错较紧凑。
(二)普通螺栓连接的受力特点
1. 剪力螺栓连接
2.拉力螺栓连接
3. 拉剪螺栓连接
(三)高强度螺栓的受力特点
高强度螺栓连接根据设计和受力要求可分为摩擦型和压力型,摩擦型连接在承受剪切作用时,板间可能出现的最大摩擦阻力为极限状态;当超过此值时,板间产生相对滑移钢结构设备基础,则认为连接失效而断裂。承压型连接在承受剪切作用时,允许克服摩擦力,板间产生相对滑移,此时外力仍可继续增大,此后因螺钉剪切或孔壁压力而引起的最终失效为极限状态。
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