钢结构施工专业资料

第6章钢结构工程6.1钢结构加工工艺6.1.1钢构件的放样、号料与下料6.1.2构件加工6.1.2.1矫正6.1.2.2成型6.2钢结构的拼装与连接6.2.1工厂拼装6.2.2焊接施工方法6.2.3螺栓连接施工6.2.3.1普通螺栓连接6.2.3.2高强度螺栓连接6.3钢结构工程的验收6．钢结构工程6.1钢结构加工工艺钢构件制作的工艺流程见下图6-1。放样、号料和切割放样、号料和切割矫正和成型边沿和节点加工制孔和组装构件验收与拼装涂装和编号表面解决焊接和焊接检查图6－1钢构件制作的工艺流程6.1.1钢构件的放样、号料与下料1、放样钢结构是由许多钢构件组成，结构的形状复杂，在施工图上很难反映出来某些构件的真实形状，甚至有时标注的尺寸也不好表达。放样就是按照钢结构施工详图规定的形状和尺寸，按照1:1的比例把构件的实形画在样台或平板上，求取实长并制成样板、样杆的过程。样板、样杆是作为钢构件下料、制作、装配等加工的依据。放样的环节如下：（1）)仔细阅读图纸，并对图纸进行核对。（2）以1:1的比例在样板台上弹出大样。当大样尺寸过大时，可分段弹出。尺寸划法应避免偏差累积。（3）制作样板和样杆作为下料弯曲、铣、刨、制孔等加工的依据。2、号料号料就是根据样板在钢材上画出构件的实样，并打上各种加工记号，为钢材的切割下料作准备。见图6―2图6－2样板号料（a）样杆号孔（b）样板号料1－角钢；2-样杆；3－划针；4－样板号料时应注意以下问题：（1）号料应使用通过检查合格的样板与样杆进行套裁，不得直接使用钢尺。（2）不同规格、不同钢号的零件应分别号料，并依据先大后小的原则依次号料。对于需要拼接的同一构件，必须同时号料，以便拼接。（3）号料时，同时划出检查线、中心线、弯曲线，并注明接头处的字母、焊缝代号。（4）号孔应使用与孔径相等的圆规规孔，并打上样冲作出标记，便于钻孔后检查孔位是否对的。（5）弯曲构件号料时，应标出检查线，用于检查构件在加工、装焊后的曲率是否对的。（6）在号料过程中，应随时在样板、样杆上记录下已号料的数量，号料完毕，则应在样板、样杆上注明并记下实际数量。3、下料下料就是将放样和号料的钢构件形状从原材料上进行切割分离。常用的切割方法有：机械剪切、气割和等离子切割三种方法。气割法是运用氧气与可燃气体混合产生的预热火焰加热金属表面达成燃烧温度并使金属发生剧烈的氧化，放出大量的热促使下层金属也自行燃烧，同时通以高压氧气射流，将氧化物吹除而引起一条狭小而整齐的割缝。随着割缝的移动，使切割过程连续切割出所需的形状。气割的方法有手工气割机、半自动气割机、特型气割机等。气割方法设备灵活、费用低廉、精度高，是目前使用最广泛的切割方法，可以切割各种厚度的钢材，特别是带曲线的零件或厚钢板。气割前，应将钢材切割区域表面的铁锈、污物等清除干净，气割后，应清除熔渣和飞溅物。机械切割法可运用上、下两剪刀的相对运动来切断钢材，或运用锯片的切削运动把钢材分离，或运用锯片与工件间的摩擦发热使金属熔化而被切断。常用的切割机械有剪板机、联合冲剪机、弓锯床、砂轮切割机等。其中剪切法速度快、效率高，但切口略粗糙；锯割可以切割角钢、圆钢和各类型钢，切割速度和精度都较好。机械剪切的零件，其钢板厚度不宜大于12mm，剪切面应平整。等离子切割法是运用高温高速的等离子焰流将切口处金属及其氧化物熔化并吹掉来完毕切割，所以能切割任何金属，特别是熔点较高的不锈钢及有色金属铝、铜等。6.1.2构件加工6.1.2.1矫正钢材使用前，由于材料内部的残余应力及存放、运送、吊运不妥等因素，会引起钢材原材料变形；在加工成型过程中，由于操作和工艺因素会引起成型件变形；构件在连接过程中会存在焊接变形等。因此，必须对钢构件进行矫正，保证钢结构制作和安装质量。钢材的矫正方式重要有矫直、矫平、矫形三种。矫正的方法按外力的来源分火焰矫正、机械矫正和手工矫正等；矫正时按钢材的温度分为热矫正和冷矫正。1、火焰矫正钢材的火焰矫正是运用火焰对钢材进行局部加热，被加热解决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毕。影响火焰矫正效果有火焰加热位置、加热的形式和加热的热量等三个因素。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。2、钢材的机械矫正钢材的机械矫正就是使弯曲的钢材在专用机械矫正机上通过机械力作用下产生过量的塑性变形，以达成平直的目的。优点是作用力大、劳动强度小、效率高。常用的矫正机有拉伸矫正机、压力矫正机、辊压矫正机等。其中拉伸矫正机(图6－3)，合用于薄板扭曲、型钢扭曲、钢管、带钢和线材等的矫正；压力矫正机合用于板材、钢管和型钢的局部矫正；辊压矫正机合用于型材、板材等的矫正(图6－4)。图6－3拉伸矫正机矫正图6－4辊压矫正机矫正3、手工矫正钢材的手工矫正是采用手工锤击的方法进行，操作简朴灵活。手工矫正由于矫正力小、劳动强度大、效率低而用于矫正尺寸较小的钢材。有时在缺少或不便使用矫正设备时也采用。钢材或钢构件矫正时应注意的问题：①碳素结构钢在环境温度低于-16℃、低合金结构钢在环境温度低于-12℃时，不得进行冷矫正和冷弯曲；②碳素结构钢和低合金结构钢在加热矫正时，加热温度应根据钢材性能选定，但不得超过900℃，低合金结构钢在加热矫正后应缓慢冷却；③当构件采用热加工成型时，加热温度宜控制在900—1000℃。6.1.2.2.成型钢材的成型：是指钢板卷曲和型材弯曲。1、钢板卷曲成型钢板卷曲是通过旋转辊轴对板材进行连续三点弯曲而形成。当制作曲率半径较大时，可在常温状态下卷曲；如制件曲率半径较小或钢板较厚时，则需将钢板加热后进行。钢板卷曲分为单曲率卷曲和双曲率卷曲。单曲率卷曲涉及对圆柱面、圆锥面和任意柱面的卷曲(图6－5)，因其操作简便，工程中较常用。双曲率卷曲可以进行球面及双曲面的卷曲。钢板卷曲工艺涉及预弯、对中和卷曲三个过程。图6－5单曲率卷曲钢板（a）圆柱面卷曲；（b）圆锥面卷曲；（c）任意柱面卷曲①预弯板料在卷板机上卷曲时，两端边沿总有卷不到的部分，即剩余直边。剩余直边在矫圆时难以完全消除，所以一般应对板料进行预弯，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。②对中将预弯的板料置于卷板机上卷曲时，为防止产生歪扭，应将板料对中，使板料的纵向中心线与滚筒轴线保持严格的平行。图6-4是部分四辊卷板机与三辊卷板机的对中方法。在四辊卷板机中，通过调节倒辊，使板边靠紧侧辊对准(图6-4a)；在三辊卷板机中，可运用挡板使板边靠近挡板对中(图6-4b)。③卷曲板料位置对中后，通常采用多次进给法卷曲。运用调节上辊筒（三辊机）或侧辊筒（四辊机）的位置使板料发生初步的弯曲，然后来回滚动而卷曲。当板料移至边沿时，根据板边和准线检查板料位置是否对的。逐步压下上辊并来回滚动，使板料的曲率半径逐渐减小，直至达成规定的规定。2、型材弯曲成型型材弯曲成型涉及型钢弯曲和钢管弯曲。1）型钢弯曲型钢弯曲时由于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，故型钢断面会产生畸变。畸变限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，则畸变限度越大。在弯曲时，若制件的曲率半径较大，一般应采用冷弯，反之则应采用热弯。2）钢管的弯曲管材在自由状态下弯曲时，其截面会变成椭圆形，且外侧管壁受拉会减薄，内侧管壁受压会增厚。钢管的弯曲半径一般应不小于管子外径的3.5倍(热弯)至4倍(冷弯)。在弯曲过程中，应在管材中加进填充物(装砂或弹簧)后进行弯曲或用滚轮和滑槽压在管材外面进行弯曲，减少钢管在弯曲过程中的变形。3、边沿加工在钢结构制造中，通过剪切或气割过的钢板边沿，其内部结构会发生硬化和变态，并且构件边沿的毛刺又容易导致应力集中，为了保证钢结构受力性能良好，需要对边沿进行加工，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，要将钢板边沿刨成或铲成坡口，往往还要将边沿刨直或铣平。通常钢结构需要作边沿加工的部位涉及：①吊车梁翼缘板、支座支承面等图纸有规定的加工面；②焊缝坡面；③尺寸规定严格的加劲板、隔板、腹板和有孔眼的节点板等。边沿加工的允许偏差见表6－1。边沿加工的允许偏差表6－1项目允许偏差零件宽度、长度±1.0加工边直线度L/3000，且不应大于2.0相邻两边夹角±6′加工面垂直度0.025t，且不应大于0.5加工面表面粗糙度504、制孔和组装螺栓孔共分两类三级，其制孔加工质量和分组应符合规范规定。组装前，连接接触面和沿焊缝边沿每边30～50mm范围内的铁锈、毛刺、污垢、冰雪等清除于净；组装顺序应根据结构形式、焊接方法和焊接顺序等因素拟定；构件的隐蔽部位应焊接、涂装，并经检查合格后方可封闭，完全封闭的构件内表面可不涂装；5、表面解决、涂装和编号1）表面解决是针对使用高强度螺栓连接时接触面的钢材表面进行加工，即采用砂轮、喷砂等方法对摩擦面的飞边、毛刺、焊疤等进行打磨，使其接触处表面的抗滑移系数达成设计规定额定值，一般为0.45～0.55。2）涂装是在钢材表面涂刷防护涂层，防止钢材锈蚀。涂装的材料应从技术经济效果及涂料品种和使用环境方面，综合考虑后作出选择。选用的涂料、涂装遍数、涂层厚度均应满足设计规定，当设计对涂层厚度无规定，宜涂装4～5遍；涂层干漆膜总厚度：室外为150μm，室内为125μm，其允许偏差-25μm。涂装工程由工厂和安装单位共同承担时，每遍涂层干漆膜厚度的允许误差为-5μm。3）为了现场安装方便，在构件组装成型之后，用油漆在明显之处按施工图标注构件的编号。此外，为了方便运送和安装，对重大构件还要标明重量和起吊位置。6.2钢结构的拼装与连接6．2．1工厂拼装由于受运送吊装等条件的限制，有时构件要提成两段或若干段出厂，为了保证安装的顺利进行，应根据构件或结构的复杂限度，或者设计另有规定期，应由建设单位在协议中另行委托制作单位在出厂前进行预拼装；除管结构为立体预拼装，并可设卡、夹具外，其他结构一般均为平面预拼装。分段构件预拼装或构件与构件的总体拼装，如为螺栓连接，在预拼装时，所有节点连接板均应装上，除检查各部位尺寸外，还应用试孔器检查板叠孔的通过率。6．2．2焊接施工方法1、钢构件焊接连接的基本规定（1）施工单位对初次采用的钢材、焊接材料、焊接方法、焊后热解决等，应按国家现行的《建筑钢结构焊接规程》和《钢制压力容器焊接工艺评估》的规定进行焊接工艺评估，并拟定出焊接工艺。以保证焊接接头的力学性能达成设计规定。（2）焊工要通过考试并取得合格证后方可从事焊接工作，焊工应遵守焊接工艺，不得自由施焊及在焊道外的母材上引弧。（3）所使用的焊丝、焊条、焊钉、焊剂应符合规范规定。（4）安装定位焊缝焊点数量、高度、长度需考虑工地安装的特点规定，通过计算拟定。2、焊接接头钢结构的焊接接头按焊接方法分为熔化焊接头和电渣焊接头。在手工电弧焊中，熔化焊接头根据焊件厚度、使用条件、结构形状的不同又分为对接接头、角接接头、T形接头和搭接接头等形式。对厚度较厚的构件通常要先开坡口再施焊，使根部能焊透，以提高焊接质量，同时获得较好的焊缝形态。焊接接头形式见表6－2。焊缝接头形式表6－2序号名称图示接头形式特点1对焊接头不开坡口V、X、U形坡口应力集中较小，有较高的承载力2角焊接头不开坡口合用厚度在8mm以下V、K形坡口合用厚度在8mm以下卷边合用厚度在2mm以下3T形接头不开坡口合用厚度在30mm以下的不受力构件V、K形坡口合用厚度在30mm以上的只承受较小剪应力构件4搭接接头不开坡口合用厚度在12mm以下钢板塞焊合用双层钢板的焊接3、焊缝形式焊接形式按施焊的空间位置可分为：平焊、横焊、立焊及仰焊四种(图6－6)。平焊的熔滴靠自重过渡，操作简便，质量稳定；横焊因熔化金属易下滴，而使焊缝上侧产生咬边，下侧产生焊瘤或未焊透等缺陷；立焊成缝较为困难，易产生咬边、焊瘤、夹渣、表面不平等缺陷；仰焊必须保持最短的弧长，因此常出现未焊透、凹陷等质量缺陷。图6－6各种位置焊缝形式示意图（a）平焊；（b）横焊；（c）立焊；（d）仰焊焊缝形式按结合形式分为：对接焊缝、角接焊缝和塞焊缝三种(图6－7)。对接焊缝重要尺寸有：焊缝有效高度S、焊缝宽度c、余高h。角焊缝重要以高度K表达，塞焊缝则以熔柱直径d表达。图6－7焊缝形式（a）对接焊缝；（b）角接焊缝；（c）塞焊缝4、焊接工艺参数手工电弧焊的焊接工艺参数重要涉及焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接层数、电源种类和极性等。1）焊条直径焊条直径的选择重要取决于焊件厚度、接头形式、焊缝位置和焊接层次等因素。在通常情况下，可根据表6-3按焊件厚度选择焊条直径，并倾向于选择较大直径的焊条。此外，在平焊时，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。焊条直径的选择（mm）表6－3焊件厚度≤23~45~12＞12焊条直径23.24~5≥152）焊接电流焊接电流的拟定与焊条的类型、直径、焊件厚度、接头形式、焊缝位置等因素有关，在一般钢结构焊接中，可根据电流大小与焊条直径的关系按经验公式进行平焊试选：I＝10d2(6—1)式中：I——焊接电流(A)；d——焊条直径(mm)。当采用立焊时，焊接电流则比平焊焊接电流减小15％~20％，而采用横焊和仰焊焊接电流则应比平焊焊接电流减小l0％~15％。3)电弧电压电弧电压由焊接电流拟定。此外，电弧电压还与电弧长度有关。电弧长则电弧电压高，电弧短则电弧电压低。通常规定电弧长度小于或等于焊条直径，即短弧焊。在使用酸性焊条焊接时，为了预热部位或减少熔池温度，有时也将电弧稍微拉长进行焊接，即所谓的长弧焊。4)焊接层数焊接层数与焊件的厚度有关。除薄板外，通常采用多层焊。焊接层数过少，每层焊缝的厚度过大，对焊缝金属的塑性有不利的影响。施工中每层焊缝的厚度不应大于4～5mm。5)电源种类及极性直流电源由于电弧稳定，飞溅小，焊接质量好，通常用在重要的焊接结构或厚板大刚度结构上。其他情况下，应一方面考虑交流电焊机。根据焊条的形式和焊接特点的不同，运用电弧中的阳极温度比阴极高的特点，选用不同的极性来焊接各种不同的构件。用碱性焊条或焊接薄板时，采用直流反接(工件接负极)；而用酸性焊条时，通常采用正接(工件接正极)。5、运条方法钢结构焊接时焊条有三种运动方式：焊条沿其中心线送进，以免发生断弧；焊条沿焊缝方向移动，移动速度的大小应根据焊条直径、焊接电流、焊件厚度、焊缝装配情况及其位置拟定，移动速度要适中；焊条做横向摆动，以便获得需要的焊缝宽度，焊缝宽度一般为焊条直径的1.5倍。6、焊缝的后解决焊接工作结束后，应做好清除焊缝飞溅物、焊渣、焊瘤等。无特殊规定期，应根据焊接接头的残余应力、组织状态、熔敷金属含氢量和力学性能决定是否需要焊后热解决。6.2.3螺栓连接施工6.2.3.1普通螺栓连接1、普通螺栓的种类和用途普通螺栓是常用作钢结构中的构件连接固定、或钢结构与基础的连接固定的紧固件之一。常用的类型有六角螺栓、双头螺栓和地脚螺栓等。1）六角螺栓按其头部支承面大小及安装位置尺寸分大六角头和六角头两种；按制造质量和产品等级则分为A，B，C三种。A级螺栓又称精制螺栓，B级螺栓又称半精制螺栓。A、B级螺栓合用于拆装式结构或连接部位需传递较大剪力的重要结构的安装中。C级螺栓又称粗制螺栓，合用于钢结构安装的临时固定。2）双头螺栓多用于连接厚板和不便使用六角螺栓连接处，如混凝土屋架、屋面梁悬挂吊件等。3）地脚螺栓一般有直角地脚螺栓、锤头螺栓和锚固地脚螺栓等型式。一般情况下地脚螺栓和直角地脚螺栓预埋在结构基础中用以固定钢柱；锤头螺栓是基础螺栓的一种特殊形式，在浇筑基础混凝土时将特制模箱(锚固板)预埋在基础内，用以固定钢柱；锚固地脚螺栓是在已形成的混凝土基础上经钻机制孔后，再浇筑固定的一种地脚螺栓。地脚螺栓预埋照片地脚螺栓固定钢柱照片2、普通螺栓的施工1）连接规定普通螺栓连接规定：①永久螺栓的螺栓头和螺母的下面应放置平垫圈，螺母下的垫圈不应多于2个，螺栓头下的垫圈不应多于1个；②螺栓头和螺母应与结构构件的表面及垫圈密贴；③对于倾斜面的螺栓连接，应采用斜垫片垫平，使螺母和螺栓的头部支承面垂直于螺杆，避免紧固螺栓时螺杆受到弯曲力；④永久螺栓和锚固螺栓的螺母应根据施工图纸中的设计规定，采用有放松装置的螺母或弹簧垫圈；⑤对于动荷载或重要部位的螺栓连接，应在螺母下面按设计规定放置弹簧垫圈；⑥连接时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；⑦使用螺栓等级和材质应符合施工图纸的规定。2）螺栓长度拟定连接螺栓的长度按下式拟定：(6—2)式中——连接板约束厚度(mm)；H——螺母高度(mm)；n——垫圈个数(mm)；h——垫圈厚度(个)；C——螺杆余长(5～10mm)。3）紧固轴力螺栓紧固时必须从中心开始，对称施拧，使螺栓受力均匀，减少连接件变形对紧固轴力的影响，保证各节点连接螺栓的质量。其紧固轴力不应超过相应规定。永久螺栓拧紧质量检查采用锤敲或用力矩扳手检查，规定螺栓不颤头和偏移，拧紧限度用塞尺检查，对接表面高差(不平度)不应超过0.5mm。梁与柱节点连接照片梁与梁节点连接照片6.2.3.2高强度螺栓连接1、高强螺栓的种类高强度螺栓是用优质碳素钢或低合金钢材料制作而成的，具有强度高，施工方便、安装速度快、受力性能好、安全可靠等特点，已广泛地应用于大跨度结构、工业厂房、桥梁结构、高层钢框架结构等的钢结构工程中。常用的类型有六角头高强度螺栓和扭剪型高强度螺栓。六角头高强度螺栓为粗牙普通螺纹，有8.8s和10.9s两种等级。一个六角头高强度螺栓连接由一个螺栓、一个螺母和两个垫圈组成。高强度螺栓连接应同批制造，保证扭矩系数稳定，同批连接扭矩系数平均值为0．110～0．150，其扭矩系数标准偏差应不大于0.010。扭矩系数可按下式计算：K＝T／(P•d)(6—3)式中K——扭矩系数；T——施加扭矩(N•m)；P——高强度螺栓预拉力(kN)；d——高强度螺栓公称直径(mm)。10.9s、8.8s级六角头高强度螺栓连接副扭矩系数实验时，螺栓预拉力应符合表6-4六角头高强度螺栓预拉力值范围表6-4螺栓规格（mm）M16M20M22M24M27M30预拉力值（kN）10.9s93~113142~117175~215206~250265~324325~3908.8s62~78100~120125~150140~170185~225230~275注：10.9s、8.8s为螺母的性能等级。扭剪型高强度螺栓连接副由一个螺栓、一个螺母和一个垫圈组成，它合用于摩擦型连接的钢结构。复验螺栓连接副的预拉力平均值和标准差应符合表6－5规定。扭剪型高强度螺栓连接副紧固预拉力和标准差（kN）表6－5螺栓直径（mm）16202224紧固预拉力的平均值（kN）99~120154~186191~231222~270标准差σp10.115.719.522.72、高强度螺栓的施工高强度螺栓连接副是按出厂批号包装供货和提供产品质量证明书的，因此在储存、运送、施工过程中，应严格按批号存放、使用。不同批号的螺栓、螺母、垫圈不得混杂使用。高强度螺栓连接副的表面经特殊解决，在施拧前要保持原状，以免扭矩系数和标准偏差或紧固轴力、变异系数发生变化。为保证高强度螺栓连接副的施工质量，对进场的高强度螺栓进行取样复验。复验方法：高强度大六角头螺栓连接副每批号随机抽8套，复验扭矩系数和标准偏差；扭剪型高强度螺栓连接副每批号随机抽5套，复验紧固轴力和变异系数。高强度螺栓的拧紧分为初拧和终拧两步进行，可减小先拧与后拧的高强度螺栓预拉力的差别。对大型节点应分为初拧、复拧和终拧三步进行，增长复拧是为了减少初拧后过大的螺栓预拉力损失，施工时应从螺栓群中央顺序向外拧，即从节点中刚度大的中央按顺序向不受约束的边沿施拧，防止连接板变形并保证被连接板叠紧密贴，同时，当天安装的螺栓，要在当天终拧完毕，防止螺纹被沾污和生锈，引起扭矩系数值发生变化。扭剪型高强度螺栓的初拧扭矩按下列公式计算：(6—4)式中——初拧扭矩(N•m)；——施工预拉力(kN)，见表6-6；——高强度螺栓螺纹直径(mm)。高强度螺栓连接副施工预拉力标准值（kN）表6-6螺栓的性能等级螺栓公称直径（mm）M16M20M22M24M27M308.8s7512015017022527510.9s110170210250320390扭剪型高强度螺栓连接副没有终拧扭矩规定，其终拧是采用专用扳手拧掉螺栓尾部梅花头。若个别部位的螺栓无法使用专用扳手，则按直径相同的高强度大六角头螺栓采用扭矩