第四节高层建筑钢结构主体施工

第四节高层建筑钢结构主体施工9．4．1钢结构材料和结构构件9．4．1．1钢的种类高层建筑钢结构用钢有普通碳素钢、普通低合金钢和热处理低合金钢三大类。大量使用的仍以普通碳素钢为主。我国目前在建筑钢结构中应用最普遍的是Q235钢。《高层建筑钢结构设计与施工规程》规定：①基于高层钢结构的重要性，把冷弯试验和冲击韧性同屈服点、抗拉强度和伸长率并列为钢材力学性能的五项基本要求。这五项指标皆合格的钢材方可采用；②对于抗震高层钢结构，钢材的强屈比应不低于1.2，对8度以上设防的钢结构，应不低于1.5；③有明显的屈服台阶，伸长率应不小于20%，应具有良好的延性和可焊性。对于钢柱，为防止厚板层状撕裂，对硫、磷含量须作进一步控制，应不大于0.04%。该规程列入的国产钢材有Q235和16M。屈服点分别为235N/mm2和345N/mm2，可用于抗震结构。其他钢号因伸长率不符合要求而未列入。国外有些钢材的性能与我国钢材类似。类似我国Q235钢的有美国的A36、日本的SM41、德国的ST37以及俄国的CT3，类似我国l6锰钢的有美国的A440、日本的SS50和SS51、德国的ST52等。采用国外进口钢材时，一定要进行化学成分和机械性能的分析和试验。9．4．1．2钢材品种在现代高层钢结构中，广泛采用经济合理的钢材截面，例如热轧H型钢、热轧圆钢管、异形钢管，以及用钢板组焊而成的各种截面，尤以后者为最多。这样，可充分利用结构的截面特征值，发挥最大的承载能力。传统的工、槽、角、扁型钢有时仍有使用，但由于其截面力学性能欠佳，己渐趋淘汰。图9.100所示是美同ASTM标准列举的几种新型钢材截面。1．热轧H型钢欧美国家称宽翼缘工字钢，日本称H型钢。与普通工字钢不同，它沿两轴方向惯性矩比较接近，截面合理，翼缘板内外侧相互平行，连接施工方便。用这种型钢做高层钢结构的框架非常适合。它可直接做梁、柱，加工量很小，而且加工过程易于机械化和自动化。在承载力相同的条件下，H型钢结构可比传统型钢组合截面节省钢材20%左右。2．焊接工字截面在高层钢结构中，用三块板焊接而成的工字形截面是采用广泛的截面形式。它在设计上有更大的灵活性，可按照设计条件选择最经济的截面尺寸，使结构性能改善。美国文献认为，采用焊接工字截面节省下来的钢材价值要大于其额外的制造费用。3．热轧方钢管这种型材用热挤压法生产，价格比较昂贵，但施工时二次加工容易，外形美观。4．离心圆钢管离心圆钢管是离心浇铸法生产的钢管，其化学成份和机械性能与卷板自动焊接钢管相同，专用于钢管混凝土结构。5．热轧T型钢这种型材一般用热轧H型钢沿腹板中线割开而成。最适用于桁架上下弦，比双角钢弦杆节省节点板，回转半径增大，桁架自重减小。有时也用于支撑结构的斜撑杆件。6．热轧厚钢板热轧厚钢板在高层钢结构中采用极广。按我国标准，厚钢板厚度为4～60mm，大于60mm的为特厚钢板。1．柱子高层钢结构钢柱的主要截面形式，有箱形断面、H形断面和十字形断面，一般都是焊接截面，热轧型钢用得不多。就结构体系而言，筒中筒结构、钢—混凝土混合结构和型钢混凝土结构多采用H型柱，其他多采用箱形柱；十字形柱则用于框架结构底部的型钢混凝土框架部分。（1）H型截面柱子H型截面，可为热轧H型钢，也可为焊接截面。柱用热轧H型钢通常为宽翼缘(如400×100mm)，它在两个轴线方向上都有相当大的抗压屈强度。H型截面可以是三块板组焊的焊接截面，也可在热轧H型钢的最大弯矩区域内加焊翼缘板，或在两侧加焊侧板形成封闭的格构式截面。(图9.101)。（2）实心和空心截面如图9.102所示。这类截面有实心方柱、焊接箱形柱、钢管柱和异形钢管柱。实心钢柱适用于荷载很大而又要求截面很小的场合。此种柱多为正方截面，四角拐圆。由于其截面很小，可获得最大楼层净面积。另外，这种柱耐火性能较好，可不做或只做很薄的防火层。焊接箱形柱为重型柱，可承受很大荷载，具有双向抗弯刚度，抗压曲长度大，截面较小。钢管柱常用于非矩形柱网，便于柱梁连接。异形管材(方钢管、长方钢管)有不同规格和壁厚。这类管材除其有利的结构件能外，用作外露钢柱形状美观。（3）组合截面如图9.103所示，这类截面形式较多，一般地说，这种截面并不经济，但它非常适合于作内隔断交叉点钢柱。2．梁和桁架高层钢结构的梁的用钢量约占结构总用钢量的65%，其中主梁约占35～40%。因比梁的布置力求合理，连接简单，规格少。以利于简化施工和节省钢材。采用最多的梁是工字截面，受力小时也可采用槽钢，受力很大时则采用箱形截面，但其连接非常复杂。截面高度相同时，轧制H型钢要比焊接工字截面便宜。对于重荷载或传递弯矩，则采用焊接箱形梁。当净空高度受到限制时，也可采用双槽钢和钢板组焊而成的截面，钢梁内部必须做防锈处理。几种钢梁如图9.104～106所示。把桁架用于高层钢结构楼盖水平构件，可做到大跨度小净空，工程管线安装方便。平行弦桁架是用钢量最小的一种水平构件，但制造比较费工费事。楼盖钢桁架一般由平行的上下弦杆和腹杆(斜撑和竖撑或只用斜撑)组成。弦杆和腹杆可采用角钢、槽钢、T型钢、H型钢、矩形和正方形截面钢管等钢材。图9.107所示是几种常用的桁架类型。9．4．1．4连接节点连接节点是钢结构中极其重要的结构部位，它把梁柱等构件连接成整体结构系统，使其获得空间刚度和稳定性，并通过它把一切荷载传递给基础。连接节点本身应有足够的强度、延性和可靠性，应能按照设计要求工作，制作和安装应当简单。连接节点，按其传力情况分为铰接、刚接和介于两者之间的半刚接。设计中主要采用前两者，半刚接采用较少。在实际工程中真正的铰接和刚接是不容易做到的，只能是接近于铰接或刚接。按连接的构件分主要有钢柱柱脚与基础的连接、柱—柱连接、柱—梁连接、柱梁—支撑连接、梁—梁连接（梁与梁对接和主梁与次梁连接）、梁—混凝土筒连接等。1．钢柱柱脚与基础的连接对于不传递弯矩的铰接柱，柱脚与基础的连接是用轻型地脚螺栓。如果柱子要传递轴力和弯矩给基础，则需有可靠的锚固措施，此时地脚螺栓则需用角钢、槽钢等锚固（图9.108）。2．柱—柱连接在高层钢结构中，柱子通常从下到上是贯通的。柱—柱连接即是把预制柱段（2～4个楼层高度）在现场垂直地对接起来。可采取螺栓连接（图9.109），也可采用焊接连接。当柱—柱为焊接连接时，需预先在柱端焊上安装耳板（图9.110），用做撤去吊钩后的临时固定，耳板用普通钢板做成，厚度应不小于10mm。节点焊缝焊到其1／3厚度时，用火焰把耳板割掉。对于H型钢柱，耳板应焊在翼缘两侧的边缘上，既有利于提高临时固定的稳定性，又有利于施焊。十字形柱与箱形柱的焊接连接示于图9.111。3．柱—梁连接在框架结构中，柱—梁连接十分关键，它是结构性能的主要决定因素。其现场连接方式分为全螺栓连接和焊接—螺栓混合连接两种。柱与梁如果设计为铰接，一般只是将梁的腹板与柱子相连，或者将梁置于柱子的牛腿上（图9.112）。这些连接只能传递剪力，不能传递弯矩。柱与梁如果设计为刚接，按刚接点的要求，接点受力后产生转动，但要求接点各杆件之间的夹角保持不变。实际上受力后刚接点必然有剪切变形，因此各杆件之间的夹角就不可能保持不变。为了减少刚接点的剪切变形，一般都尽可能加大连接部分的截面尺寸。图9.113所示为柱梁刚接的几种连接方式。其中（a）所示的连接，是把梁同预先焊在柱上的梁头相对接，梁头的翼缘和腹板在工厂预先焊在柱上。图（b）所示的连接，是通过焊在梁端部的对接板将梁上的弯矩传给柱子。对接板利用高强螺栓与柱子连接。图（c）所示是焊接连接。安装时，先用螺栓将梁与焊在柱上的连接板连接，然后在施焊，梁的上、下翼缘全焊到柱上。这种连接通常只用于厚壁型钢柱。4．梁—梁连接图9.114所示为主梁与主梁对接的三种节点型式，图9.115为主梁与次梁连接的几种节点型式。图9.116为主梁与次梁连接的立体视图，其中（a）连接只传递剪力，（c）（d）连接不仅传递剪力还同时传递弯矩。5．支撑连接支撑杆件，视其长度和受力的大小，采用较多的为双槽钢、T型钢、H型钢和箱形构件。支撑连接分中心连接和偏心连接。当偏心连接时，支撑只与上下钢梁连接，节点简单（图9.117）。而当中心连接（即支撑轴线与柱梁轴线交点相交会）时，则需在工厂把钢柱、梁头和支撑连接件预先组其中（a）为常用的栓钉锚固6．梁—混凝土筒连接这种连接，通常为铰接。预埋钢板可借助于栓钉、弯钩钢筋、钢筋环、角钢等，埋设锚固于混凝土筒壁之中，钢板应与筒壁表面齐平，见图9.119。常采用的栓钉锚固件可用作受弯受剪连接件。值得注意的是，在筒壁混凝土浇筑过程中，预埋钢板在三个方向上都会产生位移，误差较大。因此，除了在设计上充分考虑施工因素外，施工时应在模板技术、混凝土浇捣技术方面高度重视。9．4．1．5加工制造由于高层建筑钢结构的精度要求高，因此，构件的加工制造一般由专门的钢结构加工厂在工厂预制完成。整个加工制造过程有以下几个环节。1．构件的划分高层钢结构构件(主要是梁、柱)的划分，涉及到结构体系，连接节点类型，构件截面的大小，单位长度重量以及起重机合理的起重能力等诸多因素。钢柱分段原则是吊装机械不超载，又便于构件运输和堆放，并能减少现场安装工作量。柱段过长，柔性过大，不利于运输、吊装与校直；柱段过短，则吊次增多，焊接接头增多，影响施工速度。钢柱标准柱段的长度一般等于2～3个楼层高度。两个柱段的接头位置，通常选在主梁上表面以上1000～1300mm处。钢梁(包括周边梁和楼盖梁)的跨度，一般与柱网尺寸相同。2．机械加工建筑结构设计图上的尺寸数据还不能直接用于加工制造，需要加工厂根据设备、工艺条件翻制详图，然后根据详图放出大样，制作样板或样件，经确认无误后，再投入正式生产。这些工作现在可以用计算机辅助系统翻制详图，不用大样图而直接制作样板和样件，或者给出在钢板上直接划线或气割下料的信息。（1）放样和划线在钢结构制作中，放样是把零(构)件的足尺轮廓尺寸、切口、制孔圆心、折弯和机加工种类等从图纸准确地转移到样板和样件上，而样板和样件则是下料、制弯、铣、刨、制孔等加工的依据。高层钢结构的梁柱框架，在大多数情形下节点为正交，梁柱构件皆为直线构件，放样相对简单。一般只对一个标准节间或节点进行放样，而焊接梁柱则依据计算尺寸直接在钢板上划线。对于几何形状不规则的节点，则需按1：1足尺放样。样板一般用0.50～0.75mm的铁皮或塑料板制做，样件则用薄钢板或扁铁制作。放样中应特别注意的是：丈量工具必须统一，并经计量部门检定，以消除相对误差；合理预留焊接收缩与切铣等机加工的余量；钢柱的下料长度，还应增加经常作用荷载下柱轴力引起的弹性压缩量。（2）接料和矫平我国采用的钢板长度一般力6～8m，对制作大长焊接构件，需对钢板作纵向拼接。经验证明，先拼接后下料优于先下料后拼接。钢板由于运输和拼接焊接等原因产生翘曲，在划线切割前需要在专门的矫平机上进行矫平。（3）下料切割切割的方式一般采用气割和锯割。气割，即火焰切割。它借助氧气和燃料混合燃烧产生的高温，把钢材表面预热到800～900℃，然后喷吹高纯度高压氧气，使之氧化而造成割缝，把钢材切断。这种切割方法一般用于大量采用的碳素钢和低合金钢，多用于钢板裁切。其优点是可切割钢板和型钢，可切割任意厚度和轮廓线，使用方便。锯割是用专门的圆盘锯机切割钢材，适用于切断大型轧制H型钢和大型焊接截面。《高层建筑钢结构设计与施工规程》条文说明指出，大型H型钢用锯割下料，切割面一般不须再作机械加工，可大大提高生产效率，宜普遍推广使用。（4）制孔高层钢结构构件的连接螺栓孔，定位精度要求高，精制、高强螺栓孔的直径要求也高，通常采用机械钻孔，设备既可为立钻或摇臂钻，配合钻模加工，采用数控式高速多轴钻床，可确保孔位的高精度。3．焊接和拼装高层钢结构的制造，对焊接质量的要求高于其他钢结构，且厚钢板较多，新的接头型式和焊接方法的采用，都对工艺措施要求更为严格。焊接方法多采用CO2保护焊、自动埋弧焊和电渣焊。手工电弧焊则较少采用，一般仅用作焊缝打底和拼装定位点焊。典型的钢结构件的焊接主要有：工字形截面、箱形截面和十字形截面的焊接。要