钢结构入门及设计基础知识

目录绪言第一章轻型门式刚架加工制造的基本知识第一节H型钢的制作及其设备1第二节围护系统的制作及其设备10第三节钢结构防腐处理15第四节钢结构防火处理24第二章轻型门式刚架设计的基本理论第一节结构布置和材料选用34第二节结构设计的一般原则37第三节计算模型和计算理论40第四节稳定设计的基本知识45第四节优化设计的基本知识55第三章主结构及其支撑体系第一节主刚架的设计和构造62第二节山墙刚架的设计和构造77第三节伸缩缝处刚架的构造81第四节托梁及屋面单梁设计82第五节结构支撑体系86第六节主刚架工程设计实例94第四章次结构及其连接构造第一节冷弯薄壁型钢的一般特点125第二节有效宽度法的基本概念126第三节屋面檩条的构造和计算130第四节墙面檩条的构造和计算141第五节若干问题讨论142第六节檩条计算设计实例150第七节檩条规格选用附表153第五章辅助结构系统第一节雨篷和挑檐172第二节吊车梁和牛腿173第三节楼梯和栏杆189第四节检修平台和女儿墙192第六章围护材料及其连接构造第一节金属屋面的主要类型216第二节压型钢板的构造和规格220第三节复合保温板的构造和规格224第四节金属屋面板的连接226第五节金属屋面板的设计235第六节加气混凝土屋面ALC板247第七节墙面板250第八节保温隔热256第九节门窗257第十节采光和通风258第七章连接件和密封材料第一节螺栓259第二节锚栓262第三节自攻螺丝269第四节密封带条和密封膏270第八章基础设计第一节基础设计的特点273第二节基础设计的特殊处理措施275第三节典型柱基础细部详图281第四节柱底板和锚栓283第五节基础设计实例287第九章应用实例291参考文献3071第一章轻型钢结构加工制造的基本知识轻型钢结构工程是一个系统工程，它包括设计、加工制造和施工安装三个过程；包含的具体内容有：主结构系统、次结构系统和围护系统三大方面。了解轻型钢结构各个组成部分的加工制造过程对于工程师而言是十分必要的。主结构系统包括主刚架和支撑体系。支撑体系包括水平支撑、柱间支撑和刚性系杆等部分。由于支撑体系采用的构件大多为圆钢、角钢和钢管等，构件简单、制作方便，且支撑体系节点多为标准节点，因此这部分产品大多为各公司的标准产品。本章仅从轻型钢结构的主刚架和围护系统两方面介绍轻型钢结构的加工制造；同时介绍钢结构的防腐处理和防火处理的相关知识。第一节H型钢的制作及其设备轻型钢结构的主刚架包括门式刚架和山墙抗风柱等部分。主刚架作为建筑结构的骨架，支承整个建筑结构系统，承受和传递着各类荷载。根据跨度、高度及荷载的不同，门式刚架的梁、柱一般采用变截面或等截面的实腹式焊接H型截面或轧制H型截面。变截面构件通常改变腹板的高度做成楔形形状，必要时也可改变腹板的厚度。结构构件在运输单元内一般不改变翼缘截面，邻接的运输单元可采用不同厚度和宽度的翼缘截面。因受加工设备限制，H型钢截面高度一般不能超过2m。下面将按焊接H型钢生产工艺流程的顺序介绍焊接H型钢的制作机器设备。一、板材下料切割板材下料切割的方法有：机械切割法、气割法、等离子切割法等。在钢结构制造厂中，一般情况下，钢板厚度在12～16mm以下的直线型切割，采用剪切下料。常用的剪切机械有剪板机。气割多用于带曲线的零件和厚钢板的切割。气割能切割各种厚度的钢材，设备灵活、费用经济、切割精度较高，是目前使用最广泛的切割方法。气割按切割设备可分为：手工气割、半自动气割、仿型气割、多头气割、数控气割和光电跟踪气割。焊接H型钢生产线的下料设备一般配备数控多头切割机或直条多头切割机，此类切割设备是高效率的板条切割设备，纵向割矩可根据要求配置，可一次同时加工多块板条。（见图1-2）2各类型钢以及钢管等的下料通常采用锯割。常用的锯割机械有：弓形锯、带锯、圆盘锯、摩擦锯和砂轮锯等。等离子切割主要用于熔点较高的不锈钢材料及有色金属的切割。二、板材矫正整平H型钢在组立焊接之前，先要对原材料（钢板）进行矫正、整平。常用的机械设备有板条矫平机（见图1-3）。三、H型组立、焊接矫平的钢板（翼缘板、腹板）进入H型钢自动组立机，在组立生产线上，将未焊接的翼缘板和腹板先工作组立器具定位好，进行头部定位焊。此类设备一般都采用PLC可编程序控制器，对型钢的夹紧、对中、定位点焊及翻转实行全过程自动控制，速度快、效率高。（见图1-4）组立好的H型钢进入焊接机，H型钢生产配备的焊机一般为埋弧自动焊机，从类型上可分为门式焊接机（见图1-5）及悬臂式焊接机两种类型。焊机一般都配备有焊缝自动跟踪系统、焊剂自动输送回收系统及快速返程功能。四、H型矫正轻型钢结构构件的翼缘、腹板通常采用较薄的钢板，焊接容易产生比较大的焊接变形，且翼缘板与腹板的垂直度也有偏差，这时需要通过矫正机对焊接后的H型钢进行矫正。（见图1-6）。五、钻孔、锁口、抛丸、涂装钢结构的连接节点多采用高强螺栓，因此孔加工在钢结构制造中占有一定的比重。制孔通常有钻孔和冲孔两种方法。钻孔是钢结构制造中普遍采用的方法，几乎能用于任何规格的钢板、型钢的孔加工。钻孔的精度高，对孔壁损伤较小。冲孔一般只用于较薄钢板和非圆孔的加工且孔径不小于钢材厚度的加工。冲孔生产效率虽高，但由于孔的周围产生冷作硬化，孔壁质量差等原因，通常只用于檩条、墙梁端部长圆孔的制备。常用的边缘加工方法有：铲边、刨边、铣边、碳弧气刨、气割和坡口机加工等。H型钢端面铣床，用于焊接或轧制成型的H型钢、箱形截面梁柱的两端面铣削加工。铣边机利用滚铣切削原理，对钢板焊前的坡口、斜边、直边、U形边可一次同时铣削成形，耗能少操作维修方便。钢构件在涂刷之前应进行除锈处理，构件表面的除锈方法分为喷射、抛射除锈和手工或动力除锈。喷射、抛射除锈设备的种类很多，如图1-7抛丸机适用于各种型材和板材的表面清理。3制做好的H型钢需要防腐，即涂刷油漆。详见第三节钢结构防腐处理。图1－1给出了焊接H型钢的生产工艺流程。图1－1焊接H型钢的生产流程编号打包发运板材切割矫正、整平H型组立H型焊接（埋弧焊）H型矫正钻孔、锁口抛丸、涂装涂装检查成品检查尺寸、焊缝检查尺寸、外观检查4制作好的焊接H型钢需经检查合格后方可编号打包发运，焊接H型钢的允许偏差见表１－１。表1－1焊接H型钢的允许偏差项目允许偏差图例h500±2.0500≤h≤1000±3.0截面高度（h）h1000±4.0截面宽度（b）±3.0腹板中心偏移2.0翼缘板垂直度(Δ)b/1003.0弯曲矢高l/10005.0扭曲h/2505.0t143.0腹板局部平面度（f）t≥142.0部分H型钢的生产设备如图1-2～1－8所示。5图1－2ESAB六米数控切割机图1－3W43-24X1000板条矫平机6图1－4HG-1500组立焊图1－5ME-1-1000门型自动埋弧焊7图1－6精工-Ⅲ型矫正机图1－7美国潘邦八抛头抛丸机8在H型钢的制做过程中，板材切割下料、矫正整平，拼装点焊、焊接及焊后翼缘矫正，按常规工艺是由多台设备来完成的。将以上工序集于一身的H型钢生产线具有结构紧凑、占地省、生产效率高等优点。下面介绍两条生产线：单面焊生产线（见图1-8）和通用H型钢生产线。单面焊H型钢生产线采用低合金高强度钢板以卧式焊接机单面焊接，采用美国林肯公司的单弧双自动埋弧焊机。该生产线包含目前钢结构行业中规格最大的12m×8m大型剪板机，H型钢的腹板和翼缘板可用此剪板机一次性剪切下料，超过12mm厚的钢板采用等离子切割机进行切割。对于平整度不符合要求的钢板用9辊矫平机整平。整平后的翼缘板进入翼缘板生产线，经过对接、冲孔、切断而成为翼缘板半成品，进入焊接生产线。半成品经组立及头部定位焊后进入卧式焊接机，一次性焊接完成。通用H型钢生产线由直条火焰切割机和12m×8m剪板机将钢板切割下料成腹板和翼缘板，经组立机到门型自动埋弧焊机焊接，再经翼缘矫正机矫正后成为焊接H型钢。矫正后的H型钢通过抛丸除锈处理后，涂底漆、编号发运。图1－8美国林肯单面焊生产线钢结构的主刚架制作加工中，工作量最大的是节点的加工制作，包括节点处的开孔、端板的定位焊接、加劲板的定位焊接等工作。对梁柱上四个面都有加劲板的情况，梁柱还需要翻转焊接，构件的翻转需要采用特殊的翻转设备。翻转机如图1－9所示。9图1－9钢结构节点加工用的翻转机第二节围护系统的制作及其设备轻钢结构的围护系统包括檩条、墙梁、墙面及屋面彩板、楼面板、通风采光系统、排水系统和收边系统等。围护系统的制造是轻钢结构加工制造中技术含量最高的一部分，它直接决定了整个建筑的产品质量。下面通过相关设备来介绍围护系统的加工制造过程。一、冷弯薄壁型钢檩条的加工制造在轻型门式刚架结构中，檩条和墙梁通常采用卷边槽形（或称C型）和带斜卷边的Z型冷弯薄壁型钢。冷弯薄壁型钢一般由薄钢板通过檩条机冷弯辊压成型而成。对Z、C型冷弯薄壁型钢，钢板厚度一般为1.5～3mm，材质为Q235钢板、Q345钢板或G450高张力连续热浸镀锌钢板三种。檩条上的孔可采用冲孔。冷弯薄壁型钢檩条的制作偏差应符合表1－2。图1-11为众多檩条机中的一种。表1－2檩条尺寸的允许偏差项目符号允许偏差（mm）项目符号允许偏差（mm）截面高度h±５翼缘孔中心至腹板外缘距离A5±3翼缘高度b±５腹板横向孔中心线距离S1±1.510-２斜卷边或直卷边长度A1＋6-3腹板纵向孔中心线距离S2±1.5翼缘不平度θ１±3o两端螺栓群中心距离S3±3斜卷边角度θ２±5o檩条构件的长度l±3腹板孔中心至构件边缘距离A2±3弯曲矢高cL/500腹板孔中心至构件端部距离A3±3最小厚度t设计值t的0.95倍翼缘孔中心至构件端部距离A4±3注：符号含义见图1-10。图1－10檩条的尺寸偏差11图1－11HG-Ⅲ型檩条机二、压型金属板的制作彩色钢板建筑制品分为单层彩色压型钢板和复合夹芯板两类轻型建筑预制板材。单层彩色压型钢板和复合夹芯板的原材料普通的彩色钢板（钢带）是由金属基材经过表面处理（热镀锌、热镀锌铝合金、热镀铝及电镀锌和热镀锌合金化钢板），再在其上覆盖彩色涂层（聚酯涂料、有机硅改性聚酯涂料、聚偏氟乙烯涂料，也可无涂层）制成。彩色钢板按其基板的用途不同、镀层不同、涂层不同可分为若干类别，彩板的选择要对金属基材、镀层、涂层分别进行确定。比较高级的彩板有以铝镁合金材料为基板的铝镁板。单层彩色压型钢板的制作是采用压型机将彩钢卷通过连续完成的开卷、辊压、剪切而成的。复合夹芯板的制作是采用两层彩板做面层，中间注入液体聚氨脂(PU)、聚苯乙烯（EPS）或岩棉，再固化加压一次成型制成。这种复合板具有承力、保温、装修、防水的综合功能。成型后的压型钢板及泛水板、包角板的基板不得有裂纹；漆膜应无裂纹、剥落和擦痕等现象。表1－3为压型金属板的尺寸偏差项目。表1－3压型金属板的尺寸偏差项目项目尺寸偏差（mm）波距±2.0h≤70mm±1.5波高压型钢板h70mm±2.012压型铝板±2.0压型钢板20.0侧向弯曲在测量长度l的范围内压型铝板25.0注：（1）h为压型金属板截面高度。（2）l为测量长度，系指板长扣除两端0.5m后的实际长度（小于10m）或扣除后人选的10m长度。单层彩色钢板压型机是采用多道成型辊将彩色钢板连续冷弯成型的原理设计的。它由开卷机（架）、送料台、成型机、切断机和成品辊架五部分组成，当加工曲板时还需曲面冲压机。图1－12～1－13列出了一些彩色压型钢板的生产设备。图1－12HV-450压型机13图1－13HV-475压型机三、排水和收边系统轻型钢建筑中，天沟、落水管、包边板等的制造质量对于防水功能至关重要。很多轻型钢建筑在这些地方都存在泛水、渗水现象，其中一个重要原因就是其包边板是手工折成而不是采用机械加工的，这些对建筑的排水效果及建筑外观效果都不利，而采用折弯机折弯的收边板产品质量较好。下图的折边机可以针对一定形状的包边，适应不同的彩色压型钢板的板型，对包边板进行折弯加工。这样加工出来的包边板与彩色压型钢板贴合紧密，防水性能好。图1－14为浙江精工科技有限公司开发研制的JZW800折边机。14图1－14JZW800折边机四、通