【精】钢结构基本知识学习

1目录1前言..............................................................................................................................22钢结构基本知识..........................................................................................................23钢结构施工图的基本知识........................................................................................384钢结构制作................................................................................................................465焊接基础知识............................................................................................................636钢结构安装................................................................................................................737钢结构施工预算工程量统计..................................................................................10421前言1.1建筑钢结构的发展建筑钢结构具有自重轻、建设周期短、适应性强、外形丰富、维护方便等优点，其应用越来越广泛。从20世纪80年代以来，中国建筑钢结构得到了空前的发展，2005年，我国已成为世界上最大的产钢国和用钢国，年钢铁消耗量已突破3亿吨，而其中钢结构的产量高达1.4亿吨，包括了能源、交通及基础设施建设等的钢结构产业已成为国民经济建设的支柱。1.2建筑钢结构的主要型式工业厂房钢结构高层钢结构空间钢结构桥梁钢结构轻钢结构住宅钢结构1.3国内已建建筑钢结构示例到目前为止，我国已建成300多幢高层钢结构建筑；大跨度空间钢结构已在各种体育馆、展览中心、大剧院、候机楼、飞机库和一些工业厂房中应用；桥梁钢结构方兴未艾；钢结构住宅在我国经过近几年的深入研究和开发后，也已进入一个新的发展阶段。2钢结构基本知识2.1钢结构的基本概念钢结构是以钢铁为基材，经过机械加工组装而成的结构件。2.1.1.钢结构的特点材料的强度高，塑性和韧性好钢材和其它建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比，强度要高得多。因此，特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。钢材还具有塑性和韧性好的特点。塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂；韧性好，结构对动力荷载的适应性强。良好的吸能能力和延性还使钢结构具有优越的抗震性能。3钢结构构件断面小、自重轻；钢材的密度虽比混凝土等建筑材料大，但钢结构却比钢筋混凝土结构轻，原因是钢材的强度与密度之比要比混凝土大得多。以同样的跨度承受同样荷载，钢屋架的质量最多不过钢筋混凝土屋架的1/3至1/4，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10，为吊装提供了方便条件。钢结构制作简便，加工周期短；钢结构所用的材料单纯而且是成材，加工比较简便，并能使用机械操作。因此，大量的钢结构一般在专业化的金属结构厂做成构件，精确度较高。构件在工地拼装，可以采用安设简便的普通螺栓和高强度螺栓，有时还可以在地面拼装和焊接成较大的单元再行吊装，以缩短施工周期。小量的钢结构和轻钢屋架，也可以在现场就地制造，随即用简便机具吊装。此外，对已建成的钢结构也比较容易进行改建和加固，用螺栓连接的结构还可以根据需要进行拆迁。钢结构材质性能均匀，易于检测和控制，可靠性高；钢结构建筑易于改造，原料可重复使用，节省资源，环保资源；钢结构建筑可以实现大跨度、大空间结构；耐腐蚀性能差，涂料维护费用高；钢材耐腐蚀的性能比较差，必须对结构注意防护。这使维护费用比钢筋混凝土结构高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中，构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆，锈蚀问题并不严重。近年来出现的耐大气腐蚀的钢材具有较好的抗锈性能，已经逐步推广应用。钢材耐热但不耐火钢材长期经受100℃辐射热时，强度没有多大变化，具有一定的耐热性能，但温度达150℃以上时，就须用隔热层加以保护。钢材耐火性能差，温度升高材料强度明显降低，需外加防火涂料或外包混凝土。2.1.2.建筑钢结构的结构形式(1)单层钢结构（重型钢结构）工业厂房钢铁联合企业和重型机械制造业有许多车间属于重型厂房。所谓“重”，就是车间里吊车的起重质量大（常在100吨以上），有的作业也经常繁重（24小时运转）。）4单层工业厂房常用的结构形式是由一系列的平面承重结构用支撑构件联成空间整体。在这种结构形式中，外荷载主要由平面承重结构承担，纵向水平荷载由支撑承受和传递。平面承重结构又可有多处形式。单层厂房常用结构(2)大型空间（大跨度）钢结构平板网架结构网壳结构空间桁架或空间刚架体系悬索结构杂交结构张拉集成结构索膜结构平板网架结构5网壳结构悬索结构杂交结构6张拉集成结构索膜结构(3)高层钢结构根据高度的不同，多层、高层及超高层建筑可采用以下合适的结构形式：①刚架结构，梁和柱刚性连接形成多层多跨刚架（图a），承受水平荷载；②刚架——支撑结构，即由刚架和支撑体系（包括抗剪桁架、剪力墙和核心简）组成的结构，（图b）即为刚架—抗剪桁架结构，③框筒、筒中筒、束筒等简体结构，7图c为一束筒结构形式，④巨型结构包括巨型桁架和巨型框架（图d）。多层、高层及超高层建筑的结构形式(4)高耸结构高耸结构包括塔架和桅杆结构，如高压输电线路的塔架、广播和电视发射用的塔架和桅杆等。塔桅的主要结构形式为桅杆结构和塔架结构。塔桅结构(5)桥梁钢结构8用于桥梁的主要结构形式有如下几种：①实腹板梁式结构；②桁架式结构；③拱或刚架式结构；④拱与梁桁架的组合结构；⑤斜拉结构；⑥悬索结构。桥梁的主要结构形式(6)轻钢结构(7)住宅钢结构(8)容器和其它构筑物用钢板焊成的容器具有密封和耐高压的特点，广泛用于冶金、石油、化工企业中，包括油罐、煤气罐、高炉、热风炉等。此外，经常使用的还有皮带通廊栈桥、管道支架、钻井和采油塔架，以及海上采油平台等其它钢构筑物。2.1.3.钢结构主要部件钢结构主要构件包括柱、梁、桁架、支撑、连接件。2.1.4.钢结构部件主要连接型式钢结构构件的连接型式：焊接、铆接、螺栓连接、螺栓连接和焊接组合连接。焊接：构造简单，制造方便，易于自动化操作，不削弱构件截面，省钢，经济。缺点是产生焊接应力和焊接变形。9铆接：韧性和塑性好，传力均匀可靠，易于检查质量，缺点是费工，不经济，现已很少用。螺栓连接：拆装方便，操作简单，不需要特殊设备，常用于安装节点的连接和装拆式结构中。高强螺栓连接：受力性能好，耐疲劳好，施工简便，可拆卸，易于掌握操作方法，将逐步取代铆接。2.1.5.钢结构构件主要截面类型钢板、角钢、槽钢、工字钢、H型钢、T型钢、圆钢、方管、圆管、十字型、箱形、三角形、多边型及其组合。2.2钢结构使用的钢材2.2.1.钢材的性能力学性能——满足结构的功能要求（强度、刚度、疲劳等）工艺性能——满足加工过程的要求(1)钢材的力学性能强度——抗拉强度、屈服强度；塑性——延伸率、断面收缩率韧性——冲击吸收功钢材拉伸试件应力——应变曲线图A：比例极限；B：弹性极限；C：屈服点（上、下屈服点）；D：抗拉强度；10在比例极限（弹性极限）之前，应力与应变之间呈线性关系（虎克定律），——OB为材料为弹性变形阶段超过弹性极限后，应力与应变不再呈现线性关系，材料进入弹塑性区域，变形增加较快曲线呈锯齿形波动，出现应力不增加而变形继续发展，材料进入塑形变形阶段，在应力应变曲线中，出现上下波动阶段，其中波动的最高点为上屈服点，最低点为下屈服点（材料屈服强度）；塑形变形之后，材料内部晶粒重新进行排列，强度提高，进入应变硬化阶段，出现达到最高点D——抗拉强度，随后试件出现颈缩，试件断裂。钢结构设计的准则是以构件最大应力达到材料屈服点作为极限状态，而把钢材的极限强度视为局部应力高峰的安全储备，这样能同时满足构件的强度与刚度要求，因而对承重结构的选材，要求同时保证抗拉强度和屈服点的强度指标。低碳钢和低合金钢都有明显的屈服平台，对应的应变范围约从ε=0.15%至ε=2.5%，充分显示了良好的塑性变形能力，但在钢材的力学性能指标中，采用试件的伸长率表示塑性性能，它可直接由拉伸试件断裂后原标距长度的变化计算得到：δ5=%10000lll式中l0——试件原标距长度，现统一取用l0=5d0（d0为试件直径，圆试件）或0065.5lF（矩形截面试件，F0为原始截面面积）；l——试件拉断后的标距长度。钢材的韧性即荷载作用下钢材吸收机械能和抵抗断裂的能力，反映钢材在动力荷载下的性能。现在国内外通用以V型缺口的夏比试件在冲击试验中所耗的冲击功值衡量该材料的冲击韧性（我国过去采用U型缺口的梅氏试件），冲击功以焦耳（J）为单位，应不低于27J。冲击试验中击断试件所耗的功愈大，冲击韧性愈高，材料韧性愈好，不易脆断。钢材的冲击韧性值受温度影响很大，如图所示，存在一个由可能塑性破坏到可能脆性破坏的转变温度区（T1～T2），T1称为临界温度，T0称为转变温度。在T0以上，只有当缺口根部产生一定数量的塑性变形后才会产生脆性裂纹；在T0以下，即使塑性变形很不明显，甚至没有塑性变形也会产生脆性裂纹，脆性裂纹一旦形成，只需很少能量就可使之迅速扩展，至材料完全断裂。为了避免钢结构的低温脆断，结构使用温度需高于钢材的转变11温度。各种钢材的转变温度都不同，应由试验确定。在提供有不同负温下的冲击韧性时，通过选材已避免了脆断的风险。(2)钢材的工艺性能1).加工性能把钢材加工成所需的结构构件，需历经一系列的工序，包括有各种机加工（铣、刨、制孔），切割，冷、热矫正以及焊接等，钢材的工艺性能应满足这些工序的需要，不能在加工过程中出现钢材开裂或材质受损的现象。低碳钢和低合金钢所具备的良好的塑性在很大程度上满足了加工需要。2).冷弯性能钢材的冷弯性能是通过试件180°弯曲试验来判断的一种综合性能。钢材按原有厚度经表面加工成板状，常温下弯曲180°后，如外表面和侧面不开裂，也不起层，则认为合格；弯曲时，按钢材牌号和板厚允许有不同的弯心直径d（可在0.5～3板厚范围内变动）。冷弯性能反映钢材经一定角度冷弯后抵抗产生裂纹的能力，是钢材塑性能力及冶金质量的综合指标，一般来说，钢材的冷弯性能指标要比钢的塑性指标更难达到，因为弯曲试验中塑性变形的生成是处于受制约的状态，完全不同于拉伸试件，因此，除了反映钢材的塑性和对冷加工的适应程度12以外，还能暴露冶金缺陷（如晶粒组织、夹杂物分布及夹层等），在一定程度上还可以反映钢材的可焊性。冷弯性能是评价钢材工艺性能和力学性能以及钢材质量的一项综合指标，弯曲试验是鉴定钢材质量的一项有效措施。3).可焊性可焊性是指钢材对焊接工艺的适应能力，包括有两方面的要求：一是通过一定的焊接工艺能保证焊接接头具有良好的力学性能；二是施工过程中，选择适宜的焊接材料和焊接工艺参数后，有可能避免焊缝金属和钢材热影响区产生热（冷）裂纹的敏感性。钢材的可焊性评定可分化学成分判别和工艺试验法评定两种方法。化学成分判别即由碳当量的含量来判定钢材的可焊性，即把钢材化学成分中对焊接有显著影响的各种元素，全部折算成碳的含量。碳元素既是形成钢材强度的主要元素，也是影响可焊性的首要元素，含碳量超过一定含量的钢材甚至是不可施焊的。碳当量愈高，可焊性愈差。国际焊接