第四节-高层建筑钢结构主体施工

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1、第四节 高层建筑钢结构主体施工94 1 钢结构材料和结构构件94 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 Q 235 钢。高层建筑钢结构设计与施工规程规定：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；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 ;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

2、 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 345 N/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 以与俄国的 CT3 ，类似我国 l 6 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。94 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

3、截面， 例如热轧 H 型钢、热轧圆钢管、异形钢管，以与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

4、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

5、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460mm，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 x 100mm）它在两个轴线方向

6、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

7、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3540%。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

8、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。94 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

9、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

10、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（24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 13 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

11、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

12、 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

13、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。94 1 5 加工制造由于高层建筑钢结构的精度要求高， 因此，构

14、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，涉与到结构体系，连接节 点类型， 构件截面的大小， 单位长度重量以与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 23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 10001300mm 处。钢梁（包括周边梁和楼盖梁 ）的跨度，一般与柱网尺寸相同。

15、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. 500.75mm 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 68m，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