第七章 钢结构工程 钢结构是用钢板、型钢和圆钢等通过焊接、铆接、螺栓 ...

第七章钢结构工程
钢结构是用钢板、型钢和圆钢等通过焊接、铆接、螺栓连接等方式组装而成的结构。

与其他结构比较，钢结构具有强度高、塑性和韧性、匀质性和同向性都比较好；结构的重量轻；焊接构造简单、加工方便；施工周期短和精度高等特点，因而在建筑、桥梁等土木工程中被广泛采用。

§7-1 钢结构加工制作工艺
一、钢结构的加工制作
（一）加工制作前的准备工作
1.加工制作图;
2.加工制作前的施工条件分析;
3.钢卷尺：同一把尺;
4.上岗培训、操作考核、技术交底
二、钢结构加工制作的工艺程序
1、放样
放样是钢结构制作工艺中的第一道工序，其工作的准确与否将直接影响到整个产品的质量，至关重要。

为了提高放样和号料的精度和效率，有条件时，应采用计算机辅助设计。

（1）放样工作包括如下内容：
①核对图纸的安装尺寸和孔距；
②以1:1的大样放出节点；
③核对各部分的尺寸；
④制作样板和样杆作为下料、弯制、铣、刨、制孔等加工的依据。

（2）放样时以1:1的比例在样板台上弹出大样。

放样弹出的十字基准线，二线必须垂直。

然后据此十字线逐一划出其他各个点及线，并在节点旁注上尺寸，以备复查及检验。

（3）样板（或样杆）上应注明工号、图号、零件号、数量及加工边、坡口部位、弯折线和弯折方向、孔径和滚圆半径等。

（4）样板一般分为四种类型，号孔样板、卡型样板、成型样板及号料样板。

号孔样板专用于号孔；卡型样板卡型样板分为内卡型样板和外卡型样板两种，是用于煨曲或检查构件弯曲形状的样板；成型样板用于煨曲或检查弯曲件平面形状；号料样板是供号料或号料同时号孔的样板。

（5）放样时，铣、刨的工件要所有加工边均考虑加工余量，焊接构件要按工艺要求放出焊接收缩量。

2、号料
（1）号料（也称划线），即利用样板、样杆或根据图纸，在板料及型钢上画出孔的位置和零件形状的加工界线。

（2）号料的一般工作内容包括：
①检查核对材料；
②在材料上划出切割、铣、刨、弯曲、钻孔等加工位置，打冲孔，标注出零件的编号等。

（3）号料一般先根据料单检查清点样板和样杆、点清号料数量、准备号料的工具、检查号料的钢材规格和质量，然后依据先大后小的原则依次号料，并注明接头处的字母、焊缝代号。

号料完毕，应在样板、样杆上注明并记下实际数量。

（4）常采用以下几种号料方法：①集中号料法②套料法③统计计算法④余料统一号料法
3、切割下料
目的就是将放样和号料的零件形状从原材料上进行下料分离。

钢材的切割可以通过切削、冲剪、摩擦机械力和热切割来实现。

常用的切割方法有：机械剪切、气割和等离子切割三种方法。

（1）气割法是利用氧气与可燃气体混合产生的预热火焰加热金属表面达到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。

除手工切割外常用的机械有火车式半自动气割机、特型气割机等。

这种切割方法设备灵活、费用低廉、精度高，是目前使用最广泛的切割方法，能够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。

（2）机械切割法可利用上、下两剪刀的相对运动来切断钢材，或利用锯片的切削运动把钢材分离，或利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12 mm，剪切面应平整。

（3）等离子切割法是利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
完成切割，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。

4、坡口加工
在钢结构加工中一般需要边缘加工，除图纸要求外，在梁翼缘板、支座支承面、焊接坡口及尺寸要求严格的加劲板、隔板、腹板和有孔眼的节点板等部位应进行边缘加工。

常用的边缘加工方法主要有：铲边、刨边、铣边、碳弧气刨、气割和坡口机加工等。

5、开孔
在钢结构制孔中包括铆钉孔、普通螺栓连接孔、高强度螺栓孔、地脚螺栓孔等，制孔方法通常有冲孔和钻孔两种。

（ 1 ）钻孔
钻孔是钢结构制造中普遍采用的方法，能用于几乎任何规格的钢板、型钢的孔加工。

钻孔的加工方法分为划线钻孔、钻模钻孔和数控钻孔。

划线钻孔在钻孔前先在构件上划出孔的中心和直径，并在孔中心打样冲眼，作为钻孔时钻头定心用；在孔的圆周上（90°位置）打四只冲眼，作钻孔后检查用。

划线工具一般用划针和钢尺。

当钻孔批量大、孔距精度要求较高时，应采用钻模钻孔。

钻模有通用型、组合式和专用钻模，图6-6是一种节点板的钻模示意图。

a）钻模；b）钻套
节点板钻模
数控钻孔是近年来发展的新技术，它无需在工件上划线，打样冲眼。

加工过程自动化，高速数控定位、钻头行程数字控制。

钻孔效率高、精度高，它是今后钢结构加工的发展方向。

（ 2 ）冲孔
冲孔是在冲孔机（冲床）上进行，一般适用于非圆孔。

也可用于较薄的钢板和型钢上冲孔，单孔径一般不小于钢材的厚度，此外，还可用于不重要的节点板、垫板和角钢拉撑等小件加工。

冲孔生产效率较高，但由于孔的周围产生冷作硬化，孔壁质量较差，有孔口下塌、
孔的下方增大的倾向，所以，一般用于对质量要求不高的孔以及预制孔（非成品孔），在钢结构主构件中较少直接采用。

6、钢结构的组装
二、钢结构构件的验收、运输、堆放
1、钢结构的验收
2、钢结构的运输
3、钢结构的堆放
§7-2 钢结构构件的焊接
一、钢结构构件常用的焊接方法
焊接结构根据对象和用途大致可分为建筑焊接结构、贮罐和容器焊接结构、管道焊接结构、导电性焊接结构。

主要焊接方法：
①手工电弧焊、
②气体保护焊、
③自保护电弧焊、
④埋弧焊、
⑤螺柱焊、
⑥点焊
a）手工电弧焊；b）自动电弧焊
电弧焊
1—电源；2—导线；3—夹具；4—焊条；5—电弧；6—焊件；
7—焊缝；8—转盘；9—漏斗；10——熔剂；11熔化的熔剂；12—移动方向
二、质量检查
1.焊前检验
2.焊接生产中的检验：无损检验（外观检查、致密性检验、无损探伤）、破坏性检验
3.成品检验
§7-3紧固件连接工程
螺栓作为钢结构连接紧固件，通常用于构件间的连接、固定、定位等。

钢结构中的连接螺栓一般分普通螺栓和高强度螺栓两种。

普通螺栓或高强度螺栓而不施加紧固力，该连接即为普通螺栓连接；高强度螺栓并对螺栓施加紧固力，该连接称高强度螺栓连接。

一、普通螺栓连接
钢结构普通螺栓连接即将普通螺栓、螺母、垫圈机械地和连接件连接在一起形成的一种连接形式。

普通螺栓的施工要求：
（1）连接要求
普通螺栓在连接时应符合下列要求：
①永久螺栓的螺栓头和螺母的下面应放置平垫圈。

垫置在螺母下面的垫圈不应多于2个，垫置在螺栓头部下面的垫圈不应多于1个。

②螺栓头和螺母应与结构构件的表面及垫圈密贴。

③对于槽钢和工字钢翼缘之类倾斜面的螺栓连接，则应放置斜垫片垫平，以使螺母和螺栓的头部支承面垂直于螺杆，避免螺栓紧固时螺杆受到弯曲力。

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，采用有防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，应在螺母的下面按设计要求放置弹簧垫圈。

⑥各种螺栓连接，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。

（2）直径和长度选择
①螺栓直径的确定原则上应由设计人员按等强度原则计算确定，但对某一工程来讲，直径规格应该尽可能少。

②长度指螺栓螺头内侧面到螺杆端头的长度，一般以5mm进制。

影响螺栓长度的因素主要有：被连接件厚度、螺母高度、垫圈的数量及厚度。

③螺栓布置：并列排列和交错排列，间距确定既要考虑连接效果又要考虑螺栓的施工。

（3）螺栓紧固
普通螺栓连接对螺栓紧固轴力没有要求，因此螺栓的紧固施工以操作者的手感及连接接头的外形控制为准。

为了使连接接头中螺栓受力均匀，螺栓的紧固次序应从中间开始，对称向两边进行；对大型接头应采用复拧，即两次紧固方法，保证接头内各个螺栓能均匀受力。

普通螺栓连接螺栓紧固检验比较简单，一般采用锤击法。

用质量为3kg的小锤，一手扶螺栓（或螺母）头，另一手用锤敲，要求螺栓头（螺母）不偏移、不颤动、不松动，锤声比较干脆，否则说明螺栓紧固质量不好，需要重新紧固施工。

二、高强螺栓连接
1、高强度螺栓连接已经发展成为与焊接并举的钢结构主要连接形式之一，它具有受力性能好、耐疲劳、抗震性能好、连接刚度高，施工简便等优点，被广泛地应用在建筑钢结构和桥梁钢结构的工地连接中。

2、高强度螺栓连接按其受力状况，可分为摩擦型连接、摩擦-承压型连接、承压型连接和张拉型连接等几种类型，其中摩擦型连接是目前广泛采用的基本连接形式。

3、摩擦型连接接头处用高强度螺栓紧固，使连接板层夹紧，利用由此产生于连接板层之间接触面间的摩擦力来传递外荷载。

高强度螺栓在连接接头中不受剪，只受拉并由此给连接件之间施加了接触压力，这种连接应力传递圆滑，接头刚性好，通常所指的高强度螺栓连接，就是这种摩擦型连接，其极限破坏状态即为连接接头滑
4、承压型高强度螺栓连接接头，当外力超过摩擦阻力后，接头发生明显的滑移高强度螺栓杆与连接板孔壁接触并受力，这时外力靠连接接触面间的摩擦力、螺栓杆剪切及连接板孔壁承压三方共同传递，其极限破坏状态为螺栓剪断或连接板承压破坏，该种连接承载力高，可以利用螺栓和连接板的极限破坏强度，经济性能好，但连接变形大，可应用在非重要的构件连接中。

（1）高强度六角头螺栓
钢结构用高强度大六角头螺栓，分为8.8和10.9两种等级，一个连接副为一个螺栓、一个螺母和两个垫圈。

高强度螺栓连接副应同批制造，保证扭矩系数稳定，同批连接副扭矩系数平均值为0.110~0.150，其扭矩系数标准偏差应不大于0.010。

（2）扭剪型高强度螺栓
钢结构用扭剪型高强度螺栓一个螺栓连接副为一个螺栓、一个螺母和一个垫圈，它适用于摩擦型连接的钢结构。

5、高强度螺栓施工只要包括以下几个方面：
（1）施工的机具
a．手动扭矩扳手
各种高强度螺栓在施工中以手动紧固时，都要使用有示明扭矩值的扳手施拧，使达到高强度螺栓连接副规定的扭矩和剪力值。

一般常用的手动扭矩扳手有指针式、音响式和扭剪型三种。

b.扭剪型手动扳手
这是一种紧固扭剪型高强度螺栓使用的手动力矩扳手。

配合扳手紧固螺栓的套筒，设有内套筒弹簧、内套筒和外套筒。

这种扳手靠螺栓尾部的卡头得到紧固反力，使紧固的螺栓不会同时转动。

内套筒可根据所紧固的扭剪型高强度螺栓直径而更换相适应的规格。

紧固完毕后，扭剪型高强度螺栓卡头在颈部被剪断，所施加的扭矩可以视为合格。

c．电动扳手
钢结构用高强度大六角头螺栓紧固时用的电动扳手有：NR-9000A，NR-12和双重绝缘定扭矩、定转角电动扳手等，是拆卸和安装六角高强度螺栓机械化工具，可以自动控制扭矩和转角，适用于钢结构桥梁、厂房建设、化工、发电设备安装大六角头高强度螺栓施工的初拧、终拧和扭剪型高强度螺栓的初拧，以及对螺栓紧固件的扭矩或轴力有严格要求的场合。

（2）高强度螺栓的施工
a．大六角头高强度螺栓
（a）扭矩法施工
在采用扭矩法终拧前，应首先进行初拧，对螺栓多的大接头，还需进行复拧。

初拧的目的就是使连接接触面密贴，一般常用规格螺栓（M20、M22、M24）的初拧扭矩在200~300N·m，螺栓轴力达到10~50kN即可。

初拧、复拧及终拧一般都应从中间向两边或四周对称进行，初拧和终拧的螺栓都应做不同的标记，避免漏拧、超拧等不安全隐患，同时也便于检查人员检查紧固质量。

（b）转角法施工
转角法就是利用螺母旋转角度以控制螺杆弹性伸长量来控制螺栓轴向力的方法。

采用转角法施工可避免较大的误差。

转角法施工分初拧和终拧两步进行（必要时需增加复拧），初拧的要求比扭矩法施工要严，因为起初连接板间隙的影响，螺母的转角大都消耗于板缝，转角与螺栓轴力关系不稳定。

初拧的目的是为消除板缝影响，使终拧具有一致的基础。

转角法施工在我国已有30多年的历史，但对初拧扭矩尚没有一定的标准，各个工程根据具体情况确定，一般地讲，对于常用螺栓（M20、M22、M24），初拧扭矩定在200~300N·m比较合适，初拧应该使连接板缝密贴
为准。

终拧是在初拧的基础上，再将螺母拧转一定的角度，使螺栓轴向力达到施工预拉力。

b．扭剪型高强度螺栓
扭剪型高强度螺栓连接副紧固施工比大六角头高强度螺栓连接副紧固施工要简便得多，正常的情况采用专用的电动扳手进行终拧，梅花头拧掉标志着螺栓终拧的结束。

§7-4 单层钢结构安装工程
钢结构单层工业厂房一般由柱、柱间支撑、吊车梁、制动梁（桁架）屋架、天窗架、上下支撑、檩条及墙体骨架等构件组成。

柱基通常采用钢筋混凝土阶梯或独立基础。

一、安装前的准备工作
（1）核对进场资料、质量证明、设计变更、图纸等技术资料
（2）落实深化施工组织设计，做好起吊前的准备工作
（3）掌握安装前后的外界环境，如风力、温度、风雪、日照等
（4）图纸的会审和自审
（5）基础验收
（6）垫板设置
（7）灌筑砂浆采用无收缩微膨胀砂浆，且比基础砼高一个等级
二、钢柱子安装
（1）设置标高观测点和中心线标志，标高观测点的设置应与牛腿支承面为基准，且便于观察，无牛腿柱应以柱顶端与桁架连接的最后一个安装孔中心为基准。

（2）中心线标志应符合相应规定
（3）多节柱安装时，宜将柱组装后再整体吊装。

（4）钢柱吊装后应进行调整，如温差、阳光侧面照射等引起的偏差
（5）柱子安装后允许偏差应符合相应规定
（6）屋架、吊车梁安装后，进行总体调整，然后再进行固定连接。

（7）长细比较大的柱子，吊装后应增加临时固定措施。

（8）柱间支撑应在柱子找正后再进行安装。

三、吊车梁的安装
（1）应在柱子第一次校正的柱间支撑安装后进行，安装顺序从有柱间支撑的跨间开始，吊装后的吊车梁应进行临时固定。

（2）吊车梁的校正应在屋面系统构件安装并永久连接后进行，其允许偏差应符合相应规定。

（3）其标高的校正可通过调整柱底板下垫板厚度进行。

（4）吊车梁下翼缘与柱牛腿的连接应符合相应规定。

（5）吊车梁与辅助桁架的安装宜采用拼装后整体吊装，其侧向弯曲、扭曲和垂直度应
符合规定。

四、吊车轨道安装
1、吊车轨道的安装应在吊车梁安装符合规定后进行
2、倒车轨道的规格和技术条件应符合设计要求和国家有关标准的规定
3、在吊车梁顶面上弹放墨线的安装基准线
4、轨道接头采用鱼尾板连接时腰符合相关要求
5、轨道端头与车挡之间的间隙应符合要求
五、屋面系统结构安装
1、安装应在柱子校正符合规定后进行
六、维护系统结构安装
墙面檩条等构件安装应在主题结构调整定位后进行。

七、平台、梯子及栏杆的安装
§7-5 多层及高层钢结构安装工程
用于钢结构高层建筑的体系有：框架结构、框架-剪力墙结构、框筒结构、组合筒体系及交错钢桁架体系等。

钢结构具有强度高、抗震性能好、施工速度快的优点，所以在高层建筑中得到广泛应用。

但同时对钢量大、造价高、防火要求高。

一、安装前的准备工作
（1）检查并标注定位轴线及标高的位置
（2）检查钢柱基础，包括基础的中心线、标高、地角螺栓等
（3）确定流水方向，划分施工段
（4）安排钢构件在现场的堆放位置
（5）选择起重机械
（6）选择吊装方法：分件吊装、综合吊装等
（7）轴线、标高、螺栓允许偏差应符合相应规定。

二、安装与校正
（一）钢柱的吊装与校正
1.钢柱吊装：选用双机抬吊（递送法）或单机抬吊（旋转法），并做好保护。

2.钢柱校正：对垂直度、轴线、牛腿面标高进行初验，柱间间距用液压千斤顶与钢楔
或倒链与钢丝绳校正。

3.柱底灌浆：先在柱脚四周立模板、将基础上表面清除干净，用高强聚合砂浆从一侧
自由灌入至密实。

（二）钢梁的吊装与校正
钢梁吊装前，应于柱子牛腿处检查标高和柱子间距，并应在梁上装好扶手和扶手绳，以便待主梁吊装就位后，将扶手绳与钢柱系牢，以保证施工人员的安全。

钢梁一般可在钢梁的翼缘处开孔为吊点，其位置取决于钢梁的跨度。

为减少高空作业，保证质量，并加快吊装进度，可将梁、柱在地面组装成排架后进行整体吊装。

要反复校正，符合要求。

三、构件间的连接
钢柱间的连接常采用坡口焊连接，主梁与钢柱的连接一般上、下翼缘用坡口焊连接，而腹板用高强螺栓连。

次梁与主梁的连接基本上是在腹板处用高强螺栓连接，少量再在上、下翼缘处用坡口焊连接。

柱与梁的焊接顺序，先焊接顶部柱、梁节点，再焊接底部柱、梁结点，最后焊接中间部分的柱、梁节点。

高强螺栓连接两个连接构件的紧固顺序是：先主要构件，后次要构件。

工字形构件的紧固顺序是：上翼缘、下翼缘、腹板。

同一节柱上各梁柱节点的紧固顺序：柱子上部的梁柱节点、柱子下部的梁柱节点、柱子中部的梁柱节点。

§7-6 钢网架结构安装工程
网架结构是由多根杆件按照一定的规律布置，通过结点连接而成的网格状杆系结构。

具有空间受力特点
网架结构的整体性好，能有效地承受各种非对称荷载、集中荷载、动力荷载。

其构件和节点可定型化，适用于工厂成批生产，现场拼装。

网架结构安装方法：高空拼装法、整体安装法、高空滑移法
一、高空拼装法
先在地面上搭设拼装支架，然后用起重机把网架构件分件或分块吊至空中的设计位置，
在支架上进行拼装的方法。

网架的总的拼装顺序是从建筑物的一端开始向另一端以两个三角形同时推进，待两个三角形相反后，则按人字形逐渐向前推进，最后在另一端的正中闭合。

每榀块体的安装顺序，在开始的两个三角形部分是由屋脊部分开始分别向两边拼装，两个三角形相交后，则由交点开始同时向两边推进。

二、整体安装法
1.多机抬吊法
准备工作简单，安装快速方便，适用于跨度40m左右、高度在25m左右的中小型网架屋盖吊装。

2.提升机提升法
在结构柱上安装升板工程用的电动穿心式提升机，将地面正位拼装的网架直接整体提升到柱顶横梁就位。

本方法不需大型吊装设备，机具和安装工艺简单，提升平稳，劳动强度底，工效高，施工安全，但准备工作量大。

适用于跨度50~70m左右、高度在40m以上、重复较大的大、中型周边支承网架屋盖吊装。

3.桅杆提升法
网架在地面错位拼装，用多根独脚桅杆将其整体提升到柱顶以上，然后进行空中旋转和移位，落下就位安装，本法起重量大，可达1000~2000kN，桅杆高度可达50~60m，但所需设备数量大、准备工作的操作较复杂，适用于安装高、重、大（跨度80~100m）的大型网架屋盖吊装。

4.千斤顶顶升法
是利用支承结构和千斤顶将网架整体顶升到设计位置。

其设备简单，不用大型吊装设备；顶升支承结构可利用永久性支承，拼装网架不需要搭设拼装支架，可节省费用，降低施工成本，操作简便安全。

但顶升速度较慢，且对结构顶升的误差控制要求严格，以防失稳。

适用于安装多支点支承的各种四角锥网架屋盖。

三、高空滑移法
不需大型设备；可与室内其他工种作业平等进行，缩短总工期；用工省，减少高空作业；施工速度快。

适用于场地狭小或跨越其他结构、起重机无法进入网架安装区域的中小型网架。

§7-7 钢结构涂装工程
一、钢结构防腐涂料涂装
（一）钢结构表面处理
1、防锈及旧漆层：除油；除旧漆层
2、除锈：
（1）手工或动力工具除锈
（2）喷射或抛射除锈
（二）涂料涂装施工
1、施工准备：开桶；搅拌；配比；熟化；稀释；过滤
2、施工环境：工作场地；环境温度；相对湿度
3、其他施工要求
二、钢结构防火涂料涂装
（一）防火层厚度确定
（二）防火涂料技术条件
（三）防火涂料施工
1、施工准备
2、施工环境条件
3、涂装施工
①厚涂型钢结构防火涂料施工
②薄涂料型钢结构防火施工。