鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本概念探討

1、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本概念探討孫晉峰(山西中方森特建筑工程設(shè)計(jì)研究院,山西太原030002摘要:文章通過對某高架橋鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆箱梁施工過程的敘述,闡述了箱梁施工的質(zhì)量控制要點(diǎn)和注意事項(xiàng)。關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);高強(qiáng)度螺栓;涂裝中圖分類號(hào):TU392.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-8136(200920-0017-03隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用日趨廣泛,這就要求設(shè)計(jì)人員必須掌握與此相關(guān)的各種知識(shí)。本文論述的幾個(gè)問題幾乎是任何一項(xiàng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都要遇到的基本問題。從表面上看這幾個(gè)問題非常簡單,然而不少設(shè)計(jì)人員在處理這幾個(gè)問題時(shí)卻把握不準(zhǔn)。究其原因,這幾個(gè)問題看起來簡單,其內(nèi)涵卻非常

2、豐富,涉及到很多非結(jié)構(gòu)專業(yè)的問題。筆者翻閱了有關(guān)資料,對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中這幾個(gè)經(jīng)常遇到的基本問題進(jìn)行論述,希望能對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者有所裨益。1鋼材的選型很多設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)說明關(guān)于鋼材的選型中往往寫道:“鋼材選用Q235-B,其抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、伸長率、碳、硫、磷極限含量,應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定,且保證其可焊性。”這種說法是不正確的。其錯(cuò)誤的原因是對我國現(xiàn)行的鋼產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不熟悉,老、舊標(biāo)準(zhǔn)相混淆。目前,我國建筑鋼材一般只用兩種,即碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼,其相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)為碳素結(jié)構(gòu)鋼(GB70088和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼(GB/T159194。以前常說的三號(hào)鋼和16M n鋼就分別屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度

3、結(jié)構(gòu)鋼。按(GB70088碳素結(jié)構(gòu)鋼分為Q195、Q215、Q225、Q235、Q275,Q235又分為A、B、C、D4個(gè)質(zhì)量等級(jí),即Q235-A D。A級(jí)鋼不做沖擊試驗(yàn),而B、C、D級(jí)則分別保證在20、0、-20時(shí)V型沖擊功不小于27J。沖擊功的大小反映了材料的韌性,在研究船舶脆斷的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)V型沖擊功在最低使用溫度下不小13.7J時(shí),船舶脆斷事故很少發(fā)生。因此,當(dāng)設(shè)計(jì)承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)時(shí)要根據(jù)環(huán)境溫度的不同情況,選用不同級(jí)別的鋼材。如果我們選用了Q235-B,那么只要它是符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品,則鋼材的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、伸長率、碳、硫、磷等化學(xué)成分,冷彎試驗(yàn)值、V 型沖擊功試驗(yàn)值都是有保證的(即以

4、前所說的5項(xiàng)保證,不必另行強(qiáng)調(diào)。因此正確的說法應(yīng)該是:“鋼材選用Q235-B,其性能應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)(GB70088的規(guī)定?！本C上所述,Q235-A是可以用于焊接承重結(jié)構(gòu)的,但不能用于低溫環(huán)境和動(dòng)荷載較大的結(jié)構(gòu)(即對材料的韌性有較高要求的結(jié)構(gòu)。這一點(diǎn)已經(jīng)為大量的工程實(shí)踐所證明。當(dāng)然,在選用Q235-A時(shí),要附加冷彎試驗(yàn)合格的保證,并且要根據(jù)質(zhì)保書核算碳當(dāng)量是否滿足要求。為可靠起見,板材的厚度一般不宜超過16mm。目前,國內(nèi)鋼材市場上Q235系列的板材和型材大都為Q235-A。如果不分場合,所有的承重結(jié)構(gòu)都選擇Q235-BD,則不僅工程造價(jià)提高,而且也給材料的采購帶來麻煩,以至延誤工期,是不可取的

5、。2焊接檢驗(yàn)當(dāng)結(jié)構(gòu)的母材和焊接材料選定以后,就要確定焊縫的質(zhì)量等級(jí)。選擇合適的質(zhì)量等級(jí)是非常重要的,不恰當(dāng)?shù)靥岣吆缚p的質(zhì)量等級(jí)將提高工程造價(jià)。鑒于現(xiàn)有的焊接技術(shù)尚無法避免焊接過程中焊接缺陷的產(chǎn)生,因此必須采取一定措施將焊接缺陷控制在允許的范圍內(nèi)。實(shí)踐證明,通過制定焊接缺陷質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行約束是一種有效的手段。在鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范(GB50205中就將焊縫質(zhì)量等級(jí)分為一、二、三3個(gè)等級(jí)。如果經(jīng)過檢查,焊接缺陷不超科學(xué)之友Friend of Science Amateurs2009年07月(20B17-過所要求的級(jí)別的各項(xiàng)規(guī)定,則焊接過程中焊接缺陷就得到了控制。對于建筑鋼結(jié)構(gòu),焊縫質(zhì)量要達(dá)

6、到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是很困難的。特別是在采用手工電弧焊且剖口較深時(shí),一般的焊工很難做到。在實(shí)際工程中,除了大跨度重級(jí)工作制吊車梁的下翼緣對接,以及大跨度鋼橋的受拉構(gòu)件的對接這種對質(zhì)量要求很高的焊縫要求一級(jí)焊縫以外,其他場合很少用到一級(jí),一般都要求二級(jí)。對于角焊縫,除了在要求熔透的情況(如對于輪壓較大的吊車梁的上翼緣和腹板連接的角焊縫,其質(zhì)量等級(jí)要求二級(jí)外,其他場合一般都用三級(jí)。在鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范(GB50205中,3個(gè)質(zhì)量等級(jí)對于焊縫的內(nèi)部缺陷檢驗(yàn)、外觀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法都作了明確的規(guī)定:設(shè)計(jì)要求全焊透的一、二級(jí)焊縫應(yīng)采用超聲波探傷進(jìn)行內(nèi)部缺陷的檢驗(yàn)。焊縫內(nèi)部缺陷分級(jí)及探傷方法應(yīng)符合國家現(xiàn)行標(biāo)

7、準(zhǔn)鋼焊縫手工超聲波探傷方法及質(zhì)量分級(jí)法(GB11345的規(guī)定,對于一、二級(jí)焊縫的探傷結(jié)果應(yīng)符合表1的規(guī)定。在GB11345中檢驗(yàn)等級(jí)分為A、B、C3個(gè)級(jí)別,評定等級(jí)分為、4個(gè)級(jí)別。所謂檢驗(yàn)等級(jí)就是檢驗(yàn)方法(有的設(shè)計(jì)手冊把焊縫質(zhì)量等級(jí)和檢驗(yàn)等級(jí)混為一談,出現(xiàn)“一級(jí)焊縫應(yīng)符合檢驗(yàn)等級(jí)中的B級(jí)”這樣明顯的錯(cuò)誤。焊縫中缺陷的位置、形狀和方向直接影響缺陷的聲反射信號(hào)強(qiáng)度。由于缺陷存在的任意性,因此超聲波探測焊縫的方向愈多,波束垂直于缺陷平面的概率愈大,則缺陷的檢出率也愈高。根據(jù)探測方向(取決于探頭角度、探傷側(cè)、探傷面及探頭移動(dòng)角度等的多少,分為A、B、C3個(gè)級(jí)別,它體現(xiàn)了檢驗(yàn)的完善程度,按A、B、C逐級(jí)

8、提高,其檢驗(yàn)工作的難度系數(shù)也逐級(jí)提高(A為1,B為56,C為1012。各級(jí)別探傷面、探傷側(cè)、探頭角度及探測方法等在GB11345中都有明確的規(guī)定。對于建筑鋼結(jié)構(gòu)以及壓力容器,目前我國超聲波探傷的檢驗(yàn)等級(jí)都采用B級(jí)。當(dāng)檢驗(yàn)方法(即檢驗(yàn)等級(jí)確定以后,根據(jù)用該種方法檢測出焊縫中缺陷的情況,對其結(jié)果進(jìn)行等級(jí)分類,就是所謂的評定等級(jí)。對于焊縫宏觀質(zhì)量控制,缺陷的尺寸超過l mm才有實(shí)際意義。GBl1345根據(jù)缺陷的長度按表2中的規(guī)定予以評級(jí)。表2中的12、/3等均為超聲波探傷儀測出的缺陷尺寸。3螺栓一些設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)說明中往往寫道:“高強(qiáng)度螺栓采用承壓型高強(qiáng)度螺栓10.9s”,這是一種不正確的說法。對于

9、設(shè)計(jì)者只要給出高強(qiáng)度螺栓的性能等級(jí)和連接材料摩擦面的抗滑移系數(shù)即可,不必規(guī)定制造商采用何種螺栓。當(dāng)然,如果確有必要,可以推薦用大六角頭高強(qiáng)度螺栓,或是扭剪型高強(qiáng)度螺栓。承壓型高強(qiáng)度螺栓(或摩擦型高強(qiáng)度螺栓是一個(gè)錯(cuò)誤的術(shù)語,它將螺栓的連接方式(連接的力學(xué)模式和螺栓的種類(外形和性能這兩個(gè)不相及的概念混為一談。談到承壓型(Bearing Type與摩擦型(Friction Type,它應(yīng)該屬于連接形式(Type of Joint的范疇。承壓型連接和摩擦型連接只是抗剪連接的兩種形式。前面提及的兩種螺栓既可以用于承壓型連接,也可以用于摩擦型連接,性能都是可靠的。至于這兩種連接形式的區(qū)別和具體計(jì)算,在規(guī)

10、范、教科書和設(shè)計(jì)手冊中都有詳盡的說明。目前高強(qiáng)度螺栓的連接多用于摩擦型連接,這種連接使得結(jié)構(gòu)的剛度較大,是其主要的優(yōu)點(diǎn)。大六角頭高強(qiáng)度螺栓的外觀和普通螺栓基本一致,只是材料和擰緊的方式不同。扭剪型高強(qiáng)度螺栓為日本人首創(chuàng),20世紀(jì)70年代末隨寶鋼工程引進(jìn)。這種螺栓的尾部設(shè)有槽口和梅花形卡頭,在擰緊螺母時(shí)用專用的電動(dòng)扳手套住螺母和卡頭一起擰,直至卡頭擰斷,此時(shí)螺栓也達(dá)到了規(guī)定的預(yù)拉力值。這種高強(qiáng)度螺栓緊固簡單,便于檢查是否有漏擰或是欠擰,但耗材略多,預(yù)拉力值離散性大且需要專用扳手,也是其缺點(diǎn)。扭剪型高強(qiáng)度螺栓目前我國只有10.9級(jí)。這兩種高強(qiáng)度螺栓的類型與尺寸及性能都有對應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn),所謂連接副指

11、一個(gè)螺栓、一個(gè)螺母和一個(gè)墊圈(大六角頭高強(qiáng)度螺栓為兩個(gè)墊圈。大六角頭高強(qiáng)度螺栓之所以要兩個(gè)墊圈是因?yàn)槠渎菟ǖ募庸ぞ容^低,難以保證它與構(gòu)件的緊密結(jié)合。普通螺栓按制作精度分為A、B、C級(jí)3種,分別稱為精制螺栓、半精制螺栓和粗制螺栓。A、B級(jí)螺栓除了螺栓本身制作精度要求較高以外,對螺孔的精度也要求較高(I類孔,以前在建筑鋼結(jié)構(gòu)中多用于永久螺栓,現(xiàn)在已逐步為高強(qiáng)度螺栓所取代。這是因?yàn)槿绻?.8級(jí)的大六角頭高強(qiáng)度螺栓,其價(jià)格與精制螺栓相差不多,但高強(qiáng)度螺栓對螺孔的要求和粗制螺栓幾乎一樣,這樣不僅構(gòu)件的制作和安裝成本可以降低,而且施工方便且性能可靠。C 級(jí)螺栓一般都用于安裝螺栓,地腳螺栓也屬于粗制螺栓

12、。4涂裝涂裝其意思與防腐基本一致,不僅包括涂料,還包括對鋼材表面的除銹要求?！颁摬谋砻骓氄J(rèn)真除銹”這樣的說明缺乏具體的標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)該注明除銹等級(jí)Sa2.5,或除銹等級(jí)St3。Sal、Sa2、Sa2.5、Sa3是噴射或拋射(通常說的噴砂只是其中一種的等級(jí)要求,共有4級(jí)。手工和動(dòng)力工具除銹等級(jí)只有St2、St3兩種。我國表1一、二級(jí)焊縫質(zhì)量等級(jí)焊縫質(zhì)量等級(jí)一級(jí)二級(jí)內(nèi)部缺陷超聲波探傷評定等級(jí)II III 檢驗(yàn)等級(jí)B級(jí)B級(jí)探傷比例100%20%表2缺陷的等級(jí)分類評定等級(jí)A850B8300C8300I2/3;最小12/3;最小12;最大30/3;最小10;最大20II3/4;最小122/3;最小12;最大5

13、0/2;最小10;最大30III<最小203/4;最小16;最大752/3;最小12;最大50IV超過III級(jí)者應(yīng)用技術(shù)孫晉峰:鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本概念探討18-Discuss about Several Principal Concepts in Stell Structure DesignSun JinfengAbstract:There are several pieces of basic conception in the steel structural design at present,designers will often meet in the design,but

14、many designers hold while dealing with these problems inaccurately.This text has been described to these pieces of basic conception,has put forward the view and suggestion,but for steel construction designer's reference.Key words:steel;high-strength bolt;coating對于除銹等級(jí)早已有國家標(biāo)準(zhǔn)涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)(GB89

15、2388。噴射除銹不僅除銹徹底,而且能在鋼材表面形成微小的凸凹面,有利于涂料與鋼材的黏結(jié),大大提高防腐年限。當(dāng)構(gòu)件有殘余應(yīng)力時(shí),噴射還可以消除部分殘余應(yīng)力,值得大力推廣。“紅丹兩度打底,調(diào)和漆兩度罩面”這種說明使得涂料的品牌不清(紅丹有多種,漆膜層厚度不明(涂料應(yīng)注明各層厚度,而且標(biāo)準(zhǔn)也太低,這表明一些設(shè)計(jì)人員對鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕重要性仍認(rèn)識(shí)不足。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該不斷學(xué)習(xí),掌握一些涂料的知識(shí),這方面的知識(shí)是非常豐富且在不斷發(fā)展的。論改善混凝土外摻劑與水泥適應(yīng)性的措施趙小萍(山西施宇公路工程質(zhì)量檢測有限公司,山西大同037011摘要:文章論述了水泥與外加劑的適應(yīng)性是影響混凝土質(zhì)量的重要因素,提出幾點(diǎn)改善

16、措施:即新型高性能減水劑的開發(fā)應(yīng)用、外加劑的復(fù)合使用、減水劑的摻入方法、適當(dāng)“增硫法”和適當(dāng)調(diào)整混凝土配合比。關(guān)鍵詞:適應(yīng)性;混凝土;水泥中圖分類號(hào):TU528.042文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000-8136(200920-0019-02商品混凝土,特別是大流動(dòng)性混凝土及低水膠比的高強(qiáng)高性能混凝土,在運(yùn)輸和施工過程中,由于外加劑與水泥適應(yīng)性不良造成的坍落度損失過快,其不但影響混凝土的施工速度、施工質(zhì)量,甚至造成無法泵送施工,而且還會(huì)影響硬化混凝土的質(zhì)量,從而提出了各種改善外加劑與水泥適應(yīng)性來控制混凝土坍落度損失的方法。1新型高性能減水劑的開發(fā)應(yīng)用從20世紀(jì)60年代以來,高效減水劑的主要代表

17、產(chǎn)品有萘磺酸鹽甲醛縮合物和三聚氰胺磺酸鹽甲醛縮合物,由于它們的減水率高,特別是萘系減水劑的價(jià)格適中,目前仍是國內(nèi)外使用的高效減水劑,從減水劑的分子結(jié)構(gòu)來看,萘系和蜜胺樹脂系高效減水劑均為線型聚合物分子,并且分子中只有一種極性基團(tuán)(磺酸基-SO 3-;從作用機(jī)理的5個(gè)方面的作用力來看,其中兩種高效減水劑主要以靜電斥力為主,其他幾種作用力均較小。具有以上分子結(jié)構(gòu)及減水劑作用機(jī)理特點(diǎn)的這兩種高效減水劑,其共同的缺陷是與水泥的適應(yīng)性不太好,混凝土坍落度損失快。為了克服萘系及蜜胺樹脂系高效減水劑的缺陷,國內(nèi)外廣泛開展了新型高效減水劑的研究與開發(fā)工作。新型高效減水劑應(yīng)具有以下特點(diǎn):堿含量低、摻量低、減水率

18、高、增強(qiáng)作用大、與水泥適應(yīng)性好、不離析、不泌水,能很好地控制混凝土的坍落度損失。新型高效減水劑的作用機(jī)理應(yīng)盡可能包括:降低水泥顆粒固液界面能作用;靜電斥力作用;空間位阻斥力作用。水化膜潤滑作用等多種作用力。分子結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能具有:脂肪羥基和芳香羥基共同構(gòu)成的非極性基團(tuán);盡可能具有梳型支鏈高分子結(jié)構(gòu);一個(gè)聚合物分子鏈上應(yīng)同時(shí)具有多種極性基團(tuán)(如羥基、醚基、羧基、磺酸基等。依據(jù)新型高效減水劑應(yīng)有的特點(diǎn),通過分子設(shè)計(jì)理論,目前國內(nèi)外新型高效減水劑的合成方法有兩種,一種是氨基磺酸鹽系高效減水劑的合成工藝,即通過遴選價(jià)格便宜的帶羥基、羧基、磺酸基的多種單體,加入甲醛,在一定的條件下經(jīng)過縮聚反應(yīng)形成高分子聚合物。由于氨基、羥基能與水形成氫鍵,故該類高效減水劑具有較強(qiáng)的“降低水泥顆粒固液界面能作用”、“靜電斥力作用”和“水化膜潤滑作用”以及一定的“空間位阻斥力作用”。其具有以上分子結(jié)構(gòu)及作用機(jī)理特點(diǎn)的高效減水劑的減水率高,與水泥適應(yīng)性好,能很好地控制混凝土的坍落度損失。另一種是聚羧酸鹽系高效減水劑的合成工藝,既通過選擇帶有羧酸基、羥基、醚基、磺酸基等極性基的多種不飽和單體,在引發(fā)劑的作用下產(chǎn)生共聚反應(yīng),形成具有梳型支鏈結(jié)構(gòu)的高分子共聚物。羧基、羥基、醚基均