第5章 5.1鋼結構工程

1構件制作

2拼裝與連接

3鋼結構安裝鋼結構工程

【教學要求】了解鋼結構構件工廠制作的工藝過程;了解鋼結構常用焊接方法、特點及適用范圍，熟悉手工電弧焊施工要點；了解鋼結構緊固件連接方法、特點及適用范圍，熟悉高強螺栓施工要點；了解單層鋼結構安裝的一般方法。

【教學重點】構件工廠制作的工藝過程；鋼結構常用連接方法、種類及施工要點。

【教學難點】手工電弧焊施工要點、高強螺栓施工要點。

概述鋼結構是指以鋼鐵為基材，經(jīng)機械加工組裝而成的結構。建筑鋼結構僅限于工業(yè)廠房、高層建筑、塔桅結構、橋梁等。鋼結構具有強度高、結構輕、施工周期短和精度高等特點，在建筑、橋梁等土木工程中被廣泛采用。單層廠房鋼結構體系“鳥巢”的鋼結構造型共63頁

第1頁

用作鋼結構的鋼材有鋼板、鋼帶、型鋼(工字鋼、槽鋼、角鋼)、鋼管和鋼鑄件等。鋼帶工字鋼鋼板槽鋼及角鋼鋼管共63頁

第2頁鋼材的進場驗收

⑴質量證明文件：鋼材進場應有隨貨同行的質量合格證明文件，進口鋼材應有國家商檢部門的復驗報告；

⑵外觀檢查：鋼材端邊或斷口處不應有分層、夾渣等缺陷;鋼材表面有銹蝕、麻點或劃痕等缺陷時，其深度不得大于該鋼材厚度允許偏差值的1/2，且銹蝕等級應在C級及C級以上。

⑶允許偏差抽查：鋼板抽查厚度，型鋼抽查規(guī)格尺寸，每一品種、規(guī)格各抽查5處。

⑷抽樣復驗：國外進口鋼材、鋼材混批、板厚≥40mm且有Z向性能要求的厚板、結構安全等級為一級大跨度結構中主要受力構件采用的鋼材、設計有復驗要求的鋼材、對質量有疑義的鋼材應進行抽樣復驗。共63頁

第3頁1構件制作鋼結構構件制作一般在工廠進行，包括放樣、號料、切割下料、邊緣加工、彎卷成型、折邊、矯正和防腐與涂飾等工藝過程。箱型柱吊車梁鋼管柱鋼桁架格構式管柱共63頁

第4頁H型鋼C型鋼Z型鋼蜂窩梁鋼樓承板彩色壓型鋼板自然通風器預埋錨栓輕鋼結構的構件共63頁

第5頁1.1放樣與號料根據(jù)產(chǎn)品施工詳圖或零、部件圖樣要求的形狀和尺寸，按1:1的比例把產(chǎn)品或零、部件的實體畫在放樣臺或平板上，求取實長并制成樣板的過程。1.1.1放樣對復雜的殼體零、部件，還需作圖展開。有條件時應采用計算機輔助設計。1.1.2號料根據(jù)樣板在鋼材上畫出構件的實樣，并打上各種加工記號，為鋼材的切割下料作準備。工人在號料共63頁

第6頁1.2切割下料

切割是將放樣和號料的零件形狀從原材料上進行下料分離。常用的切割方法有：氣割、機械剪切和等離子切割三種方法。1.2.1氣割下料

利用氧氣與可燃氣體混合產(chǎn)生的預熱火焰加熱金屬表面達到燃燒溫度并使金屬發(fā)生劇烈的氧化，放出大量的熱促使下層金屬也自行燃燒，同時通以高壓氧氣射流，將氧化物吹除而形成一條狹小而整齊的割縫。氣割法有手動氣割、半自動氣割和自動氣割。手動氣割割縫寬度為4mm，自動氣割割縫寬度為3mm。共63頁

第7頁氣割法設備靈活、費用低廉、精度高，能切割各種厚度的鋼材，尤其是帶曲線的零件或厚鋼板，是目前使用最廣泛的切割方法。氣割下料CNC電腦切割生產(chǎn)線直線氣割機共63頁

第8頁1.2.2機械剪切下料

通過沖剪、切削、磨擦等機械來實現(xiàn)。

⑴沖剪切割：當鋼板厚度≯12cm時，采用剪板機、聯(lián)合沖剪機切割鋼材，速度快、效率高，但切口略粗糙。

⑵切削切割：采用弓鋸床、帶鋸機等切削鋼材，精度較好。

⑶磨擦切割：采用磨擦鋸床、砂輪切割機等切割鋼材，速度快、但切口不夠光潔、噪聲大。液壓聯(lián)合沖剪機鋸床共63頁

第9頁利用高溫高速的等離子焰流將切口處金屬及其氧化物熔化并吹掉來完成切割，能切割任何金屬，特別是熔點較高的不銹鋼及有色金屬鋁、銅等。1.2.3等離子切割下料等離子切割機數(shù)控等離子切割機

共63頁

第10頁1.3構件加工對于尺寸精度要求高的腹板、翼緣板、加勁板、支座支撐面和有技術要求的焊接坡口，需要對剪切或氣割過的鋼板邊緣進行加工。1.3.1邊緣加工邊緣加工方法有：鏟邊、刨邊、銑邊和碳弧氣刨邊。鋼板銑邊機端面銑滾剪倒角(坡口)機共63頁

第11頁1.3.2彎卷成型

鋼板卷曲是通過旋轉輥軸對板料進行連續(xù)三點彎曲所形成的。鋼板卷曲包括預彎、對中和卷曲三個過程。⑴鋼板卷曲

①預彎：鋼板在卷板機上卷曲時，兩端邊緣總有卷不到的部份，即剩余直邊。通過預彎消除剩余直邊。

②對中：為防止鋼板在卷板機上卷曲時發(fā)生歪扭，應將鋼板對中，使鋼板的縱向中心線與滾筒軸線保持嚴格的平行。

③卷曲：對中后，利用調節(jié)輥筒的位置使鋼板發(fā)生初步的彎曲，然后來回滾動而卷曲。鋼板卷曲共63頁

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①型鋼彎曲：型鋼彎曲時斷面會發(fā)生畸變，彎曲半徑越小，則畸變越大。應控制型鋼的最小彎曲半徑。構件的曲率半徑較大，宜采用冷彎；構件的曲率半徑較小，宜采用熱彎。⑵型材彎曲

②鋼管彎曲：在自由狀態(tài)下彎曲時截面會變形，外側管壁會減薄，內側管壁會增厚。

彎制方法：管中加入填充物(砂)或穿入芯棒進行彎曲；或用滾輪和滑槽在管外進行彎曲。

彎曲半徑：≮管徑的3.5倍(熱彎)到4倍(冷彎)。型材彎曲機全自動彎管機共63頁

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把構件的邊緣壓彎成傾角或一定形狀的操作過程稱為折邊。折邊可提高構件的強度和剛度。彎曲折邊利用折邊機進行。⑶折邊

包括鉚釘孔、螺栓孔，可鉆可沖。鉆孔用鉆孔機進行，能用于鋼板、型鋼的孔加工；沖孔用沖孔機進行，一般只能在較薄的鋼板、型鋼上沖孔，且孔徑一般≮鋼材的厚度。施工現(xiàn)場的制孔可用電鉆、風鉆等加工。⑷制孔液壓板料折彎機數(shù)控三維鉆孔機共63頁

第14頁1.3.3構件矯正

鋼材在存放、運輸、吊運和加工成型過程中會變形,必須對不符合技術標準的鋼材、構件進行矯正。鋼結構的矯正，是通過外力或加熱作用迫使鋼材反變形，使鋼材或構件達到技術標準要求的平直或幾何形狀。

矯正的方法：火焰矯正(亦稱熱矯正)、機械矯正和手工矯正(亦稱冷矯正)

。板材矯正機H型鋼翼緣矯正機鋼管矯直機共63頁

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利用火焰對鋼材進行局部加熱，被加熱處理的金屬由于膨脹受阻而產(chǎn)生壓縮塑性變形，使較長的金屬纖維冷卻后縮短而完成的。⑴火焰矯正

影響矯正效果的因素：火焰加熱位置、加熱的形式、加熱的溫度。

火焰矯正加熱的溫度：對于低碳鋼和普通低合金鋼為600～8000C。火焰矯正共63頁

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是通過專用矯正機使用權彎曲的鋼材在外力作用下產(chǎn)生過量的塑性變形，以達到平直的目的。⑵機械矯正

拉伸機矯正：用于薄板扭曲、型鋼扭曲、鋼管、帶鋼、線材等的矯正。

壓力機矯正：用于板材、鋼管和型鋼的矯正。

多輥矯正機：用于型材、板材等的矯正。液壓矯正機多輥矯正機矯正板材共63頁

第17頁采用錘擊的方法進行，操作簡單靈活。由于矯正力小、勞動強度大、效率低而用于矯正尺寸較小的鋼材，或矯正設備不便于使用時采用。⑶手工矯正錘擊法--鋼板焊接應力變形校正共63頁

第18頁1.4.1鋼材的除銹鋼結構的防腐與涂飾包括普通涂料涂裝和防火涂料涂裝。涂裝前，鋼材表面應除銹。1.4除銹、防腐與涂飾

鋼材除銹方法有：噴砂、拋丸、酸洗以及鋼絲刷人工除銹、現(xiàn)場砂輪打磨等。拋丸除銹是最理想的除銹方式。噴砂除銹拋丸機除銹共63頁

第19頁1.4.2防腐與涂飾

施涂的方法有刷涂法(油性基料的涂料)和噴涂法(快干性和揮發(fā)性強的涂料)普通涂料的涂裝遍數(shù)、涂層厚度應符合設計要求，鋼材表面不應誤涂、漏涂，涂層應均勻，無明顯皺皮、流墜、針眼、氣泡及脫皮和返銹等。防火涂料的涂層厚度應符合耐火極限的設計要求。噴涂法進行涂裝共63頁

第20頁2連接與拼裝鋼構件的連接方法有焊接、緊固件連接(螺栓連接、射釘、自攻釘、拉鉚釘)及鉚接三種。廣州電視塔外筒南京大勝關長江大橋鋼結構焊接施工高強螺栓連接施工鉚接連接共63頁

第21頁2.1鋼結構構件焊接焊接方法特點適用范圍手工焊交流焊機設備簡易,操作靈活,可進行各種位置的焊接普通鋼結構直流焊機焊接電流穩(wěn)定,適用于各種焊條要求較高的鋼結構埋弧自動焊生產(chǎn)效率高,焊接質量好,表面成型光滑美觀,操作容易,焊接時無弧光,有害氣體少長度較長的對接或貼角焊縫埋弧半自動焊與埋弧自動焊基本相同,但操作較靈活長度較短、彎曲焊縫CO2氣體保護焊生產(chǎn)效率高,焊接質量好,成本低,易于自動化,可進行全位置焊接用于薄鋼板鋼結構常用焊接方法、特點及適用范圍共63頁

第22頁2.1.1手工電弧焊

⑵焊條：焊條供手工電弧焊用，由焊芯和藥皮組成。焊條的表示方法(如E4303、E5015)：“E”代表焊條，前兩位“43”、“50”表示焊縫金屬的抗拉強度等級(430、500N/mm2)，第三位數(shù)字代表焊接的位置，最后一位數(shù)表示適用電源種類及藥皮類型。

又稱焊條電弧焊：是最普遍的熔化焊焊接方法，它是利用電弧產(chǎn)生的高溫、高熱量進行焊接的。

⑴電焊機：主要有交流弧焊機、直流弧焊機

。交流弧焊機直流弧焊機焊條共63頁

第23頁⑶焊接接頭與坡口為確保焊件能焊透，必須開一定形狀的坡口。

焊接前根據(jù)焊接部位的形狀、尺寸、受力的不同，選擇合適的接頭類型。常見的接頭型式有

對接、搭接、丁字接和角接等。

常見的接頭型式對接接頭的坡口型式共63頁

第24頁⑷焊接工藝參數(shù)的選擇

手工電弧焊的焊接工藝參數(shù)有：焊條直徑、焊接電流、電弧電壓、焊接層數(shù)、電源種類及極性等。

焊條直徑——根據(jù)焊件厚度、接頭形式、焊縫位置和焊接層次來選擇。

焊接電流——根據(jù)焊條的類型、直徑、焊件的厚度、接頭形式、焊縫空間位置等因素來考慮。其中焊條直徑和焊縫空間位置最為關鍵。

電弧電壓——根據(jù)電源特性，由焊接電流決定相應的電弧電壓。此外電弧電壓還與電弧長有關。共63頁

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焊接層數(shù)——視焊件的厚度而定。除薄板外，一般都采用多層焊。每層焊縫的厚度過大，對焊縫金屬的塑性有不利影響，施工中每層焊縫的厚度不應大于4～5mm。多層焊的焊縫和焊接順序有平焊、立焊、橫焊和仰焊四種。平焊易操作，勞動條件好，生產(chǎn)率高，焊縫質量易保證。立焊、橫焊和仰焊時施焊困難，應盡量避免。⑸焊縫的空間位置焊縫的空間位置共63頁

第26頁⑹焊接準備

碰擊法——將焊條垂直于焊件進行碰擊，然后迅速保持一定距離；

劃擦法——將焊條端頭輕輕劃過焊件，然后迅速保持一定距離。

嚴禁在焊縫區(qū)以外的母材上打火引弧。包括坡口制備、焊口清理、焊條烘干、預熱、預變形及高強度鋼切割表面探傷等。⑺引弧引弧方法鋼管打坡口共63頁

第27頁⑻運條方法

①沿其中心線向下送進——焊條被電弧熔化變短，為保持弧長，須使焊條沿其中心線向下送進，以防止斷弧；

焊條運條有三個運條方向，三個方向的動作應密切配合。

②沿焊縫方向移動——為形成線形焊縫，焊條要沿焊縫方向移動，移動速度應適當；

③橫向擺動——為獲得一定寬度的焊縫，焊條必須橫向擺動。平焊焊條角度和運條基本動作共63頁

第28頁2.1.2埋弧自動焊

埋弧自動焊的優(yōu)點是：生產(chǎn)效率高、焊縫質量好、節(jié)約鋼材和電能、改善了勞動條件。

埋弧自動焊的缺點是：適應能力差，只能在水平位置焊接長直焊縫或大直徑的環(huán)焊縫。埋弧焊時焊縫的形成埋弧自動焊的焊接過程埋弧自動焊機電腦自動埋弧焊生產(chǎn)線共63頁

第29頁2.1.3CO2氣體保護焊

二氧化碳氣體保護焊施焊時焊縫被保護，故焊縫金屬純度高、性能好；焊接加熱集中，焊件變形小；電弧穩(wěn)定性好，在小電流時電弧也能穩(wěn)定燃燒，是一種高效率，低成本的焊接方法。缺點是：焊縫熔深淺，只適合于焊接＜6mm薄板。逆變CO2氣體保護焊機

CO2氣體保護焊

CO2氣體保護焊絲共63頁

第30頁2.2緊固件連接包括普通螺栓、高強度螺栓、射釘、自攻釘、拉鉚釘?shù)木o固連接。連接螺栓分為8級，即3.6、4.6、4.8、5.6、5.8、6.8、8.8、10.9S(如5.6S表示抗拉強度為500MPa,屈強比為60%)，其中后兩級為高強度螺栓，其余為普通螺栓。鋼柱與基礎的地腳螺栓連接梁柱節(jié)點的螺栓連接共63頁

第31頁2.2.1普通螺栓連接普通螺栓按外形有：六角螺栓、雙頭螺栓和地腳螺栓。①六角螺栓：按質量和產(chǎn)品等級分為A、B、C三種。

A級螺栓——精制螺栓；

B級螺栓——半精制螺栓；

C級螺栓——粗制螺栓。⑴普通螺栓的種類和用途

A、B級螺栓適用于連接部位需傳遞較大剪力的重要結構的安裝，C級螺栓適用于鋼結構安裝中的臨時固定。六角螺栓共63頁

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②雙頭螺栓：又稱螺柱，多用于連接厚板或不方便使用六角螺栓連接的地方，如砼屋架、屋面梁懸掛單軌梁吊掛件等。

③地腳螺栓：分為一般地腳螺栓、直角地腳螺栓、錘頭螺栓和錨固地腳螺栓，一般地腳螺栓、直角地腳螺栓和錘頭螺栓是在砼澆筑前預埋在基礎之中，用以固定鋼柱；錨固地腳螺栓是在已成型砼基礎上經(jīng)鉆機成孔后，再安裝、灌漿固定的一種地腳螺栓。雙頭螺栓一般地腳螺栓異型地腳螺栓地腳螺栓預埋共63頁

第33頁⑵普通螺栓的施工

①連接要求：

※

螺栓頭和螺母的下面應放置平墊圈。螺母下面的墊圈不應多于2個，螺栓頭部下面的墊圈不應多于1個。

※

螺栓頭和螺母應與結構構件的表面及墊圈密貼。

※

傾斜面的螺栓連接，放置斜墊片墊平。

※

動荷載或重要部位的螺栓，應放置彈簧墊圈。

※

螺栓伸出螺母的長度應不小于兩個完整螺紋的長度。共63頁

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②緊固軸力

螺栓緊固必須從中心開始，對稱施擰；大型接頭采用復擰，即“兩次緊固法”。

施擰時的緊固軸力應不超過相應的規(guī)定。永久螺栓擰緊質量檢驗采用錘敲或用力矩扳手檢驗，要求螺栓不顫動和偏移，擰緊的真實性用塞尺檢查，對接表面高差(不平度)不應超0.5mm。南京大勝關長江大橋高強螺栓終擰共63頁

第35頁2.2.2高強螺栓連接

高強螺栓就是高強度的螺栓，是一種標準件。是繼鉚接連接后的新型鋼結構連接形式，是目前鋼結構連接的主要手段。高強螺栓從外形上可分為扭剪型高強螺栓和大六角頭高強螺栓。⑴高強螺栓的種類和用途扭剪型高強螺栓大六角頭高強螺栓一個連接副為一個螺栓、一個螺母和一個墊圈一個連接副為一個螺栓、一個螺母和二個墊圈共63頁

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①手動扭矩扳手：高強螺栓以手動緊固時，要使用有示明扭矩值的扳手施擰，以達到高強螺栓連接副規(guī)定的扭矩和剪力值。常用的手動扭矩扳手有指針式、音響式和扭剪型三種。⑵高強螺栓施工的機具響聲式扭矩扳手德國Wera可調控扭力扳手手動扭矩扳手共63頁

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②電動扳手

定扭矩、定轉角電動扳手適用于大六角頭高強螺栓的緊固，可自動控制扭矩和轉角，適用于鋼結構橋梁、廠房建設安裝大六角頭高強螺栓施工的初擰、終擰和扭剪型高強螺栓的初擰。

扭剪型電動扳手適用于扭剪型高強度螺栓的終擰緊固，常用的扭剪型電動扳手有6922型和6924型兩種。6924扭剪扳手電動扭剪扳手定扭矩電動扳手共63頁

第38頁⑶高強螺栓的保管及現(xiàn)場復驗

①高強螺栓的保管

高強度螺栓的包裝、運輸、現(xiàn)場保管過程要保持它的出廠狀態(tài)，直到安裝使用前才能開箱檢查使用。以防止連接副的扭矩系數(shù)(K)發(fā)生變化，這是高強度螺栓保管的一項重要內容。

②高強度螺栓的現(xiàn)場取樣復驗

扭剪型高強螺栓和高強大六角頭螺栓出廠時應隨箱帶有扭矩系數(shù)和緊固軸力(預拉力)的檢驗報告。

連接面抗滑移系數(shù)復驗：高強螺栓按每驗收批抽取3組試件；

預拉力復驗：扭剪型高強螺栓每驗收批抽取8套；

扭矩系數(shù)復驗：高強大六角頭螺栓每驗收批抽取8套。共63頁

第39頁⑷高強螺栓的施工要點

①緊固前檢查

螺栓緊固前，應對螺孔、被連接件的移位，不平度、不垂直度、磨光頂緊的貼合情況，以及板疊合處摩擦面的處理，連接間隙，孔眼的同心度，臨時螺栓的布放等進行檢查。

②緊固施工

緊固順序應從節(jié)點中心向邊緣依次進行。緊固時，要分初擰和終擰兩次緊固；對于大型節(jié)點，可分為初擰、復擰和終擰。初擰、復擰軸力宜為60～80%標準軸力，終擰軸力為標準軸力。當天安裝的螺栓，要在當天終擰完畢，防止螺紋被沾污和生銹，引起扭矩系數(shù)值發(fā)生變化。共63頁

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③緊固完畢檢查

高強大六角頭螺栓檢查：包括是否有漏擰和施工扭矩值。施工扭矩值的檢查在終擰完成1h后、48h內進行。

抽查量：每個作業(yè)班組和每天終擰