关键词:建筑 钢结构 设计 安装
0 引言
对于结构设计来讲,按照建筑使用功能的要求、建筑高度的不同以及拟建场地的抗震设防烈度以经济、合理、安全、可靠的设计原则,选择相应的结构体系,一般分为六大类:框架结构体系、剪力墙结构体系、框架—剪力墙结构体系、框—筒结构体系、筒中筒结构体系、束筒结构体系。
1 钢结构设计分析
1.1 构件设计 构件的设计首先是材料的选择,比较常用的是Q235和Q345。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理,经济考虑,也可以选择不同强度钢材的组合截面。当强度起控制作用时,可选择Q345;稳定控制时,宜使用Q235,构件设计中,现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面,这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。
当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步,一些软件可以将验算时不通过的构件,从给定的截面库里选择加大一级,并自动重新分析验算,直至通过,如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。
1.2 节点设计 连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一,在结构分析前,就应该对节点的形式有充分思考与确定,常常出现的一种情况是,最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致,这必须避免。
按传力特性不同,节点分刚接,铰接和半刚接。初学者宜选择可以简单定量分析的前两者,常用的参考书有丰富的推荐的节点做法及计算公式。
连接的不同对结构影响甚大,比如,有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题,但会产生较大转动,不符合结构分析中的假定。
1.3 具体设计 具体设计主要包括以下内容:
1.3.1 焊接:对焊接焊缝的尺寸及形式等,规范有强制规定,应严格遵守,焊条的选用应和被连接金属材质适应。E43对应Q235,E50对应Q345,Q235与Q345连接时,应该选择低强度的E43,而不是E50。
焊接设计中不得任意加大焊缝,焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近,其他详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定。
1.3.2 栓接:铆接形式,在建筑工程中,现已很少采用,通螺栓抗剪性能差,可在次要结构部位使用,高强螺栓,使用日益广泛,常用8.8s和10.9s两个强度等级,根据受力特点分承压型和摩擦型。两者计算方法不同,高强螺栓最小规格M12,常用M16~M30,超大规格的螺栓性能不稳定,设计中应慎重使用。
自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接。国外在低层墙板式住宅中,也常用于主结构的连接。
1.3.3 连接板:可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm,然后验算净截面抗剪等。
1.3.4 梁腹板:应验算栓孔处腹板的净截面抗剪,承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压。
1.3.5 节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。构件运到现场无法安装是初学者长犯的错误。此外,还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。
1.3.6 节点设计还应考虑制造厂的工艺水平,比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成。
1.4 图纸编制 钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段,设计图为设计单位提供,施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制,有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾,有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。
1.4.1 设计图:是提供制造厂编制施工详图的依据,深度及内容应完整但不冗余,在设计图中,对于设计依据、荷载资料、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求、结构布置、构件截面选用以及结构的主要节点构造等均应表示清楚,以利于施工详图的顺利编制,并能正确体现设计的意图。主要材料应列表表示。
1.4.2 施工详图:又称加工图或放样图等。深度须能满足车间直接制造加工。不完全相同的另构件单元须单独绘制表达,并应附有详尽的材料表,设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制,目前比较混乱,各个设计单位之间及其与钢结构公司之间不尽相同。
2 钢结构制作与安装
2.1 钢柱的安装 钢柱是建筑决定层高和建筑总高度的主要竖向构件,在加工制造中必须满足现行规范的验收标准。
100m高的钢柱一般分为8～12节构件,钢柱在翻样下料制作过程中应考虑焊缝的收缩变形和竖向荷载作用下引起的压缩变形,所以钢柱的翻样下料长度不等于设计长度,即使只有几毫米也不能忽略不计。而且上下两节钢柱截面完全相等时也不允许互换,要求对每节钢柱应编号予以区别,正确安装就位。
矩形或方形钢柱内的加劲板的焊接应按现行规范要求采用熔嘴电渣焊,不允许采用其他如在箱板上开孔、槽塞焊等形式。
钢柱标高的控制一般有二种方式:①按相对标高制作安装。钢柱的长度误差不得超过3mm,不考虑焊缝收缩变形和竖向荷载引起的压缩变形,建筑物的总高度只要达到各节柱子制作允许偏差总和及钢柱压缩变形总和就算合格,这种制作安装一般在12层以下,层高控制不十分严格的建筑物。②按设计标高制作安装。一般在12层以上,精度要求较高的层高,应按土建的标高安装第一节钢柱底面标高,每节钢柱的累加尺寸总和应符合设计要求的总尺寸。每一节柱子的接头产生的收缩变形和竖向荷载作用下引起的压缩变形应加到每节钢柱加工长度中去。
2.2 框架梁的制作与安装 建筑框架梁一般采用H型钢,框架梁与钢柱宜采用刚性连接,钢柱为贯通型,在框架梁的上下翼缘处在钢柱内设置横向加劲肋。
框架梁应按设计编号正确就位。
为保证框架梁与钢柱连接处的节点域有较好的延性以及连接可靠性和楼层层高的精确性,在工厂制造时,在框架梁所在位置设置悬臂梁,悬臂梁上下翼缘与钢柱的连接采用剖口熔透焊缝,腹板采用贴角焊缝。框架梁与钢柱的悬臂梁连接,上下翼缘的连接采用衬板全熔透焊缝,腹板采用高强螺栓连接。
由于钢筋混凝土施工允许偏差远远大于钢结构的精度要求,当框架梁与钢筋混凝土剪力墙或钢筋混凝土筒壁连接时,腹板的连接板可开椭圆孔,椭圆孔的长向尺寸不得大于2d0,并应保证孔边距的要求。
框架梁的翻样下料长度同样不等于设计长度,需考虑焊接收缩变形。焊接收缩变形可用经验公式计算再按实际加工之后校核,确定其翻样下料的精确长度。
框架梁上下翼缘的连接可采用高强螺栓连接或焊接连接,目前大部分采用带衬板的全熔透焊接连接。施工时先焊下翼缘再焊上翼缘,先一端点焊定位,再焊另一端。
腹板则采用高强度螺栓连接,要充分理解设计时采用摩擦型还是承压型高强螺栓。采用摩擦型高强螺栓的摩擦系数应选用合理。
参考文献:
中华人民共和国国家标准《钢结构设计规范》,北京.
罗邦富等编著,钢结构设计手册,中国建筑工业出版社,1996年.
GBS0017-2003.钢结构设计规范.
GB50205-2001.钢结构工程施工及规范.
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