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央视新台址
央视新台址建设工程位于北京朝阳区东三环中路、北京商务中心区的核心地段,占地面积18.7万平方米,总建筑面积55万平方米,高230m。
央视新台址建设工程总投资约50亿元人民币,2003年10月开工建设,2008年正式运行。
鸟巢
容纳8万人,平面为椭圆形,长轴340m,短轴292m。
屋盖中间有一个146m×
76m的开口
水立方(ETFE材料)
06年世界杯开幕式体育馆-慕尼黑安联
安联体育场外墙体由2874个菱形膜结构构成,其中1056个在比赛中可以发光。
当体育场中比赛的球队发生变化时,墙体的颜色就可以随之改变。
每个膜结构都可以闪耀成红蓝白三色,也让全世界的观众都能记取拜仁、1860以及德国国家队的颜色
外部围护结构为钢结构网壳,是半椭圆球形,东西长轴212.2m,南北短轴143.64m,总高度46.285m,最低-32.5m。
整个网壳外环绕人工湖(35500m2),各种通道及入口均设在水下。
设计为法国巴黎机场公司安德鲁建筑师,北京市建筑设计研究院参与主体设计,整体结构用钢量达6750t,195kg/m。
国家大剧院
国家奥林匹克体育中心
索穹顶结构
汉城奥运会体操馆
亚特兰大佐治亚穹顶
用钢量不到30kg/m2
重型厂房结构
西安变压器厂(400t吊车)
容器和其他构筑物
大连西太平洋石化有限公司
1500立方米CF-62钢球罐
陕西铜川天然气公司
1000立方米天然气球罐
轻钢结构
钢结构对材料的要求
钢结构的材料≠钢材
对钢材的基本要求:
1、具有较高的抗拉强度fu和屈服点fy(结构的承载力大,所需的截面小,结构的自重轻).
2、具有较好的塑性、韧性(塑性好,不易发生脆性破坏;
韧性好,利于承受动力荷载).
3、良好的工艺性能(包括冷加工、热加工以及焊接性能)
4、容易生产,价格便宜。
《钢结构设计规范》(GB50017—2002)推荐的普通碳素结构钢Q235钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及Q420是符合上述要求的。
选用GB50017规范还未推荐的钢材时,需有可靠依据。
以确保钢结构的质量。
钢材的破坏形式
1、塑性破坏:
断口呈纤维状,色泽发暗。
破
坏前有明显的变形,破坏历时
时间长,可以采取补救措施。
2、脆性破坏:
破坏前没有任何预兆,破坏是
突然发生的,断口平直并呈有
光泽的晶粒状。
钢材的破坏形式:
塑性破坏和脆性破坏。
在设计、施工和使用钢结构时,注意防止脆性破坏。
单向拉伸时的工作性能
条件:
常温、静载条件下一次拉伸
钢材的主要性能
fp—比例极限
fe—弹性极限
fy—屈服强度
(强度标准、设计依据)
fu—抗拉强度
(最大承载强度、强度储备)
一、强度
碳素结构钢的应力-应变关系
1.比例极限fP
这是应力-应变图中直线段的最大应力值。
严格地说,比fP略高处还有弹性极限,但弹性极限与fP极其接近,所以通常略去弹性极限的点,把fP看做是弹性极限。
2.屈服点fy
应变e在fP之后不再与应力成正比,而是渐渐加大,应力-应变间成曲线关系,一直到屈服点。
3.抗拉强度fu
屈服平台之后,应变增长时又需有应力的增长,但相对地说·
应变增加得快,呈现曲线关系直到最高点。
屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性,其意义是:
1.作为结构计算中材料强度标准,或材料抗力标准。
应力达到fy时的应变与fP时的应变较接近,可以认为应力达到fy时为弹性变形的终点。
同时,达到fy后在一个较大的应变范围内应力不会继续增加,表示结构一时丧失继续承担更大荷载的能力,故此以fy作为弹性计算时强度的标准。
2.形成理想弹塑性体的模型,为发展钢结构计算理论提供基础。
fy之前,钢材近于理想弹性体,fy之后,塑性应变范围很大而应力保持不增长,所以接近理想塑性体。
因此,可以用两根直线的图形作为理想弹塑性体的应力-应变模型。
3.条件屈服点:
以卸荷后试件中残余应变为0.2%所对应的应力(f0.2)
伸长率d5和d10
伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比。
取圆形试件直径d的五倍或十倍为标定长度,其相应的伸长率用d5和d10表示,伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。
结构制造时,这种能力使材料经受剪切、冲压、弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏。
屈服点、抗拉强度和伸长率,是钢材的三个重要力学性能指标。
钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性能指标的要求。
δ—延伸率(塑性性能)
二、塑性:
在静力荷载作用下,
钢材吸收变形能的能力。
三、冷弯性能
冷弯性能是检验钢材弯曲变形能力或塑性性能,还是显示钢材内部缺陷状况的一项指标;
是鉴定钢材在弯曲状态下塑性应变能力和钢材质量的综合指标。
钢材冷弯试验示意图
方法:
根据试样厚度,按规定的弯心直径将试样弯曲180度,其表面及侧无裂纹或分层则为“冷弯试验合格”。
“冷弯试验合格”一方面同伸长率符合规定一样,表示材料塑性变形能力符合要求,另一方面表示钢材的冶金质量(颗粒结晶及非金属夹杂分布,甚至在一定程度上包括可焊性)符合要求,因此,冷弯性能是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。
重要结构中需要有良好的冷热加工的工艺性能时,应有冷弯试验合格保证。
四、冲击韧性
韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力,它用材料在断裂时所吸收的总能量来量度(Cv)。
韧性是钢材强度和塑性的综合指标。
冲击韧性:
在动力荷载作用下,材料吸收能量的能力。
冲击韧性试验
各种因素对钢材性能的影响
一、化学成分
钢是含碳量小于2%的铁碳合金。
钢中基本元素:
Fe、C、Si、Mn、S、P、N、O。
普通碳素钢中,Fe占99%,其余元素占1%。
在低合金钢中,除了上述元素外,还有一定合金元素(镍、钒、钛等)(含量低于5%)
各种元素对钢材机械性能的影响如下。
碳C:
必须元素,含量增加,钢材强度提高,而塑
性、韧性和疲劳强度低。
同时焊接性能和抗腐蚀性恶化。
一般在碳素结构钢中不应超过0.22%;
在焊接结构中还应低于0.2%。
硅Si:
是一种强脱氧剂,碳素结构钢中应控制≤0.3%,在低合金高强度钢中硅的含量可达0.55%。
适量的硅可提高钢材的强度,而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响
锰Mn:
锰是一种弱脱氧剂,含Mn适量使强度↑,降低S、O的热脆影响,改善热加工性能,对其它性能影响不大,在碳素结构钢中锰的含量为0.3%~0.8%,在低合金高强度钢中锰的含量可达1.0%~1.6%。
硫S:
降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度,
在高温时,使钢材变脆,称之为热脆。
含量
应不超过0.045%。
(有害成分)
磷P:
在低温时,使钢材变脆,称之为冷脆。
可以提高强度和抗锈蚀
性。
(有害成分)
氧O:
在高温时,发生热脆。
氮N:
在低温时,发生冷脆。
钒和钛:
是钢中的合金元素,能提高钢的强度和
抗腐蚀性能,又不显著降低钢的塑性。
铜:
可显著提高钢的抗腐蚀性能,也可以提
高钢的强度,但对焊接性能有不利影响。
二、冶炼与轧制
冶炼(脱氧)
钢锭剖面
缩孔
保温帽
(a)沸腾钢(b)镇静钢
1.冶炼
钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢、氧气顶吹转炉炼钢、碱性侧吹转炉炼钢及电炉炼钢。
在建筑钢结构中,主要使用氧气顶吹转炉生产的钢材。
冶炼这一冶金过程形成钢的化学成分与含量、钢的金相组织结构,不可避免地存在冶金缺陷,从而确定不同的钢种、钢号及其相应的力学性能。
2.浇铸
把熔炼好的钢水浇铸成钢锭或钢坯有两种方法,一种是浇入铸模做成钢锭,另一种是浇入连续浇铸机做成钢坯。
铸锭过程中因脱氧程度不同,最终成为镇静钢、半镇静钢与沸腾钢。
钢在冶炼及浇铸过程中会不可避免地产生冶金缺陷。
常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等等。
这些缺陷都将影响钢的力学性能。
偏析:
钢中化学成分分布不均匀,主要的偏析是硫、磷,将使偏析区钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。
非金属夹杂:
钢材中存在非金属化合物(硫化物、氧化物),使钢材性能变脆。
裂纹、分层:
浇注时的非金属夹杂物在轧制中可能造成钢材的分层,影响钢材的冷弯性能。
注意:
薄钢板的强度比厚钢板的强度高。
轧棍
钢的轧制使晶粒细化
3.轧制
钢材的轧制能使金属的晶粒变细,也能使气泡、裂纹等焊合,因而改善了钢材的力学性能。
薄板因辊轧次数多,其强度比厚板略高、浇铸时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层,所以分层是钢材(尤其是厚板)的一种缺陷。
设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况,以防止层间撕裂。
4.热处理
热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性。
正火属于最简单的热处理:
把钢材加热至850~900oC并保持一段时间后在空气中自然冷却,即为正火。
如果钢材在终止轧制时温度正好控制在上述温度范围,可得到正火的效果,称为控轧。
回火是将钢材重新加热至650oC并保温一段时间,然后在空气中自然冷却。
淬火加回火也称调质处理,淬火是把钢材加热至900oC以上,保温一段时间,然后放入水或油中快速冷却。
冷作硬化——当加载超过材料比例极限卸载后,出现残
余变形,再次加载则屈服点提高,塑性和
韧性降低的现象,也称“应变硬化”。
时效硬化——随时间的增长,碳和氮的化合物从晶体中
析出,使材料硬化的现象。
应变时效——钢材产生塑性变形时,碳、氮化合物更易
析出。
即冷作硬化的同时可以加速时效硬
化,因此也称“人工时效”。
三、钢材硬化
四、温度影响
温度升高,钢材强度是降低、应变增大;
反之,温度降低,钢材强度略有增加,塑性和韧性降低而变脆,见下图。
蓝脆:
在250度左右时,强度提高而伸长率和冲击韧性降低,钢材表面氧化膜呈蓝色,此种现象称为蓝脆现象。
徐变:
当温度在260—320度时,在应力持续不变的情况下,钢材以很缓慢的速度继续变形,此种现象称为徐变。
当温度达到600度时强度很低,不能承担荷载。
fu
fy
δ(%)E
t(℃)
温度对钢材机械性能的影响
E
当温度低于常温时,钢材的脆性倾向随温度降低而增加。
T1~T2之间温度转变脆性区,冲击功急剧下降。
而且不同的钢材其脆性转变区温度不同,必须通过试验确定。
使用温度必须高于T1,但不一定高于T2。
冲击韧性与温度的关系曲线
五、复杂应力作用下钢材的屈服条件
复杂应力
六、应力集中
构件上孔洞、刻槽、凹角、裂纹以及截面厚度或宽度改变等部位,在力作用下,该处出现高峰应力,而其它部位应力较低,截面应力分布不均匀现象——应力集中。
应力集中是造成构件脆性破坏的主要原因之一。
截面变化越剧烈,应力集中越严重,变脆的倾向越严重。
七、残余应力
产生:
不均匀的温度(轧制、焊接)
影响:
与外荷载形成复杂应力
八、反复荷载作用
钢材在反复荷载作用下,结构的抗力及性能都会发生重要变化,甚至发生疲劳破坏。
疲劳破坏:
钢材在直接的反复的动力荷载作用下,钢材的强度将降低,即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度,这种现象称为疲劳。
疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。
钢材的种类和规格
按用途:
结构钢、工具钢、特殊钢(如不锈钢等)。
按冶炼方法:
转炉钢、平炉钢。
按脱氧方法:
沸腾钢、镇静钢、特殊镇静钢。
按成型方法:
轧制钢、锻钢、铸钢。
按化学成分:
碳素钢、合金钢。
在建筑工程中采用的是:
碳素结构钢、低合金高强度结构钢、优质碳素结构钢。
一、钢材的种类
钢的牌号有四部分组成:
1、Q——代表屈服强度的字母;
2、屈服点的数值——195、215、235、275、295、345、390、420、460等;
3、质量等级符号——
A、B、C、D四个等级(碳素结构钢)
A、B、C、D、E五个等级(低合金高强度结构钢)
4、脱氧方法符号——F代表沸腾钢、b代表半镇静钢、z代表镇静钢、Tz代表特殊镇静钢。
A级无冲击功要求;
B级要求提供20℃冲击功AKv≥34J(纵向);
C级要求提供0℃冲击功AKV≥34J(纵向);
D级要求提供一20℃冲击功AKv≥34J(纵向);
E级要求提供一40℃冲击功AKv≥27J(纵向)。
不同质量等级对碳、硫、磷、铝等含量的要求也有区别。
低合金高强度结构钢的A、B级属于镇静钢,C、D、E级属于特殊镇静钢。
优质碳素结构钢
主要用于钢结构某些节点或用作连接件。
高性能建筑结构钢材(GJ钢),牌号由以下组成:
2、屈服点的数值;
3、代表高性能建筑结构用钢的汉语拼音字母GJ;
4、质量等级符号——B、C、D、E四个等级
对于厚度方向性能钢板,在质量等级后面加上厚度方向性能级别(Z15、Z25、Z35)。
适用于建造高层建筑结构、大跨度结构及其他重要建筑结构。
确定钢材种类及其质量等级。
钢材的选用原则
1、结构的重要性
安全等级不同,所选钢材的质量等级也应不同,
重要的结构构件选用质量好的钢材。
2、荷载特征
荷载为静力或动力荷载,应选用各项性能不同的钢材。
二、钢材的选择
3、连接方法
焊接应选择可焊性好的钢材。
非焊接结构对含碳量可降低要求。
4、结构所处的温度和环境
处于负温下工作时,选用负温冲击合格的钢材,结构周围有腐蚀介质存在时要选用抗锈性好的钢材。
5、钢材的厚度
厚度大焊接结构应采用材质较好的钢材。
承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和硫、磷的极限含量。
(3项保证)焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材尚应具有冷弯试验的合格保证。
(4项保证)
对需要验算疲劳以及主要的受拉或受弯的焊接结构的钢材,应具有常温或负温冲击性的合格保证.(5项保证)
钢材选择的建议:
沸腾钢使用限制
直接承受动力荷载或震动荷载须算疲劳的结构
工作温度低于-20℃直接承受动力荷载或震动荷载但可不算疲劳的结构以及承受静力荷载的重要结构
工作温度低于-30℃的结构
钢结构采用的型材有:
热轧钢板、热轧型钢、冷弯薄壁型钢。
1、热轧钢板
“-”宽度×
厚度×
长度(mm)
2、热轧型钢
(1)热轧角钢
等肢角钢L肢宽×
肢厚
不等肢角钢L长肢宽×
短肢宽×
三、钢材规格
(2)热轧工字钢
普通工字钢“I”和号数(代表截面高度厘米数)
轻型工字钢“QI”和号数(代表截面高度厘米数)
20、32号以上的工字钢,按腹板厚度
同一号数又分a、b、c三类。
(3)热轧槽钢
普通槽钢“[”和号数
轻型槽钢“Q[”和号数
14、25号以上的槽钢,按腹板厚度
同一号数又分a、b、c三类
(4)H型钢(高X宽X腹板厚X翼缘厚)
宽翼缘H型钢(HW,HM,HN),用于轴压、压弯构件。
型号以公称高度的毫米数表示,其后标注a、b、c。
H型钢可以剖分为T型钢供应,
规格标记同H型钢,只是高度
是H型钢的一半。
3、钢管
无缝钢管和焊接钢管“ф”外径×
厚度
4、薄壁型钢
用薄钢板经模压或弯曲而制成。
壁厚一般为
1.5~5mm。
用作轻型屋面及墙面等构件。
1、影响钢材性能的因素
2、选用钢材的原则
小结:
钢结构加工制作工艺
钢结构是由钢板、热轧型钢和冷加工成型的薄壁型钢制造而成。
与其他材料的结构相比具有以下优点:
(1)材料强度高,钢材质量轻。
(2)韧性、塑性好。
(2)材质均匀。
(3)制造简单,施工周期短。
(4)密封性好。
钢结构的缺点有:
(1)耐热但不耐火
150摄氏度时强度无变化,600摄氏度时强度约为0。
(2)钢材耐腐蚀性能差,维护费用高。
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。
放样工作包括如下内容:
核对图纸的安装尺寸和孔距;
以1:
1的大样放出节点;
核对各部分的尺寸;
制作样板和样杆作为下料、弯制、铣、刨、制孔等加工的依据
2、号料
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。
号料的一般工作内容包括:
检查核对材料;
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。
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。
4、坡口加工
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。
6、组装
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:
手工电弧焊、气体保护焊、自保护电弧焊、埋弧焊、螺柱焊、点焊等。
a)手工电弧焊;
b)自动电弧焊
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
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
(2)直径和长度选择
(3)螺栓紧固
二、高强螺栓连接
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。
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。
(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。
高强度螺栓施工包括以下几个方面:
(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
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