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6 钢结构工程
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本章学习要求
了解：钢结构工程的特点；施工前的主要准备工作；钢结构常见的桁架和网架的种类、制作、日常维护和施工方法；施工中的质量安全措施。
掌握：钢结构立面流水段内的安装程序；网架和钢桁架在制作施工中应考虑的技术问题；钢结构制作安装的质量要求;钢结构构件施工制造的基本程序。
重点掌握：钢结构现场连接的施工工艺和方法；施工强制性规范对钢结构工程的要求；强制性规范对钢结构的质量要求。二级建造师考题内容、解法和题型。
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6.1钢结构施工概述
6.1.1钢结构构件的施工和制造
钢结构构件的施工制造,先由多种规格尺寸的钢板、型钢等钢材，经过组装、连接、校正、涂漆等工序后制成成品，然后再运到现场安装建成的。
钢结构构件施工制造的程序如下：
(1)图纸深化——详图绘制
详图的绘制必须依据设计图(技术设计)和它所规定的技术条件，及采用有关规范和标准进行，详图必须经过原设计单位审批通过之后才能施工。
(2)材料采购和管理
钢结构钢材的采购必须遵照合同上技术条件的规定，按材料规格型号、牌号及附加条件进行选购。
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(3)准备技术文件
接受钢结构件施工制造任务后，编制加工制作方案和成品质量保证大纲。
(4)加工程序
1)放样
根据构件和相关节点的施工图将一定比例的尺寸大样放在平台上，核对各部分的尺寸并按此制作下料、制孔、弯形、组装、检查等各工序所需用的样板和样件。
2)矫正
矫正工作可分为热矫正、冷矫正(机械力)和混合矫正三种。
3)切割
钢材切割主要分为气割和机械切割两类。
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4)制孔
钢结构上的孔洞多为螺栓孔，大都呈圆形，为调整的需要也有长圆孔。
5)弯形
钢结构制造中的弯形主要是指弯曲和滚圆。
6)端面加工
对钢结构的端面加工的需求有两种情况，即尺寸精度的需要(或平整度的需要)和磨光顶紧的需要。
7)坡口加工
钢结构施工制造中存在大量焊接坡口，可能还有构造角度和板厚变化时的过渡坡口都需进行坡口加工。
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8)装配
把加工好的零件按照设计图纸组装成部件或构件，称为装配工序。
9)焊接
钢结构工程中采用的主要焊接方法一般有手工电弧焊、二氧化碳气体保护焊、氩弧焊、混合气体保护焊、埋弧焊、电渣焊以及栓钉焊等。
10)表面处理和涂装
基底处理的程度分为3个等级，即3级、2.5等级、2级，其中3级最洁净。
11)标志
标志可以用油漆、钢印表示在构件的一定位置上。
12)包装和运输
为了在运输过程中不丢失、不损坏构件，需要对其进行包装。
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图6.1 第a立面流水段内的安装程序
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6.1.2结构安装前的准备工作
钢结构安装前的准备工作，应编制施工方案、拟订技术措施、构件检查、安排施工设备、工具和材料、组织安装力量等。
钢构件在出厂前，制造厂应根据制作规范、规定及设计图的要求进行产品检验，填写质量报告、实际偏差值。
构件预检最好由结构安装单位和制造厂联合派人参加。
现场钢结构安装是根据规定的安装流水顺序进行的。
中转堆场的主要作用是：
①储存制造厂的钢构件(工地现场没有条件储存大量构件)。
②根据安装施工流水顺序进行构件配套，组织供应。
③对钢构件质量进行检查和修复，保证以合格的构件送到现场。
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④中转堆场上应做好构件进场顺序编号。
6.1.3钢结构构件安装与校正
钢结构主体吊装应在基础工程完毕后进行。
钢结构的柱子，多为3~4层一节，节与节之间用剖口焊连接。
在吊装第一节钢柱时，应在预埋的地脚螺栓上加设保护套，以免钢柱就位时碰坏地脚螺栓的丝牙。
钢柱吊点在吊耳处(柱子在制作时于吊点部位焊有吊耳，吊装完毕割去)。
钢柱就位后，先调整标高，再调整位移，最后调整垂直度。
为了控制安装误差，对高层钢结构先确定标准柱。
一般取标准柱的柱基中心线为基准点，用激光经纬仪以基准点为依据对标准柱的垂直度进行观测，于柱子顶部固定有测量目标(图6.3)。
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图6.2 钢柱吊装
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图6.3 钢柱顶的激光测量目标
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钢柱标高的调整，每安装一节钢柱后，对柱顶进行一次标高实测。
钢柱轴线位移校正，以下节钢柱顶部的实际柱中心线为准，安装钢柱的底部对准下节钢柱的中心线即可。
6.1.4钢结构构件的连接施工
1)钢构件的现场连接是钢结构施工中的重要课题
对连接的基本要求是：提供设计要求的约束条件，应有足够的强度和规定的延性，制作和施工简便。
2)焊缝质量检验
钢结构焊缝质量检验分3级。
焊缝外观检查的质量标准见《钢结构工程施工及验收规范》(GB 50205—2011)的有关规定。
3)高强度螺栓连接副的安装和紧固
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4)钢结构构件高强度螺栓连接
高强螺栓连接施工简便，质量可靠，近年来在钢结构施工中应用越来越多，成为主要的连接形式之一。临时螺栓穿入数量应由计算确定，并应符合下述规定：
①不得少于安装孔总数的1/3。
②至少应穿两个临时螺栓。
③如穿入部分冲钉，则其数量不得多于临时螺栓的30%。
6.2钢结构桁架工程
6.2.1钢桁架的几种类型
(1)三角形桁架(图6.4)
当屋面坡度较大(i＞1/3)时采用。
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图6.4 三角形桁架
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图6.4(a)通常称为芬克式桁架。它的特点是较长的腹杆受拉，较短的腹杆受压，故腹杆所需的截面较小。
图6.4(b)一般用于跨度较小的屋架，它的优点是杆件的节点较少，腹杆与弦杆的交角较好，节点构造易于处理，在三角形桁架中也是一种较好的结构形式。
图6.4(c)其优点是短小的腹杆受压，长的腹杆受拉，缺点是腹杆的总长度较大，节点数目也较多，且杆件的交角太小，节点板所用钢材较多。
对于跨度较大或者屋面坡度很陡的屋架，可以将下弦弯折，做成图6.4(d)所示的形式，以减少跨中高度和运送单元的高度。
(2)梯形桁架(图6.5)
图6.5(a)、(b)为陡坡梯形桁架，与三角形桁架比较，其受力情况较好。
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图6.5 梯形桁架
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图6.5(c)(d)为坡度较平的梯形桁架，当采用卷材防水屋面时，由于坡度很小(i=1/8~1/12)，宜采用这种形式的桁架。
如果上弦节点间距太长，可以沿屋架全长或局部布置再分式腹杆。
(3)平行弦桁架
当上下弦互相平行时为平行弦桁架，如图6.6所示。目前，这种桁架在屋盖结构中常用作托架。
(4)多边形桁架(图6.7)
当屋面坡度i=1/5~1/3时，还可以采用图6.7(a)、(b)所示的五边形桁架，它是由三角形桁架演变出来的。
图6.7(c)、(d)是由梯形桁架演变出来的多边形桁架。
6.2.2轻型钢屋架的应用
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图6.6 平行弦桁架
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图6.7 多边形桁架
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(1)圆钢、小角钢组成的轻型屋架
圆钢或小角钢(小于∟45×4或∟56×36×4)组成的轻型钢屋架，具有自重较轻、用料较省、造价低和施工安装比较方便等优点，同时还具有足够的强度、刚度和稳定性，在一般条件下是安全可靠的。
轻型钢屋架的形式：常采用芬克式、三铰拱式和梭形三种形式。
(2)芬克式屋架
三角形芬克式屋架的形式如图6.8所示，一般均为平面桁架式，其外形和腹杆体系与普通钢屋架没有区别，只是下弦杆和腹杆的截面可以采用单角钢或圆钢(小跨度的屋架上弦杆也可以采用单角钢)。
(3)三铰拱屋架
三铰拱屋架的形式如图6.9所示。按斜梁的截面形式又可分为平面桁架
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图6.8 芬克式屋架
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和空间桁架两种。
拱拉杆采用圆钢或角钢，吊杆一般都用圆钢。
斜梁为平面桁架时，杆件较少，构造简单，受力明确，用料较省。
斜梁为空间桁架时，杆件较多，构造较繁杂，制作费工。
三铰拱屋架适用的屋面坡度及屋面材料与芬克式屋架相同。
(4)梭形屋架
梭形屋架也分为平面桁架式和空间桁架式两种(图6.10)。
6.3钢结构网架工程
屋盖网架系一类大跨度的空间结构，自重轻，跨度大，节约材料，工艺复杂，技术要求高。6.3.1网架结构起拱及下料
(1)网架起拱
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图6.9三铰拱屋架的形式
图6.10梭形屋架的形式
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作为大跨度屋盖的网架结构必须起拱，以消除网架使用期间产生的挠度，称为工作起拱。
网架起拱方法：
按线型分为弧线起拱和折线起拱；按方向分为单向起拱和双向起拱。
网架弧线型起拱的计算公式，按图6.11可用勾股弦定律推算：
式中R——圆弧曲线半径；
Lx——x向跨度；
f0——所求跨中起拱值。
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图6.11 弧形起拱参数图
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式中x——所求节点距原点O的距离；
fx——所求x节点的起拱值。
式中α——起拱后每个网格所对的中心角；
R——自原点O算起的网格数。
起拱后杆长S由下式计算：
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(2)杆件节点制作及下料
网架主要由钢球和钢管组成。钢板节点放样，可以按设计图纸将实际尺寸画在硬纸板上，剪下后放在钢板上，用石笔在钢板上画出杆件及螺栓中心线，然后切割下料。钢板节点按设计图纸尺寸和角度，先临时点焊固定，待检查符合设计和施工规范后，就可以全面施焊。
钢管球节点的钢球是由工厂专用生产的，而钢管杆件则在现场加工制作，钢管杆件的下料长度如图6.12所示，且按下式进行计算：
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图6.12 下料长度关系图
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式中L——节点中心距离；
R——钢球半径；
r——钢管内半径;
a——预留焊缝收缩量，1.5～3.5 mm；
b——焊缝间隙，2～3 mm。
6.3.2网架结构安装
根据我国近几年来的工程实践，网架拼装方法可以归纳为下面几种：
(1)高空散装法
高空散装法适用于螺栓球节点或高强螺栓连接的网架。
(2)分条(块)吊装法
条状单元沿网架长跨方向分成若干区段，每个区段的宽度为1～3个网格，
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长度为网格的短跨。
(3)高空滑移法
1)滑移方法
滑移的网架应制作成条状单元。条状单元可以在地面制作，然后吊运到高空进行滑移；也可以在高空制作，直接滑移。
高空滑移的方法主要有两种：
①单条滑移
②逐条积累滑移
2)滑移设备
①滑轨
②导向轮
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3)同步控制
对于网架高空滑移同步控制的精度，是衡量滑移技术高低的指标之一。滑移时要求必须保持同步。
控制同步最简单的方法是在网架两侧的梁顶面上划出尺寸线，一边牵引一边报滑移距离。
4)挠度调整
单条滑移时网架虽然仅承受自重，但其挠度仍较整体网架大，在连接新的单元前，都应将滑移到位的单元网架的挠度进行调整，然后再拼装焊接。
(4)网架整体提升或顶升法
提升是将提升设备置于网架上面，通过吊杆将网架提升到设计标高就位。
提升和顶升网架的特点是整个网架在地面进行总拼焊接，然后垂直提升
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或顶升到设计标高就位安装。提升法适用于周边支承的网架，顶升法适宜点支承网架。
(5)网架整体吊装法
网架在地面上总拼装焊成整体，然后用起重设备将网架吊装到设计标高就位安装。
采用多根桅杆抬吊时，网架需在空中旋转或平移才能就位，可以在水平方向设置手拉葫芦帮助旋转或平移就位。
6.4钢结构施工的质量要求与安全措施
6.4.1钢结构的制作质量要求
①在进行钢结构制作之前，必须对各种型钢进行检验，确保钢材的型号符合设计规定。
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②受拉杆件的细长比不得超过250。
③当杆件用角钢制作时，应采用肢宽而薄的角钢，以增大回转半径。
④一榀屋架内，不得选用肢宽相同而厚度不同的角钢。
⑤钢结构所用的钢材，型号规格尽量统一。
⑥钢材的表面，应彻底除锈，去油污，且不得出现伤痕。
⑦采用焊接的钢结构，焊缝质量的检查数量和检查方法，应按规范进行。
⑧焊接的焊缝表面的焊波应均匀，且不得有裂缝、焊瘤、夹渣、弧坑、烧穿和气孔等现象发生。
⑨桁架各个杆件的轴线必须在同一平面内，各个轴线应为直线，都相交于节点的中心处。
⑩荷载都应作用在节点上。
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6.4.2钢结构的安装质量要求
①各节点应符合设计要求，传力可靠、符合规范。
②各杆件的重心线应与设计图中的几何轴线重合，以避免各杆件出现偏心受力。
③腹杆的端部应尽量靠近弦杆，以增加桁架外的刚度。
④截断角钢，宜采用垂直于杆件轴线直切。
⑤在装卸、运输和堆放的过程中，均不得损坏杆件，并防止其变形。
⑥为了使两个角钢组成的“┐┌”形或“X”字形截面杆件共同工作，在两个角钢之间，每隔一定的距离应焊上一块钢板。
⑦采用高强螺栓组连接时，必须当天拧紧完毕，外露丝扣不得少于两扣。对欠拧、漏拧的，除用小锤逐个检查拧紧外，还用小锤划缝，以免松动。
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⑧用螺栓连接时，其外露丝扣不应少于2~3扣，以防止在振动作用下，发生丝扣松动。
⑨对钢结构的各个连接接头，在经过检查合格后，方可紧固和焊接。
6.4.3钢结构中存在的质量通病
①进材堆放时，由于碰撞，使之破损、变形。
②运输过程中，由于碰撞，造成破损、弯曲、变形。
③拼装后发生变形，其值超过允许值。
④构件的下弦，起拱过大或过小。
⑤拼装时，由于焊接而造成的翘曲或变形。
⑥钢柱与基础的连接，有空隙。
⑦钢柱、桁架(或网架)在安装时，与事先预埋的螺栓不对中或偏差过大。
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6.4.4钢结构施工中的安全措施
①安装时，应设专人指挥。
②在施工吊装的过程中，不得超负荷运行。
③在钢结构施工中，无论是搬运还是安装，必须严防碰撞电线，更不得接近高压线；必须在高压线附近施工时，其距离最小也要超过2 m。
④采用气焊气割时，应严防电石桶爆炸伤人。
⑤严禁在高空作业时，往下掉物，以免伤人。
⑥应对钢结构采取防火措施，以提高钢结构的耐火能力。
⑦顶板与钢梁叠合时，若有缝隙，应用防火涂料填满。
⑧防锈涂层表面不得出现凹凸不平现象。
⑨涂料不得过稀，也不得过厚，其间隔时间也不能太短。
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⑩在吊装或安装过程中：其上，操作人员必须系好安全带；其下，严禁行人通过，设安全监督岗。
6.5施工质量强制性规范的基本要求
6.5.1《钢结构工程施工质量验收规范》GB 50205—2001中的基本要求
钢材、钢铸件的品种、规格、性能等应符合现行国家产品标准和设计要求。进口钢材产品的质量应符合设计和合同规定标准的要求。
(1)实施与检查的控制方法
1)钢结构常用的钢材、钢铸件应按现行国家产品标准进行核准验收。
2)当质量合格证明文件出现下列3种情况，以及按现行《钢结构工程施工质量验收规范》GB 50205—2001的规定(第4.3.2条)需要抽样复检时，应检查复验检验报告。
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质量合格证明文件为复印件，有伪造的嫌疑；
质量合格证明文件不全，如缺少合格证、材质单等；
质量合格证明文件的内容少于设计要求的项目，如屈服强度、抗拉强度、冷弯性能、冲击韧性、化学成分等主要指标。
3)材料抽样复试应由有计量认证、检测资质的单位进行。
4)抽样实行见证取样制度。
(2)检查
检查所有钢材、钢铸件质量合格证明文件、中文标志及检验报告等文件资料的合法、有效和完整性。
①国产钢材、钢铸件的质量合格证明文件及检验报告合法、有效，且内容符合现行国家产品标准和设计要求的，应予以验收。
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②进口钢材、钢铸件的质量合格证明文件、中文标志及检验报告合法、有效，且其内容符合设计和购货合同规定标准要求的，应予以验收。
③凡不符合上述第1，2项规定时，必须经有资质的检测单位检测鉴定或原设计单位核算认可，否则不得验收和使用。
④使用无质量合格证明文件的钢材、钢铸件视为违反强制性条文的行为。
6.5.2焊接材料的品种、规格、性能等应符合现行国家产品标准和设计要求
(1)实施与检查的控制方法
①钢结构中常用的焊接材料应按现行国家产品标准进行核准验收。
②焊接材料的检验应到有资质的检测单位，并实行见证取样制度。
(2)检查所有焊接材料质量合格证明文件、中文标志及检验报告等文件资料的合法、有效、完整性
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①质量合格证明文件、中文标志及检验报告合法、有效，且内容符合现行国家产品标准和设计要求的，应予以验收。
②凡不符合上述第1项规定时，必须经有资质的检测单位检测鉴定或原设计单位核算认可，否则不得验收和使用。
③使用无质量合格证明文件的焊接材料视为违反强制性条文的行为。
6.5.3钢结构连接
(1)实施与检查的控制方法
1)钢结构中常用的紧固件应按现行国家产品标准进行核准验收。
2)验收高强度螺栓连接副出厂质量合格证明文件应按以下主要内容进行：①材料、炉号、化学成分；②规格、数量；③机械性能；④出厂日期和批号；⑤扭矩系数或紧固轴力(预拉力)出厂检验报告(平均值、标准偏差及测试环境温度)。
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3)连接紧固件如没有国家产品标准的，应采用进口国的产品的产品标准或生产厂家的企业标准验收。
4)连接紧固件检验应到有检测资质的单位。
(2)检查所有钢结构连接紧固件质量合格证明文件、中文标准及检验报告等文件资料及其合法、有效、完整性。对于进口的紧固件或按国外标准生产的紧固件，其主要的质量合格证明文件和检验报告至少应有合法、有效的中文文件。
①质量合格证明文件、中文标志及检验报告合法、有效，且其内容符合现行产品标准和设计要求的，应予以验收。
②凡不符合上述第1项规定时，必须经有资质的检测单位检测鉴定或原设计单位核算认可，否则不得验收和使用。
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③使用无质量合格证明文件钢结构连接紧固件视为违反强制性条文行为。
6.5.4焊工必须经考试合格并取得合格证书，持证焊工必须在其考试合格项目及其认可范围内施焊
(1)实施与检查的控制方法
1)对从事钢结构焊接的焊工应检查其合格证书，合格证书应含下列内容：
①基本情况：姓名、性别、年龄、编号、工作单位、焊工钢印号、发证日期、有效期及考试委员会公章和焊工照片。
②理论知识考试成绩表。
③操作技能考试成绩表。
④本证书授予操作范围：焊接方法、接头类别(板对接、角接、管件)、钢材类别、焊材类别、厚度管径范围、焊接位置、单(双)面焊等。
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⑤工作质量记录，至少每半年记载一次。
⑥免试证明。
⑦注意事项。
2)焊工合格证书有效期为3年，有效期满准予免试的焊工合格证书有效期延长不得超过3年，且不得连续免试。
(2)检查焊工合格证书及其认可范围、有效期及合法、真伪性
6.5.5设计要求和质量规定
设计要求全焊透的一、二级焊缝应采用超声波探伤进行内部缺陷的检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤。
焊接球节点网架焊缝、螺栓球节点网架焊缝及圆管T，K，Y形节点相关线焊缝，其内部缺陷分级及探伤方法应分别符合国家现行标准的规定。
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实施与检查的控制方法是：
施工技术人员应了解设计意图，并对不同构件焊缝向操作人员进行交底。
设计对不同构件的焊缝质量等级要求分别为：
①在需要进行疲劳计算的构件中，凡对接焊缝均应焊透。
②不需进行疲劳计算的构件中，凡要求与母材等强的对接焊缝应予焊透。
③重级工作制(A6~A8级)和起重量Q≥50 t的中级工作制(A4，A5级)吊车梁的腹板与上翼缘之间以及吊车桁架上弦杆与节点板之间的T形接头焊缝均要求焊透。
④腹板与翼缘之间不要求焊透的T形接头焊缝可采用角焊缝或部分焊透的对接与角接组合焊缝。
2)正确运用钢结构焊缝内部缺陷无损探伤检验标准及其适用范围
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①《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》GB 11345。
②《钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级》GB 3323。
③《焊接球节点钢网架焊缝超声波探伤及质量分级法》JG/T 3034.1。
④《螺栓球节点钢网架焊缝超声波探伤及质量分级法》JG/T 3034.2。
⑤《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ 81中有关圆管T，Y，K节点焊缝的超声波探伤方法。
3)无损探伤人员应按考核合格项目及权限从事焊缝无损检测，无损检测报告签发人员必须有相应探伤方法的Ⅱ级或Ⅱ级以上资格证书。

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