钢结构构件的截面形式、连接方式及制作
——广东梯井电梯配套工程有限公司
一、钢结构构件的截面形式
★ 1、受拉构件的截面形式
受拉构件的截面形式有许多种，钢结构构件的选用也可以从受力方面考虑。当受力较小时，可选用热轧型钢和冷弯薄壁型钢。当受力较大时，可选用由型钢或钢板组成的实腹式截面形式。当构件较长且受力较大时，可选用型钢组成的格构式截面形式。
★ 2、受弯构件的截面形式
只受弯矩作用或受弯矩与剪力共同作用的构件称为受弯构件。实际工程中，以受弯受剪为主但作用着很小的轴力的构件，也常称为受弯构件。结构中的受弯构件主要以梁的形式出现，通常受弯构件和广义的梁是指同一对象。按弯曲变形情况不同，构件可能在一个主轴平面内受弯，也可能在两个主轴平面内受弯。前者称为单向弯曲构件（梁），后者称为双向弯曲或斜弯曲构件（梁）。按支承条件的不同，受弯构件可分为简支梁、连续梁、悬臂梁等。按在结构体系传力系统中的作用不同，受弯构件分为主梁、次梁等。按截面形式和尺寸沿构件轴线是否变化，有等截面受弯构件和变截面受弯构件之分。在一些情况下，使用变截面梁可以节省钢材；但也可能会增加制作成本。按截面构成方式的不同，受弯构件可分实腹式截面和空腹式截面，前者又分为型钢截面与焊接组合截面。
采用型钢的受弯构件，通常使用工字钢（也称为I形钢）或截面宽高比较大（0.5～1.0）的宽翼缘工字钢（以下称H形钢）和槽钢等（如图a示）。工字钢与H形钢的材料在截面上的分布比较符合构件受弯的特点，用钢较省，因此应用普遍。槽钢翼缘较小，而且截面单轴对称，剪力中心在腹板外侧，绕截面对称轴弯曲时容易发生扭转，使用时常采用一定的措施，或使外力通过剪力中心，或者加强约束条件。
冷弯薄壁型钢（如图b示）也是经常用于受弯构件的型钢截面。在室温条件下加工成型的冷弯薄壁型钢，板壁都较薄，国内目前生产的主要在1.5～3.0mm的范围内，所以多用在承受较小荷载的场合下。例如房屋建筑中的屋面檩条和墙梁。
由于受到轧制设备的限制，当型钢规格不能满足受弯构件的要求、或考虑最大限度地节省钢材时，可采用焊接组合截面（如图c示）。焊接组合截面由若干钢板、或钢板与型钢连接而成。它的截面比较灵活，有的情况下可使材料的分布更容易满足工程上的各种需要。从而节省用钢。用3块钢板组成的工字形截面、4块钢板组成的箱形截面，以及由若于个箱室组成的多室箱形截面。在工程中应用也很广泛。
空腹式截面（下图（d））可以减轻构件的自重。在建筑结构中也方便了管道的通行，对外露的结构构件，有时还能起到空间韵律变化的作用。
除了钢构件外。有用钢筋混凝土和轧制型钢或焊接型钢构成的组合梁，其中作为建筑物楼面、桥梁桥面等的混凝土板。也作为梁的组成部分参与抵抗弯矩。
★ 3、压弯构件的类型与截面形式
构件受到沿杆轴方向的压力（轴力）和绕截面形心主轴的弯矩作用，称为压弯构件。如果只有绕截面一个形心主轴的弯矩，称为单向压弯构件；绕两个形心主轴都有弯矩时，称为双向压弯构件。弯矩可以由偏心轴力引起时，这种情况称为偏压构件。建筑框架中的钢柱大多是典型的压弯构件；钢桁架中的弦杆和腹杆若比较粗短，加上端部有很强的转动约束时，也是压弯构件。压弯构件的截面形式按其组成方式区分，可以有型钢、钢板焊接组合截面或型钢与型钢、型钢与钢板的组合截面；以几何特征分，可以有开口截面，也可以有闭口截面，有双轴对称也有单轴对称截面；除了实腹式截面外，为了提高截面的抗弯刚度，还常常采用格构式截面。（如下图9-3示）
二、钢结构构件的连接方式
钢结构构件间的连接方式主要有高强螺栓连接、焊接等。
★ 1、柱与柱的连接——柱与柱的连接因柱的截面不同而采用的连接方式不同，如柱为H型钢柱可用高强螺栓连接或高强螺栓与焊接共同使用的混合连接，箱形截面柱多采用焊接。
★ 2、柱与梁的连接——由梁截面多为H型钢梁，其与柱的连接可用高强螺栓连接、焊接和混合连接。（图9-5）。
★ 3、梁与梁的连接——梁与梁的连接可采用高强螺栓连接和焊接。
三、钢构件的制作
钢结构工程与混凝土结构工程的最大不同在于其构件的绝大部分是在加工厂完成的，因此，钢构件的制作质量特别是尺寸精度直接影响钢结构的现场安装。
钢构件在加工厂制作的流程为：编制构件制作指示书→原材料矫正→放样、号料、切割→制孔、边缘加工→组装和焊接→端部加工和摩擦面处理→除锈和涂装→验收和发运。
★ 1、编制构件制作指示书
钢构件的制作，是钢结构工程中的一项十分重要的作业过程，在制作前应根据设计文件和施工图以及制作条件，编制构件制作施工指示书。其主要内容有：
（1）施工中所依据的标准和规范；
（2）成品的技术要求，其中包括工序的技术要求和各技术工种的技术要求；
（3）采用的加工、焊接设备和工艺装备；
（4）焊工和检验人员的资格证明；
（5）制作厂家的管理和质量保证体系；
（6）各类检查表格。
★ 2、矫正
型材在轧制、运输、装卸、堆放过程中，可能会产生表面不平、弯曲、波浪形等缺陷。这些缺陷有的需要在划线下料之前矫丘，有的则需在切割之后进行矫正。在矫正时，应注意下述几点：
（1）碳素结构钢和低合金结构钢应注意矫正的环境温度和加热温度，碳素结构钢在环境温度低于-16℃、低合金结构钢在环境温度低于-l2℃时，不得进行冷矫正和冷弯曲。
（2）在加热矫正时，加热温度应根据钢材性能选定，但不得超过900℃。低合金结构钢在加热矫证后应缓慢冷却。
（3）矫正后的钢材表面，不应有明显的凹面域损伤，划痕深度不得大于0.5mm，且应符合国家现行有关规范对表面质量的要求。钢材矫正后的允许偏差，应符合有关钢结构规范或其它设计资料的规定。
★ 3、放样、号料和切割
放样和样板（样杆）是号料的依据，应根据批准的施工图进行放样，制作样板或样杆，并规定其允许偏差，便于工序检查，对于平行线距离和分段尺寸、宽度、长度、孔距，其允许偏差为±0.5mm；对角线差1.0mm；加工样板的角度允许偏差为±20ˊ。放样应采用经过计量检定的钢尺，并将标定的偏差值计入量测尺寸。尺寸划法应先量全长后分尺寸，不得分段丈量相加，避免误差积累。
号料应使用经过检验合格的样板（样杆），避免直接用钢尺所造成的过大偏差或看错尺寸而引起的不必要损失。号孔应使用与孔径相等的圆规号孔，并打上样冲作出标记，便于钻孔后检查孔位是否正确。号料的允许偏差为：零件外形尺寸±1.0mm，孔距±0.5mm。切割分为机械剪切、气割、锯切类型。机械剪切用于切割厚度小于12mm的钢板；气割则用于切割厚度大于l2mm钢板；锯切用切割宽翼缘型钢。
★ 4、边缘加工和制孔
切割后的钢板或型钢在焊接组装前需作边缘加工，形成焊接坡口。焊缝坡口加工可采用气割、铲削、坡口机切削等方法，边缘加工需用样板控制坡口角度和各部尺寸，当采用气割或机械剪切的零件，其边缘加工的刨削量不应小于2.0mm。制孔时，应注意孔的类型及其制作要求。对于A、B级螺栓孔应保证孔距精度和孔壁表面粗糙度；对于C级螺栓孔应保证摩擦型高强度螺栓孔径比杆径大1.5～2.0mm承压型高强度螺栓孔径比杆径大1.0～1.5mm。
★ 5、组装和焊接
板材、型材由于长度（板材包括宽度）受到限制，往往需要在工厂进行拼接；一个较复杂的构件由很多零件或部件 （组合牛腿等）组成。为减少构件的焊接残余应力，应先进行材料拼接和部件组装，待焊接、矫正后再进行构件的组装、焊接。通常，焊接H型钢和柱均先在拼装台座上进行焊接小组装，框架短梁与柱身再进行焊接大组装，形成梁柱的框架节点。
焊接工艺评定是保证钢结构焊缝质量的前提，通过焊接工艺评定选择最佳的焊接材料、焊接方法、焊接工艺参数、焊后热处理等，以保证焊接接点的力学性能达到设计要求。对于任何施工单位首次使用的钢材、焊材及改变焊接方法、焊后热处理等，必须进行焊接工艺评定，工艺评定合格后写出正式的焊接工艺评定报告和焊接工艺指导书；用以指导构件的焊接组装。焊工应经过考试并取得合格证后方可从事焊接工作，焊工停焊时间超过6个月，应重新考试。
钢构件的板件间焊接接头形式主要有对接接头、T形接头、角接接头、十字接头等。对接焊缝及对接和角接组合焊缝，应在焊缝的两端设置引弧和引出板，其材料和坡口形式应与焊件相同。引弧和引出的焊缝长度：埋弧焊应大于50mm；手工电弧焊及气体保护焊应大于20mm焊接完毕后应采用气割切除引弧和引出板，并修磨平整。
角焊缝转角处宜连续绕角施焊，起落弧点距焊缝端部宜大于l0mm，角焊缝端部不设置引弧和引出板的连续焊缝，起落弧点距焊缝端部宜大于l0mm，且弧坑应填满。
焊接厚度大于50mm的碳素结构钢和厚度大于36mm的低合金结构钢，施焊前应进行预热，焊后应进行后热。预热温度宜控制在100～150℃；后热温度应由试验确定。预热区在焊道两侧，每侧宽度均应大于焊接厚度的两倍，且不应小于100mm。
在工厂进行焊接时，除采用常规的手工电弧焊外，可采用CO2气体保护电弧焊，该方法用已为气体对焊缝进行保护，其焊接效率为手工电弧焊的4倍，且可减少夹渣、气泡等缺陷。对于H型钢的翼缘与腹板、箱形柱的四个角区还可采用自动埋弧焊进行焊接组装。
碳素结构钢应在焊缝冷却到环境温度、低合金结构钢应在完成焊接24h以后，方可进行焊缝探伤检验。局部探伤的焊缝，有不允许的缺陷时，应在该缺陷两端的延伸部位增加探伤长度，增加的长度不应小于该焊缝长度的10%，且不应小于200mm；当仍有不允许的缺陷时，应对该焊缝进行百分之百探伤检查。
栓钉焊焊后应进行弯曲试验检查，检查数量不应少于1%；当用锤击焊钉（螺柱）头、使其弯曲至30o时，焊缝和焊热影响区不得有肉眼可见裂纹。
★ 6、端部铣平和摩擦面处理
钢构件的端部铣平应在矫正合格后进行，两端铣平时，构件长度的允许偏差为 2.0mm；零件长度的允许偏差为 0.5mm；铣平面的平面度允许偏差为0.3mm；铣平面对轴线的垂直度允许偏差为1/500。
钢构件摩擦面处理是指使用高强螺栓连接时构件接触面的钢材表面加工，经过加工使其接触处表面的抗滑移系数达到设计要求额定值，一般取0.45～0.55。在施工条件受限制时，局部摩擦面可采用角向磨光机打磨，打磨方向宜与构件受力方向垂直，范围不应小于螺栓孔径的4倍。通常摩擦面采用喷砂后生赤锈的处理方法，按此法处理后的摩擦面在出厂前应按批作抗滑移试验，最小值应符合设计要求。
★ 7、涂装和编号
在钢材表面涂刷防护涂层，是防止腐蚀的主要手段。其涂料、涂装遍数、涂层厚度均应符合设计要求。当设计对涂层厚度无要求时，宜涂装4～5遍，涂层干漆膜总厚度：室外应为150μm，室内应为125μm，其允许偏差为-25μm。涂装工程由工厂和安装单位共同承担时，每遍涂层干漆膜厚度的允许偏差为-5μm。当设计对涂层厚度有要求时，设计最低涂层干漆膜厚度加允许偏差的绝对值即为涂层的要求厚度，其允许偏差应符合设计对涂层厚度无要求时的规定。涂装时环境温度宜在5～38℃之间，相对湿度不应大于85%，构件表面有结露时不得涂装，涂装后4h内不得淋雨。施工图中注明不涂装的部位不得涂装。安装焊缝处应留出30～50mm暂不涂装。钢构件涂装完毕后，应在构件上标注构件的原编号。大型构件还应标明质量、重心位置和定位标记。
★ 8、验收和发运
钢构件制作完成后需按施工图、编制的制作施工指导书以及 《钢结构工程施工及验收规范》的规定进行验收。钢构件出厂时，应提交下列资料：产品合格证；施工图和设计变更文件，设计变更内容应在施工图中相应部位注明；制作中对技术问题处理的协议文件；钢材、连接材料和涂装材料的质量证明书或试验报告；焊接工艺评定报告；高强螺栓摩擦面抗滑移系数试验报告、焊缝无损检验报告及涂层检验资料；主要构件验收及预拼装记录等。
包装应在涂层干燥后进行；包装应保护构件涂层不受损伤，保证构件、零件不变形、不损坏、不散失；包装应符合运输的有关规定。包装箱上应标注构件、零件的名称、编号、质量、重心和吊点位置等，并应填写包装清单。
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