建筑鋼結(jié)構(gòu)對鋼材的要求

高 云

（濰坊科技學(xué)院 山東壽光 262700）

建筑鋼結(jié)構(gòu)對鋼材的要求

高 云

（濰坊科技學(xué)院 山東壽光 262700）

現(xiàn)代化的高層建筑當(dāng)中，多采用鋼結(jié)構(gòu)作為樓宇的主體結(jié)構(gòu)，所以鋼材的質(zhì)量及性能還有焊接的方式就決定了建筑的質(zhì)量。本文從建筑鋼結(jié)構(gòu)對鋼材的設(shè)計要求、抗震性能要求及焊接的要求這三個方面進行闡述，以期為行業(yè)工作者提供參考。

建筑；鋼結(jié)構(gòu)；鋼材；要求

建筑鋼結(jié)構(gòu)在使用的過程中，鋼材料作為工程施工的主體，對原材料的規(guī)格及設(shè)計要求、抗震性都有較高的要求。并且以鋼材作為建筑主體結(jié)構(gòu)的建筑通常會與玻璃、膜材等現(xiàn)代化的建筑材料配合使用，所以對鋼材的要求還需將與此類材料的融合、形成牢固性納入考慮的范圍。

一、鋼結(jié)構(gòu)建筑的主要特點

在鋼結(jié)構(gòu)的建筑當(dāng)中，鋼材存在以下幾個優(yōu)點：首先是強度比較高，剛度大，自重輕。鋼結(jié)構(gòu)的建筑當(dāng)中，混凝土與鋼材之間的自重之比為1:1.6。而且所承受的地震能力=質(zhì)量乘以地震加速度，故重量越輕，地震力也相對減少。并且因為建造鋼結(jié)構(gòu)的建筑多采用現(xiàn)代技術(shù)，所以施工周期比較短，不僅大大縮短了投入的資金，并且不會受到季節(jié)因素的影響。由于鋼材的延展性，可以直接運用在建筑梁深及柱體間跨度，將面積的使用率提高到5%～8%，產(chǎn)生的垃圾少，造型也比較美觀，對推行環(huán)保綠色行業(yè)發(fā)展起著重要的作用。

二、建筑鋼結(jié)構(gòu)對鋼材的設(shè)計要求

內(nèi)應(yīng)力是指在一個已經(jīng)形成的鋼結(jié)構(gòu)框架當(dāng)中，鋼材于所處的環(huán)境內(nèi)能夠承受的棱邊壓力或者軋制、焊接熱度過后能夠自動冷卻所產(chǎn)生的壓力。比如在華潤建造的鋼結(jié)構(gòu)的辦公樓宇當(dāng)中，在結(jié)合工程要求和抗震性后對鋼材的設(shè)計要求范圍包含其橫向強度特性、延展性、可成形性、安全性，包括對鋼材循環(huán)性的焊接加溫，軋制時的韌性沖擊作用，焊接裂縫對其的敏感性和涂料造成的腐蝕性。如果客戶有特別要求，還要考慮容忍度、測試性、報道性及表面輪廓。

因本次工程當(dāng)中采用的是熱軋結(jié)構(gòu)的鋼材，其擴展壓力為690MPa，按照鋼結(jié)構(gòu)建筑的規(guī)定——《鋼結(jié)構(gòu)及橋梁慣用標(biāo)準規(guī)范（AISC,2005）》，對鋼材規(guī)定了最小的屈服強度，鋼材當(dāng)中利用率會造成鋼材強度和尺寸的不同。比如在建筑中采用415MPa屈服應(yīng)力的鋼材，將底盤厚度上限至32mm。在鋼材的軋制過程當(dāng)中，其屈服應(yīng)力的參數(shù)由鋼材的拉伸性能決定，從而確定鋼材的規(guī)格及各種性能要求。同時在此過程中鋼材的物理性和機械特性同樣對建筑鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震程度起著重要的作用，比如在軋制當(dāng)中的鋼材延展性和抗腐蝕性及可成形性。

在設(shè)計時，還要提供鋼材完整的衡量因素，將材料選擇和建筑的獨特性或者具有專門用途的設(shè)施考慮在內(nèi)，還要考慮其焊接聯(lián)結(jié)的要求。所以材料的規(guī)格、工藝及施工質(zhì)量都需要進行檢查。在高溫焊接區(qū)域內(nèi)鋼材焊接時的收縮應(yīng)變可能超過材料的強度。對于有特殊用途的鋼結(jié)構(gòu)，比如長期處于低溫狀態(tài)下的鋼材，或者是帶有沖擊力的荷載結(jié)構(gòu)，就要求鋼材具備超高韌性。但是目前國內(nèi)市場和高層建筑中采用的鋼材均為相對暖性的。鋼材在軋制的過程中應(yīng)變速率的穩(wěn)定性能夠影響到建筑鋼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計和能夠循環(huán)使用的次數(shù)及質(zhì)量。在此過程中，鋼材出現(xiàn)斷裂的機率比較低，因此大多數(shù)建筑物斷裂的可能性也就比較低。在設(shè)計時，選用高質(zhì)量的鋼材原材料，采用不同形狀的鋼材進行幾何穩(wěn)定的連接，這樣能夠使得鋼材具有良好的抗斷裂性。

三、高層建筑鋼結(jié)構(gòu)對鋼材抗震性能的要求

鋼材的抗震性會因為材料和制造技術(shù)的不同有不同的等級。對鋼材抗震性能的要求需要根據(jù)建筑區(qū)域內(nèi)地震發(fā)生的概率和最高等級進行選擇。如表1所示：

表1 西南某多丘陵區(qū)域地震發(fā)生等級

《鋼材抗震設(shè)計》中對鋼材抗震提出以下幾個要求：首先其屈強系數(shù)不能超過0.85，其次是要求鋼材的伸長率不大于百分之二十，鋼材之間的標(biāo)準距離為50.8毫米，還要具有良好的焊接性。特別是針對高層鋼結(jié)構(gòu)建筑，鋼材還要有很強的延展性，鋼材還要具備一定的強度和允許變形的范圍，這是為了鋼材形成塑性后產(chǎn)生的截面轉(zhuǎn)動需求。鋼材中存在簡單的塑性，除了塑性鉸截面外，其余截面都處于彈性范圍。在實際的操作當(dāng)中，鋼材的彎矩也大于塑性彎矩，處于強化階段。對于現(xiàn)代化高層建筑的抗地震性，所用鋼材的屈服強度不能超過350MPa，抗震體系或者是屈強比為 0.8，鋼材軋制時的延展性為 16%左右。比如本工程中采用的460MPa的鋼材符合墻柱弱梁要求，屈強比為0.85，伸長率為16%。另外在鋼材通過螺栓進行連接時，只要無栓孔界面發(fā)生足夠的塑性變形，帶栓孔凈截面仍然處于未發(fā)生斷裂狀態(tài)，如圖1所示：

圖1 鋼結(jié)構(gòu)截面圖

如果在鋼結(jié)構(gòu)的連續(xù)梁的塑性設(shè)計時，所出現(xiàn)的第一個塑性鉸繼續(xù)承載時，此塑性鉸所在的截面必須像真實鉸一樣轉(zhuǎn)動。同時鋼材在塑性設(shè)計計算時，還要讓塑性鉸截面外的截面處于彈性范圍內(nèi)，滿足構(gòu)件在塑性范圍內(nèi)實現(xiàn)足夠的轉(zhuǎn)動，這樣的鋼材所承受的應(yīng)力（單位截面內(nèi)）范圍內(nèi)的實際彎矩會大于理想的塑性彎矩，且材料必須有強化階級。通常在鋼材的抗震鋼結(jié)構(gòu)中，在設(shè)計時抗震性建立在鋼結(jié)構(gòu)的基座的梁端部分，使其能夠以鋼材吸收震動能力的方式增強主體框架的穩(wěn)定性。由此可以看出，除了考慮建筑區(qū)域內(nèi)發(fā)生地震的頻率與地震最高級別外，鋼材的設(shè)計及選用要求需要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)強柱弱梁的要求還有鋼材的用途決定。

四、建筑鋼結(jié)構(gòu)對鋼材的焊接要求

在鋼結(jié)構(gòu)建筑施工時，需要選用焊接的方式將多個部分的鋼材進行連接，焊接的技術(shù)流程需要按照設(shè)計的圖和焊接的材料及鋼材的形狀決定，并對各類材料的規(guī)格和質(zhì)量進行復(fù)檢，鋼材的化學(xué)成分、力學(xué)性能和其質(zhì)量要求必須符合國家對高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的規(guī)定標(biāo)準。在鋼材的成分和性能要符合國家要求的同時，還要符合工程建造的結(jié)構(gòu)性，針對大型或者重型及特殊鋼結(jié)構(gòu)的主要焊接采用焊接填充材料，并要經(jīng)過復(fù)驗。焊接時，需要根據(jù)鋼材的形狀和性能及應(yīng)用的部分設(shè)置不同的焊接點，現(xiàn)代高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中廣泛采用了T形焊接、十字形焊接機角接接頭焊接。當(dāng)鋼材在進行焊接的過程中，其翼緣板厚度超過 35mm時，采用的焊接方式需要結(jié)合抗層狀的撕裂、形態(tài)、鋼材厚度和建筑的結(jié)構(gòu)類型進行選擇。為方便高層建筑的焊接，提高工作效率，一般采用氣體保護焊接，焊接的氣體是氬氣，其純度不應(yīng)低于99.95%。焊接時，為保證其牢固性，應(yīng)盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸，焊縫的布置對稱與構(gòu)建截面的中和軸，更便于焊接的操作，避免仰焊位置施焊。在焊接時，可采用剛性較小的節(jié)點形式，在焊縫密集和雙向、三向相較時，焊縫位置可以避開高應(yīng)力區(qū)，并且焊接的坡口形狀和尺寸與焊接工藝相關(guān)。在進行組合焊接時，鋼材構(gòu)建的焊接節(jié)點需要對焊縫的尺寸、間距、填焊高度有一定要求。鋼材焊縫之間存在的間隔孔徑應(yīng)小于焊孔的四倍，而鋼材之間的焊槽在縱向的最小間距應(yīng)為槽孔長度的兩倍，開孔板厚度為8毫米。

結(jié)束語：

由此可知，在建筑鋼結(jié)構(gòu)的建造過程中，對鋼材的要求需要從材料的規(guī)格選擇、抗震性能、焊接的方式及工藝要求幾個方面同時進行。這樣才能選擇出更為適合的，延展性、剛度更強的鋼材，保證鋼結(jié)構(gòu)建筑的質(zhì)量。

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