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建筑型钢是采用镀锌钢板经辊压冷弯成型,其截面成V型、U型、梯形或类似这几种形状的波形。主要用作楼承板,也可被选为其他用途。其优点是施工方便、快捷、节约钢筋,可做钢模板,具有造价低、强度高等优点。建筑型钢含碳量在0.04%-2.3%之间的铁碳合金。我们通常将其与铁合称为建筑型钢为了保证其韧性和塑性,含碳量一般不超过1.7%。建筑型钢的主要元素除铁、碳外,还有硅、锰、硫、磷等。其它成分是为了使钢材性能有所区别。
建筑型钢采用镀锌钢板经辊压冷弯成型,其截面成V型、U型、梯形或类似这几种形状的波形。
主要用作楼承板,也可被选为其他用途。其优点是施工方便、快捷、节约钢筋,可做钢模板,具有造价低、强度高等优点。
建筑型钢含碳量在0.04%-2.3%之间的铁碳合金。我们通常将其与铁合称为建筑型钢为了保证其韧性和塑性,含碳量一般不超过1.7%。建筑型钢的主要元素除铁、碳外,还有硅、锰、硫、磷等。其它成分是为了使钢材性能有所区别。
在我国当前社会经济不断发展的过程中,城市化进程不断加快,土地面积越来越紧缺,这种情况下,城市中居民楼大多数都是高层建筑,那么,为了更好地提高高层建筑的质量,保证其性能,就需要对其中的施工技术不断地进行优化。型钢混凝土技术在高层建筑中的应用,不仅有较强的承载力,同时其在抗震性能以及刚度方面也有着明显的优势。
型钢混凝土构件能够承受高于其外形钢筋混凝土构件1倍以上的承载力,能够有效地扩大建筑结构的使用空间和面积,在居住以及建筑方面都有着显著的经济效益。由此就可以看出型钢混凝土组合结构在高层建筑使用中的优越性 [1] 。
型钢混凝土组合构件是由外部钢筋、核心型钢以及混凝土3种材料共同协同工作组合而成的一种构件,有良好的抗震性能,较强的承载力以及耐久性和耐火性。当前主要应用于结构跨度比较大的高层建筑中。型钢混凝土组合结构主要分为两种类型:一种是部分构件使用型钢混凝土,然后其他部分使用钢筋混凝土或者钢梁,往往柱、剪力墙使用型钢混凝土,框架梁使用刚筋混凝土或者钢梁。另外一种是所有的构件均使用型钢混凝土。在实际的应用中,这两种组合构件往往适用于简中简结构、底部大空间剪力墙结构以及框架结构等。
1 构件的经济性比较
高层建筑的构件选择需要按照相应的结构技术规程进行,比如型钢混凝土组合结构施工中,要求必须选择焊接型钢以及实腹式型钢作为柱内材料。由于实际施工条件的限制,则需要对混凝土的体积配箍率进行计算,保证钢筋配置的合理性,这样才能有效避免施工问题的出现。
2 结构选型
建筑结构中,其终建筑物的功能。经济性能与建筑物的结构形式有着密切的联系,所以在实际进行结构的选择中,需要在建筑方案的设计中对这一问题进行充分考虑。在高层建筑中,如果其柱距比较大,同时因为轴压比的关系,导致柱截面太大,使用以往的建筑结构方式,势必会加重建筑物本身的自重,同时材料的使用量也会增加。这种情况下就需要使用型钢混凝土结构,而如果层高有一定的限制,并且跨度比较大的时候,也可以使用型钢混凝土结构,所以,在实际的结构选择中,需要综合各方面的因素进行结构的确定。
3 布置问题
导致型钢混凝土结构出现结构失稳的主要原因主要有两个方面,首先,柱内型钢的强度低于纵筋,从而导致型钢失稳的发生。其次,柱子上混凝土的脱落,使型钢混凝土的侧向刚强度降低。这一问题往往表现为型钢混凝土柱剪切黏结的破坏,通过型钢与混凝土之间的黏结作用逐渐减弱,直至消失,终导致型钢外侧的混凝土齿裂,影响混凝土作用的发挥 [2] 。
角钢应用特点
角钢:俗称角铁,是两边互相垂直成角形的长条钢材。有等边角钢和不等边角钢之分。等边角钢的两个边宽相等,其规格以边宽×边宽×边厚的毫米数表示。如“∠30×30×3”,即表示边宽为30毫米、边厚为3毫米的等边角钢。也可用型号表示,型号是边宽的厘米数,如∠3#。型号不表示同一型号中不同边厚的尺寸,因而在合同等单据上将角钢的边宽、边厚尺寸填写齐全,避免单独用型号表示。热轧等边角钢的规格为2#-20#。角钢可按结构的不同需要组成各种不同的受力构件,也可作构件之间的连接件。广泛地用于各种建筑结构和工程结构,如房梁、桥梁、输电塔、起重运输机械、船舶、工业炉、反应塔、容器架以及仓库货架等。
槽钢应用特点
槽钢是截面为凹槽形的长条钢材。其规格表示方法,如120*53*5,即表示腰高为120毫米、腿宽为53毫米、腰厚为5毫米的槽钢,或称12#槽钢。腰高相同的槽钢,如有几种不同的腿宽和腰厚也需在型号右边加a b c 予以区别,如25a# 25b# 25c#等。槽钢分普通槽钢和轻型槽钢。热轧普通槽钢的规格为5-40#。经供需双方协议供应的热轧变通槽钢规格为6.5-30#。槽钢主要用于建筑结构、车辆制造和其它工业结构,槽钢还常常和工字钢配合使用。
工字钢应用特点
工字钢也称钢梁,是截面为工字形的长条钢材。其规格以腰高( h)*腿宽(b)*腰厚(d)的毫米数表示,如“工160*88*6”,即表示腰高为160毫米、腿宽为88毫米、腰厚为6毫米的工字钢。工字钢的规格也可用型号表示,型号表示腰高的厘米数,如工16#。腰高相同的工字钢,如有几种不同的腿宽和腰厚,需在型号右边加a b c 予以区别,如32a# 32b# 32c#等。工字钢分普通工字钢和轻型工字钢,热轧普通工字钢的规格为10-63#。经供需双方协议供应的热轧普通工字钢规格为12-55#。工字钢广泛用于各种建筑结构、桥梁、车辆、支架、机械等。
冷弯型钢应用特点
冷弯型钢是制作轻型钢结构的主要材料,采用钢板或钢带冷弯成型制成。它的壁厚不仅可以制得很薄,而且大大简化了生产工艺,提高生产效率。可以生产用一般热轧方法难以生产的壁厚均匀但截面形状复杂的各种型材和不同材质的冷弯型钢。冷弯型钢除用于各种建筑结构外,还广泛用于车辆制造,农业机械制造等方面。
异型钢中包括档圈、马蹄钢、磁极钢、压脚板、浅槽钢、小槽钢、丁字钢、球扁钢、送布牙钢,热轧六角钢等。另外还有铆钉钢、农具钢、窗框钢。 [2]
属于小型型钢。包括钢筋混凝土用热轧圆钢筋、预应力混凝土用热理钢筋、钢筋混凝土用热轧带筋钢筋。冷带筋钢筋。除圆钢外,其它也称螺纹钢。因为在轧制时钢材表面轧成耳子或螺纹筋,是建筑工业中钢筋混凝土用钢材。钢筋根据材料屈服点和抗拉强度分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋。上述钢筋都直接使用。予应力混凝土用热处理的钢筋经热处理的螺纹钢筋,强度高,但不适用于焊接和点焊用的钢筋,钢筋由40Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr等钢经热处理后制成,公称直径6、8.2、10毫米。冷轧带肋钢筋用Q215、Q235、24MnTi钢制成公称直径4-12毫米。钢筋热处理后应卷成盘,以热处理状态交货。
农用型钢
农用型钢主要是指农业生产和农机具专用或半专用的钢材,主要有:农具钢:农具钢是供农村制作小农具和一般民用刃具的常用钢材。主要是小断面的圆钢、扁钢等品种
农用复合钢
农用复合钢分镰刀坯、锄头坯和菜刀坯,用于制造镰刀、锄头等小农具及其它生活用刀具( 如菜刀等)。这类复合钢由两种不同成分的碳素钢热轧而成,外面叫本体钢含碳低,本体钢软韧耐震、粘合性好,容易打磨。中间夹的一层刃口钢含碳、锰等高,坚硬而耐磨,打磨后制作刀具刃口,十分锋利
犁铧钢
用来制造一般用途的机引犁、马拉犁、普通浅耕农具的主犁和前小犁的犁铧,一般用耐磨且有足够强度和韧性的钢制造。我国一般采用65Mn和65SiMnXt钢制造。除此之外,常作农具型钢的还有特殊截面型钢,如T型钢、Z型钢、弧型钢,双面加强钢,加强工字型、草机刀片钢,中凹扁钢及纹杆钢等。
优质型材
优质型材是由优质钢加工制成的型材。分热轧(锻)优质型材、冷拉(拨)优质型材和其它 品种。 热轧(锻)优质型材包括碳素结构钢、碳素工具钢、合金结构钢、弹簧钢、不锈钢、轴承钢、合金工具钢 、模具钢、高速工具钢等品种。 冷拉(拨)优质型材包括碳素结构钢、碳素工具钢、合金结构钢、弹簧钢、不锈钢、轴承钢、合金工具钢 、高速工具钢、易切钢、冷镦钢、S/5A等品种。S/5A是用产品,常用来做炮弹、子弹头。
军工用料
其它品种主要是一些专用的优质型材。包括中空钢、氧气瓶料、冷镦钢、工业纯铁、热轧易切钢、D60、 S/5A、F18、F11等,后面几种都是。优质型钢不分大、中、小型,圆钢和方钢按规格划分组距,如8-10mm、11-15mm、18-20mm、205-245mm。扁钢按断面面积分大、中、小扁。六角钢则不分组距。但优质型钢的组距不能代替具体的规格,在单据上应 填具体的规格。优质型材规格简单,绝大多数是圆钢。此外,还有方钢扁钢、六胸钢、中空钢、异型等热轧(锻)的优质圆钢、方钢、六角钢的尺寸偏差有普通精度和较高精度两种。而冷 拉型材有更为的 尺寸和光洁的表面,有的表面还要抛光、磨光处理。经过抛光或磨光的面精致的圆钢,叫银亮钢。优质型材很少使用,大多都要经过使用单位进一步加工并且经过热处理后使用,因此,除保证化学成分外,同 时还要保证热处理后机械性能。
按照钢的冶炼质量不同,型钢分为普通型钢和优质型钢。普通型钢按现行金属产品目录又分为大型型钢、中型型钢、小型型钢。普通型钢按其断面形状又可分为工字钢、槽钢、角钢、圆钢等。大型型钢:大型型钢中工字钢、槽钢、角钢、扁钢都是热轧的,圆钢、方钢、六角钢除热轧外,还有锻制、冷拉等。工字钢、槽钢、角钢广泛应用于工业建筑和金属结构,如厂房、桥梁、船舶、农机车辆制造、输电铁塔,运输机械,往往配合使用。扁钢在建筑工地中用作桥梁、房架、栅栏、输电船舶、车辆等。圆钢、方钢用作各种机械零件、农机配件、工具等。中型型钢:中型型钢中工、槽、角、圆、扁钢,用途与大型型钢相似。小型型钢:小型型钢中角、圆、方、扁钢,加工和用途与大型型钢相似,小直径圆钢常用作建筑钢筋。
型钢品种繁多,广泛用于国防、机械制造、铁路、桥梁、矿山、船舶制造、建筑、农业及民用等各个部门。本书密切结合当前型钢生产的实际,从型钢的用途、分类特点及技术要求入手,讲述了各种不同特点型钢的工艺、设备及生产操作。包括大中型型钢、线材、钢轨、H型钢、型钢孔型设计和冷弯型钢的生产工艺,主要设备结构、生产操作,型钢产品缺陷控制与事故处理等。反映了国内外型钢生产在近20年的新技术和新设备以及实际应用。本书既可以作为高等职业院校材料工程技术(轧钢)专业的教材,还可供从事轧钢生产、科研和设计工作的工程技术人员及操作工人使用。
H型钢的翼缘内外侧平行或接近于平行,翼缘端部呈直角,因此而得名平行翼缘工字钢。H型钢的腹板厚度比腹板同样高的普通工字钢小,翼缘宽度比腹板同样高的普通工字钢大,因此又得名宽缘工字钢。由形状所决定,H型钢的截面模数、惯性矩及相应的强度均明显优于同样单重的普通工字钢。用在不同要求的金属结构中,不论是承受弯曲力矩、压力负荷、偏心负荷都显示出它的优越性能,可较普通工字钢大大提高承载能力,节约金属10%~40%。H型钢的翼缘宽、腹板薄、规格多、使用灵活,用于各种桁架结构中可节约金属15%~20%。由于其翼缘内外侧平行,缘端呈直角,便于拼装组合成各种构件,从而可节约焊接、铆接工作量25%左右,能大大加快工程的建设速度,缩短工期。
由于具有上述优点,H型钢应用广泛,主要用于:各种民用和工业建筑结构;各种大跨度的工业厂房和现代化高层建筑,尤其是地震活动频繁地区和高温工作条件下的工业厂房;要求承载能力大、截面稳定性好、跨度大的大型桥梁;重型设备;高速公路;舰船骨架;矿山支护;地基处理和堤坝工程;各种机器构件。
H型钢的产品规格很多,分类方法有以下几种。(1)按产品的翼缘宽度分为宽翼缘、中翼缘和窄翼缘H型钢。宽翼缘和中翼缘H型钢的翼缘宽度B大于或等于腹板高度H。窄翼缘H型钢的翼缘宽度B约等于腹板高度H的二分之一。(2)按产品用途分为H型钢梁、H型钢柱、H型钢桩、极厚翼缘H型钢梁。有时也将平行腿槽钢和平行翼缘丁字钢也列入H型钢的范围。一般以窄翼缘H型钢作为梁材,以宽翼缘H型钢作为柱材,据此又有梁型H型钢和柱型H型钢之称。(3)按生产方式分为焊接H型钢和轧制H型钢。(4)按尺寸规格大小分为大、中、小号H型钢。通常将腹板高度H在700mm以上的产品称为大号、300~700mm的称为中号,小于300mm的称为小号。至1990年末,世界上的H型钢腹板高度1200mm,翼缘宽度为530mm。
国际上,H型钢的产品标准分为英制系统和公制系统两大类。美、英等国采用英制,中国、日本、德国和俄罗斯等国采用公制,尽管英制和公制使用的计量单位不同,但对H型钢则大都用4个尺寸表示它们的规格,即:腹板高度h、翼缘宽度b、腹板厚度d和翼缘厚度t。尽管世界各国对H型钢尺寸规格大小的表示方法不同。但所生产的产品尺寸规格范围及尺寸公差相差不大。
H型钢可用焊接或轧制两种方法生产。焊接H型钢是将厚度合适的带钢裁成合适的宽度,在连续式焊接机组上将翼缘和腹板焊接在一起。焊接H型钢有金属消耗大、不易保证产品性能均匀、尺寸规格受限制等缺点。因此,H型钢以轧制方法生产为主。在现代化的轧钢生产中,使用轧机轧制H型钢。H型钢的腹板在上下水平辊之间进行轧制,翼缘则在水平辊侧面和立辊之间同时轧制成形。由于仅用轧机尚不能对翼缘边端施以压下,这样就需要在机架后设置轧边端机,俗称轧边机,以便对翼缘边端给予压下并控制翼缘宽度。在实际轧制操作中,把这两座机架作为一组,使轧件往复通过若干次(图2a),或者是令轧件通过由几架机座和一两架轧边端机座组成的连轧机组,每道次施加一定的压下量,将坯料轧成所需规格形状和尺寸的产品。在轧件的翼缘部位,由于水平辊侧面与轧件之间有滑动,轧辊的磨损比较大。
角钢俗称角铁、是两边互相垂直成角形的长条钢材。有等边角钢和不等边角钢之分。等边角钢的 两个边宽相等。其规格以边宽×边宽×边厚的毫米数表示。如“∟30×30×3”,即表示边宽为 30毫米、边厚为3毫米的等边角钢。也可用型号表示,型号是边宽的厘米数,如∟3#。型号不表示同一型号中不同边厚的尺寸,因而在合同等单据上将角钢的边宽、边厚尺寸填写齐全,避免单独用型号表示。热轧等边角钢的规格为2#-20#。角钢可按结构的不同需要组成各种不同的受力构件,也可作构件之间的连接件。广泛地用于各种建筑结构和工程结构,如房梁、桥梁、输电塔、起重运输机械、船舶、工业炉、反应塔、容器架以及仓库。
角钢可按结构的不同需要组成各种不同的受力构件,也可作构件之间的连接件。广泛地用于各种建筑结构和工程结构,如房梁、桥梁、输电塔、起重运输机械、船舶、工业炉、反应塔、容器架、电缆沟支架、动力配管、母线支架安装、以及仓库货架等。
角钢属建造用碳素结构钢,是简单断面的型钢钢材,主要用于金属构件及厂房的框架等。在使用中要求有较好的可焊性、塑性变形性能及一定的机械强度。生产角钢的原料钢坯为低碳方钢坯,成品角钢为热轧成形、正火或热轧状态交货。
建筑结构是由板、梁、柱、墙、基础等建筑构件形成的具有一定空间功能,并能承受建筑物各种正常荷载作用的骨架结构。
板是建筑结构中直接承受荷载的平面型构件,具有较大平面尺寸,但厚度却相对较小,属于受弯构件,通过板将荷载传递到梁或墙上。梁一般指承受垂直于其纵轴方向荷载的线型构件,是板与柱之间的支撑构件,属于受弯构件,承受板传来的荷载并传递到柱上。柱和墙都是建筑结构中的承受轴向压力的承重构件,柱是承受平行于其纵轴方向荷载的线型构件,截面尺寸小于高度,墙主要承受平行于墙体方向荷载的竖向构件,它们都属于受压构件,并将荷载传到基础上,有时也承受弯矩和剪力。基础是地面以下部分的结构构件,将柱及墙等传来的上部结构荷载传递给地基。
建筑物是人类社会生活必要的物质条件,是社会生活的人为的物质环境,结构成为一个空间的组织者,如各类房间、门厅、楼梯、过道等。同时,建筑物也是历史、文化、艺术的产物,建筑物不仅要反映人类的物质需要。还要表现人类的精神需求,而各类建筑物都要用结构来实现。可见,建筑结构服务于人类对空间的应用和美观要求是其存在的根本目的。
(二)抵御自然界或人为荷载作用建筑物要承受自然界或人为施加的各种荷载或作用,建筑结构就是这些荷载或作用的支承者,它要确保建筑物在这些作用力的施加下不破坏、不倒塌,并且要使建筑物持久地保持良好的使用状态。可见,建筑结构作为荷载或作用的支承者,是其存在的根本原因,也是其核心的任务。
(三)充分发挥建筑材料的作用建筑结构的物质基础是建筑材料,结构是由各种材料组成的,如用钢材做成的结构称为钢结构,用钢筋和混凝土做成的结构称为钢筋混凝土结构,用砖(或砌块)和砂浆做成的结构称为砌体结构。
1.混凝土结构。混凝土结构是以混凝土为主要建筑材料的结构,包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构。混凝土产生于古罗马时期,现代混凝土的广泛应用开始于19世纪中期,随着生产的发展,理论的研究以及施工技术的改进,这一结构形式逐步及完善,得到了迅速的发展。
砌体结构是由块体(如砖、石和混凝土砌块)及砂浆经砌筑而成的结构,大量用于居住建筑和多层民用房屋(如办公楼、教学楼、商店、旅馆等)中,并以砖砌体的应用为广泛。
砖、石、砂等材料具有就地取材、成本低等优点,结构的耐久性和耐腐蚀性也很好。缺点是材料强度较低、结构自重大、施工砌筑速度慢、现场作业量大等,且烧砖要占用大量土地。
钢结构是以钢材为主制作的结构,主要用于大跨度的建筑屋盖(如体育馆、剧院等)、吊车吨位很大或跨度很大的工业厂房骨架和吊车梁,以及超高层建筑的房屋骨架等。钢结构材料质量均匀、强度高,构件截面小、重量轻,可焊性好,制造工艺比较简单,便于工业化施工。缺点是钢材易锈蚀,耐火性较差,价格较贵。
承载力极限状态是指对应于结构或结构构件达到承载力,出现疲劳破坏或不适于继续承载的变形。包括:当结构构件或连接因超过材料强度而破坏(包括疲劳破坏),或因为过度变形而不适于继续承载;整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡(如倾覆等);结构转变为机动体系;结构或结构构件丧失稳定(如压屈等);地基丧失承载力而破坏(如失稳等)。超过承载力极限状态后,结构或构件就不能满足性的要求。
正常使用极限状态是指对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定的极限值。当结构或结构构件出现下列状态之一时,应认为超过了正常使用极限状态。影响正常使用或外观的过大变形;影响正常使用或耐久性能的局部损坏(包括裂缝);影响正常使用的其他特定状态。超过了正常使用极限状态,结构或构件就不能保证适用性和耐久性的功能要求。
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