钢结构工程中的建筑材料

2023-10-10 理论教育版权反馈

【摘要】：铁塔的钢铁构件有18038个，重达10000t；施工时共钻孔700万个，使用铆钉250万个。金茂大厦地基部分采用钢筋混凝土的保护性结构，往上是高强度混凝土与钢结构复合结构。1）型钢型钢有热轧和冷轧成型两种，钢结构中所用型钢主要是热轧型钢和冷弯薄壁型钢。3）钢板用光面轧辊轧制而成的扁平钢材称为钢板。建筑用钢板主要是碳素结构钢。4）钢结构用钢的选用选择钢材的目的是要在保证结构安全可靠的基础上，经济合理地使用钢材。

【任务背景】　钢结构是现代建筑中非常重要的一种建筑结构类型，具有强度高、自重轻、刚性好、韧性强等诸多优点。因此，在建筑工程领域中运用广泛，例如，在重型厂房结构、大跨度结构、塔桅结构、多高层及超高层建筑等工程中。

闻名世界的埃菲尔铁塔（图4-9），是由很多分散的钢铁构件组成的一座镂空建筑物，高300m，天线高24m，相当于100层楼高。铁塔的钢铁构件有18038个，重达10000t；施工时共钻孔700万个，使用铆钉250万个。

上海金茂大厦（图4-10），位于上海市浦东新区世纪大道88号，地处陆家嘴金融贸易区中心，总建筑面积29万m2，其中，主楼88层，高度420.5m，约有20万m2。金茂大厦地基部分采用钢筋混凝土的保护性结构，往上是高强度混凝土与钢结构复合结构。

国家体育场俗称鸟巢（图4-11），位于北京奥林匹克公园中心区南部，为2008年北京奥运会的主体育场。鸟巢是我国最大也是目前世界上最大的单体钢结构建筑，由一系列辐射式钢架围绕碗状坐席区旋转而成，没有立柱。整个屋面结构与里面的钢结构由2000多根箱型弯扭构件链接而成。总质量超过6000t，钢结构最大跨度达332.3m。

钢结构的广泛运用，必然使得掌握钢结构中所用钢材的性质、特点成为建筑工程技术人员必须具备的知识与技能。

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图4-9　埃菲尔铁塔

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图4-10　金茂大厦

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图4-11　国家体育场（鸟巢）

1.钢结构用钢特点及分类

钢结构所用钢材主要是型钢、钢管和钢板。型钢之间可直接或附连接钢板进行连接，连接方式有铆接、螺栓连接或焊接，所用母材主要是碳素结构钢及低合金高强度结构钢。

1）型钢

型钢有热轧和冷轧成型两种，钢结构中所用型钢主要是热轧型钢和冷弯薄壁型钢。

（1）热轧型钢

钢结构中较为常用的热轧型钢有角钢（等边和不等边）、工字钢、槽钢、T形钢、H形钢、L形钢等，如图4-12所示。

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图4-12　型钢截面示意图

角钢分为等边（也称为等肢）和不等边（也称为不等肢）两种，主要用来制作桁架等格构式结构的杆件和支撑等连接杆件。角钢型号的表示方法为在符号“ pagenumber_ebook=132,pagenumber_book=126 ”后加“长边宽×短边宽×厚度”（对不等边角钢，125×80×8），或加“边长×厚度”（对等边角钢，如125×8）。目前我国生产的角钢最大边长为200mm，角钢的供应长度一般为4~19m。

工字钢是截面为工字形的长条钢材，分普通工字钢和轻型工字钢两种。普通工字钢和轻型工字钢的两个主轴方向的惯性矩相差较大，不宜单独用作受压构件，而宜用作腹板平面内受弯的构件，或由工字钢和其他型钢组成的组合构件或格构式构件。普通工字钢的型号用符号“”后加截面高度的厘米数来表示，20号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同分为a，b或a，b，c等类别，例如，20a表示高度为200mm，腹板厚度为a类的工字钢。轻型工字钢的翼缘要比普通工字钢的翼缘宽而薄，回转半径较大。普通工字钢的型号为10~63号，轻型工字钢的型号为10~70号，供应长度均为5~19m。

H形钢的截面与英文大写字母“H”相同。它是一种截面面积分配更加优化，强重比更加合理的经济断面高效型材，与普通工字钢相比，其翼缘板的内外表面平行，便于与其他构件连接。H形钢的基本类型可分为宽翼缘（HW）、中翼缘（HM）及窄翼缘（HN）3类。还可剖分成T形钢供应，代号分别为TW，TM，TN。H形钢和相应的T形钢的型号分别为代号后加“高度H×宽度B×腹板厚度t1×翼缘厚度t2”，例如，HW400×400×13×21和TW200×400×13×21等。宽翼缘和中翼缘H形钢可用于钢柱等受压构件，窄翼缘H形钢则适用于钢梁等受弯构件。目前国内生产的最大型号H形钢为HN700×300×13×24。供货长度可与生产厂家协商，长度大于24m的H形钢不成捆交货。

槽形钢是截面形状为凹槽状的长条钢材，分普通槽钢和轻型槽钢两种，适于作檩条等双向受弯的构件，也可用其组成组合或格构式构件。槽钢的型号与工字钢相似，例如，[32a是指截面高度为320mm腹板较薄的槽钢。目前国内生产的最大型号为[40c，供货长度为5~19m。

（2）冷弯薄壁型钢

冷弯薄壁型钢是采用1.5~6mm厚的钢板经冷弯和辊压成型的型材，其截面形式和尺寸均可按受力特点合理设计，能充分利用钢材的强度、节约钢材，在国内外轻型钢结构中广泛应用。近年来，冷弯高频焊接圆管和方形、矩形管的生产及应用在国内有了很大的进展，冷弯型钢的壁厚已达12.5mm。(www.chuimin.cn)

2）钢管

钢管有无缝钢管和焊接钢管两种。由于回转半径较大，常用作桁架、网架、网壳等平面和空间格构式结构的杆件，在钢管混凝土柱中也有广泛应用。型号可用代号“D”后加“外径d×壁厚t”表示，如D180×8等，国产热轧无缝钢管的最大外径可达630mm。供货长度为3~12m。焊接钢管的外径可做得更大，一般由施工单位卷制。

3）钢板

用光面轧辊轧制而成的扁平钢材称为钢板。建筑用钢板主要是碳素结构钢。按轧制的温度不同，钢板分为热轧和冷轧两种。按厚度分，钢板有厚钢板（厚度>4mm）、薄钢板（厚度为0.35~4mm）和扁钢（或带钢）之分。厚钢板可用作焊接结构，常用做大型梁、柱等实腹式构件的翼缘和腹板，以及节点板等；薄钢板主要用来制造冷弯薄壁型钢；扁钢可用作焊接组合梁、柱的翼缘板、各种连接板、加劲肋等。钢板还可用来弯曲为型钢。钢板截面的表示方法为在符号“-”后加“宽×厚”，如-200×20等。钢板的供应规格如下：

①厚钢板：厚4.5~60mm，宽600~3000mm，长4~12m。

②薄钢板：厚0.35~4mm，宽500~1500mm，长0.5~4m。

③扁钢：厚4~60mm，宽12~200mm，长3~9m。

4）钢结构用钢的选用

选择钢材的目的是要在保证结构安全可靠的基础上，经济合理地使用钢材。通常应考虑以下因素：

（1）选择钢材的依据

钢结构中选择钢材，主要从以下几个方面进行考虑：

①结构或构件的重要性。

②荷载性质（静力荷载或动力荷载）。

③连接方法（焊接、铆钉或螺栓连接）。

④工作条件（温度及腐蚀介质）。

（2）钢结构选材要求