❶ 鋼結構在現代建築中的作用（包括缺陷）
摘要:鋼筋混凝土結構在超高層建築中由於自重大,柱子所佔的建築面積比率越來越大,在超高層建築中採用鋼筋混凝土結構受到質疑;同時高強度鋼材應運而生,在超高層建築中採用部分鋼結構或全鋼結構的理論研究與設計建造可說是同步前進。
本文簡要介紹了高層、超高層建築的結構體系,通過對國內已建和在建的高層建築鋼結構國產化問題的調研,分析了在鋼材、設計、施工和監理等方面國產化所面臨的主要問題,為高層建築鋼結構的發展提出了一些建議。
關鍵詞:高層;概況;發展;體系;施工
高層鋼結構建築在國外已有110多年的歷史,1883年最早一幢鋼結構高層建築在美國芝加哥拔地而起,到了二次世界大戰後由於地價的上漲和人口的迅速增長,以及對高層及超高層建築的結構體系的研究日趨完善、計算技術的發展和施工技術水平的不斷提高,使高層和超高層建築迅猛發展。
一、鋼結構在建築中的應用
1平面布置和結構選型
鋼結構適合於平面布置基本規正、勻稱、凹凸變化較少的建築平面,不適宜軸線錯開較多,形心和質心距離較大和易於產生較大扭轉的住宅平面。
鋼結構住宅設計需要對風荷載和地震荷載作用下的水平位移進行控制,因此,抗側力結構的考慮是非常重要。在住宅結構設計中常常把樓梯間、電梯間牆體設計為抗側力結構。如果位移仍然不能控制在允許值范圍內時,可以把單元之間的分戶牆或廚房、衛生間的部分牆體(不動牆)也做為抗側力結構。
2 變形限值的討論
抗側力結構可以是鋼結構,也可以是鋼筋混凝土結構。當採用鋼桁架作為抗側力結構組成純鋼結構時,規范規定:在風力作用下,層間位移1/400,頂點位移1/500;在地震作用下,層間位移1/250,頂點位移1/300。因此,採用鋼桁架作抗側力結構可能造成用鋼指標有較大提高,從而增加造價。
若按鋼結構限值1/300控制結構整體剛度,在地震中待鋼結構參加工作時,鋼筋混凝土剪力牆己經產生了結構破壞,這種考慮不夠安全。
若按鋼筋混凝土剪力牆限值1/800控制結構整體剛度時,鋼梁、鋼柱截面會因地震力加大而大幅度增加。
3 層數和層高的確定
任何一種結構形式都有它的適用范圍、最佳建造高度。鋼結構正是在高層、超高層建築中具有獨到的優勢,高層住宅由於地震設防,梁、柱斷面雖然與同條件鋼筋混凝土梁、柱相比要小的多,但在尋常百姓家的居室中,樑柱的存在仍然是十分尷尬的事。相比之下,我們認為鋼結構用於多層和「小高層」,是具備一定優勢的。
4柱網確定和柱斷面型式的選擇
柱網的確定一般根據乎面分割情況,結合梁的位置和截面高度,以及鋼梁的隱蔽方法來決定。外牆處的柱距是柱網確定的關鍵,把沿外牆鋼梁和外牆窗上皮的高度關系處理好,柱網也就基本確定了。
鋼柱的截面型式大體分為三種:圓管柱、方管(箱形)柱和H型鋼柱。其中,管柱內澆注混凝土,形成鋼管混凝土柱,承載力比鋼筋混凝土柱大幅度提高,因此用鋼量較省。在節點構造作法上,方管柱構造簡單合理。但是,管柱在與鋼梁連接上下翼緣部位,須加橫隔板以形成貫通式節點,這一要求增加了加工難度,因而也提高了工程造價。H型鋼柱,當外包鋼筋混凝土時形成鋼骨混凝土柱。H型鋼柱加工和施工都比較方便,但鋼柱用鋼量較多。
5鋼結構的節點構造
節點構造直接影響鋼材用量,在試點住宅中集中力量解決了兩個部位的節點做法。
(1)柱腳生根部位
試點工程地下層結構按鋼筋混凝土框架—剪力牆結構考慮,柱腳位於地下室頂板標高處,柱腳與頂板預埋鋼板用高強螺栓連接。首層超市用鋼筋混凝土包柱按鋼骨混凝土框架—鋼筋混凝土剪力牆結構考慮,二層以上鋼框架—鋼筋混凝土剪力牆結構。
(2)鋼框架的鋼梁和鋼筋混凝土剪力牆 (核心筒)的連接
為了確保試點工程安全可靠,設計中沒有採用單純在剪力牆中預埋鋼板的連接方法,而是在剪力牆端部和核心筒拐角處自柱腳標高起,設置上下貫通的Ⅰ型芯柱,並且,在鋼梁高度處用鋼桁架作為芯柱與芯柱之間的橫向連接,以確保該部位節點的工作狀態和計算假定相吻合。
6結構體系選擇
(1)5-6層以下的,可採用框架體系或框架-支撐體系,6層以上的可採用框架支撐體系或框架-混凝土剪力牆(核心筒)體系。多層房屋大多採用雙重體系。
(2)框架柱有H型鋼柱,鋼管砼柱和鋼骨砼柱,後兩種為組合柱。在小高層中,組合柱比H型鋼柱省鋼。
(3)剪力牆比鋼支撐的延性低,在大震時延性低的地震力大,延性好的地震力小,從抗大震的性能來說,鋼支撐比砼剪力牆好。
(4)鋼框架-砼剪力牆體系屬混合結構,對它的抗震性能目前研究還不夠,未列入抗震規范,雖然現在應用較多,選用時應慎重。核心筒宜用小鋼柱加強,也有利於安裝。二、鋼結構製作與安裝
1、鋼柱的安裝
鋼柱是高層、超高層建築決定層高和建築總高度的主要豎向構件,在加工製造中必須滿足現行規范的驗收標准。
100m高的超高層鋼柱一般分為8～12節構件,鋼柱在翻樣下料製作過程中應考慮焊縫的收縮變形和豎向荷載作用下引起的壓縮變形,所以鋼柱的翻樣下料長度不等於設計長度,即使只有幾毫米也不能忽略不計。而且上下兩節鋼柱截面完全相等時也不允許互換,要求對每節鋼柱應編號予以區別,正確安裝就位。
矩形或方形鋼柱內的加勁板的焊接應按現行規范要求採用熔嘴電渣焊,不允許採用其他如在箱板上開孔、槽塞焊等形式。
鋼柱標高的控制一般有二種方式:
(1)按相對標高製作安裝。鋼柱的長度誤差不得超過3mm,不考慮焊縫收縮變形和豎向荷載引起的壓縮變形,建築物的總高度只要達到各節柱子製作允許偏差總和及鋼柱壓縮變形總和就算合格,這種製作安裝一般在12層以下,層高控制不十分嚴格的建築物。
(2)按設計標高製作安裝。一般在12層以上,精度要求較高的層高,應按土建的標高安裝第一節鋼柱底面標高,每節鋼柱的累加尺寸總和應符合設計要求的總尺寸。每一節柱子的接頭產生的收縮變形和豎向荷載作用下引起的壓縮變形應加到每節鋼柱加工長度中去。
2、框架梁的製作與安裝
為保證框架梁與鋼柱連接處的節點域有較好的延性以及連接可靠性和樓層層高的精確性,在工廠製造時,在框架梁所在位置設置懸臂梁(短牛腿),懸臂樑上下翼緣與鋼柱的連接採用剖口熔透焊縫,腹板採用貼角焊縫。框架梁與鋼柱的懸臂梁(短牛腿)連接,上下翼緣的連接採用襯板(兼引弧板)全熔透焊縫,腹板採用高強螺栓連接。
由於鋼筋混凝土施工允許偏差遠遠大於鋼結構的精度要求,當框架梁與鋼筋混凝土剪力牆或鋼筋混凝土筒壁連接時,腹板的連接板可開橢圓孔,橢圓孔的長向尺寸不得大於2d0(d0為螺栓孔徑),並應保證孔邊距的要求。
框架梁的翻樣下料長度同樣不等於設計長度,需考慮焊接收縮變形。焊接收縮變形可用經驗公式計算再按實際加工之後校核,確定其翻樣下料的精確長度。
框架樑上下翼緣的連接可採用高強螺栓連接或焊接連接,目前大部分採用帶襯板的全熔透焊接連接。施工時先焊下翼緣再焊上翼緣,先一端點焊定位,再焊另一端。
腹板則採用高強度螺栓連接,要充分理解設計時採用摩擦型還是承壓型高強螺栓。採用摩擦型高強螺栓的摩擦系數應選用合理。
採用高強螺栓群連接時,孔位的精度十分重要。目前制孔一般採用模板制孔和多軸數控鑽孔,前者精度低,後者精度高,應優先考慮採用後者。當採用模板制孔時,應保證模板的精度,以確保高強螺栓的組裝孔和工地安裝孔的精度要求。如果孔位局部偏差,只允許使用鉸刀擴孔。嚴禁使用氣割擴孔,若用氣割擴孔,則應按重大質量事故處理。
❷ 鋼結構焊接工藝檢測標准
焊縫質量標准
4.1 保證項目
4.1.1 焊接材料應符合設計要求和有關標準的規定，應檢查質量證明書及烘焙記錄。
4.1.2 焊工必須經考試合格，檢查焊工相應施焊條件的合格證及考核日期。
4.1.3 Ⅰ、Ⅱ級焊縫必須經探傷檢驗，並應符合設計要求和施工及驗收規范的規定，檢
查焊縫探傷報告。
4.1.4 焊縫表面Ⅰ、Ⅱ級焊縫不得有裂紋、焊瘤、燒穿、弧坑等缺陷。Ⅱ級焊縫不得有
表面氣孔、夾渣、弧坑、裂紋、電弧擦傷等缺陷，且Ⅰ級焊縫不得有咬邊、未焊滿等缺陷。
4.2 基本項目
4.2.1 焊縫外觀：焊縫外形均勻，焊道與焊道、焊道與基本金屬之間過渡平滑，焊渣和
飛濺物清除干凈。
4.2.2 表面氣孔：Ⅰ、Ⅱ級焊縫不允許；Ⅲ級焊縫每50mm 長度焊縫內允許直徑≤0.4t；
且≤3mm 氣孔2 個；氣孔間距≤6 倍孔徑。
4.2.3 咬邊：Ⅰ級焊縫不允許。
Ⅱ級焊縫：咬邊深度≤0.05t，且≤0.5mm，連續長度≤100mm，且兩側咬邊總長≤10%焊縫
長度。
Ⅲ級焊縫：咬邊深度≤0.lt，且≤lmm。
註：t 為連接處較薄的板厚。
4.3 允許偏差項目，見表5-1。
5 成品保護
5.1 焊後不準撞砸接頭，不準往剛焊完的鋼材上澆水。低溫下應採取緩冷措施。
5.2 不準隨意在焊縫外母材上引弧。
5.3 各種構件校正好之後方可施焊，並不得隨意移動墊鐵和卡具，以防造成構件尺寸偏
差。隱蔽部位的焊縫必須辦理完隱蔽驗收手續後，方可進行下道隱蔽工序。
5.4 低溫焊接不準立即清渣，應等焊縫降溫後進行。
6 應注意的質量問題
6.1 尺寸超出允許偏差：對焊縫長寬、寬度、厚度不足，中心線偏移，彎折等偏差，應
嚴格控制焊接部位的相對位置尺寸，合格後方准焊接，焊接時精心操作。
6.2 焊縫裂紋：為防止裂紋產生，應選擇適合的焊接工藝參數和施焊程序，避免用大電
流，不要突然熄火，焊縫接頭應搭10～15mm，焊接中木允許搬動、敲擊焊件。
6.3 表面氣孔：焊條按規定的溫度和時間進行烘焙，焊接區域必須清理干凈，焊接過程
中選擇適當的焊接電流，降低焊接速度，使熔池中的氣體完全逸出。
6.4 焊縫夾渣：多層施焊應層層將焊渣清除干凈，操作中應運條正確，弧長適當。注意
熔渣的流動方向，採用鹼性焊條時，上須使熔渣留在熔渣後面。
7 質量記錄
本工藝標准應具備以下質量記錄：
7.1 焊接材料質量證明書。
7.2 焊工合格證及編號。
7.3 焊接工藝試驗報告。
7.4 焊接質量檢驗報告、探傷報告。
7.5 設計變更、洽商記錄。
7.6 隱蔽工程驗收記錄。
7.7 其它技術文件。
焊縫等級分類及無損檢測要求
焊縫應根據結構的重要性、荷載特性、焊縫形式、工作環境以及應力狀態等情況，按下述原則分別選用不同的質量等級，
1. 在需要進行疲勞計算的構件中，凡對接焊縫均應焊透，其質量等級為
1) 作用力垂直於焊縫長度方向的橫向對接焊縫或T形對接與角接組合焊縫，受拉時應為一級，受壓時應為二級；
2）作用力平行於焊縫長度方向的縱向對接焊縫應為二級。
2 .不需要計算疲勞的構件中，凡要求與母材等強的對接焊縫應予焊透，其質量等級當受拉時應不低於二級，受壓時宜為二級
3 .重級工作制和起重量Q≥50t吊車梁的腹板與L冀緣之間以及吊車析架上弦桿與節點板之間的T形接頭焊縫均要求焊透．焊縫形式一般為對接與角接的組合焊縫，其質量等級不應低於二級
4 .不要求焊透的』I'形接頭採用的角焊縫或部分焊透的對接與角接組合焊縫，以及搭接連接採用的角焊縫，其質量等級為：
1)對直接承受動力荷載且需要驗算疲勞的結構和吊車起重量等於或大於50t的中級工作制吊車梁，焊縫的外觀質量標准應符合二級 ；
2) 對其他結構，焊縫的外觀質量標准可為二級。
外觀檢查一般用目測，裂紋的檢查應輔以5 倍放大鏡並在合適的光照條件下進行，必要時可採用磁粉探傷或滲透探傷，尺寸的測量應用量具、卡規。
焊縫外觀質量應符合下列規定:
1 一級焊縫不得存在未焊滿、根部收縮、咬邊和接頭不良等缺陷，一級焊縫和二級焊縫不得存在表面氣孔、夾渣、裂紋和電弧擦傷等缺陷；
2 二級焊縫的外觀質量除應符合本條第一款的要求外，尚應滿足下表的有關規定；
3 三級焊縫的外觀質量應符合下表有關規定
焊縫質量等級
檢測項目
二級
三級
未焊滿 ≤0．2+0．02t 且≤1mm，每
100mm 長度焊縫內未焊滿累積
長度≤25mm ≤0．2+0．04t 且≤2mm，每
100mm 長度焊縫內未焊滿累積長 度≤25mm
根部收縮 ≤0．2+0．02t 且≤1mm，長
度不限 ≤0．2+0．04t 且≤2mm，長度不限
咬 邊 ≤0．05t 且≤0．5mm，連續
長度≤100mm，且焊縫兩側咬邊總長≤10％焊縫全長 ≤0．1t 且≤1mm，長度不限
裂 紋 不允許 允許存在長度≤5mm 的弧坑裂紋
電弧擦傷 不允許 允許存在個別電弧擦傷
接頭不良 缺口深度≤0．05t 且≤
0．5mm，每1000mm 長度焊縫內不得超過1 處 缺口深度≤0．1t 且≤1mm，每 1000mm 長度焊縫內不得超過1 處
表面氣孔 不允許 每50mm 長度焊縫內允許存在 直徑≤0．4t 且≤3mm 的氣孔2 個；孔距應≥6倍孔徑
表面夾渣 不允許 深≤0．2t，長≤0．5t 且≤
20mm
設計要求全焊透的焊縫，其內部缺陷的檢驗應符合下列要求:
1 一級焊縫應進行100%的檢驗，其合格等級應為現行國家標准《鋼焊縫手工超聲波探傷方法及質量分級法》(GB 11345)B 級檢驗的Ⅱ級及Ⅱ級以上；
2 二級焊縫應進行抽檢，抽檢比例應不小於20%，其合格等級應為現行國家標准《鋼焊縫手工超聲波探傷方法及質量分級法》(GB 11345)B級檢驗的Ⅲ級及Ⅲ級以上；
3 全焊透的三級焊縫可不進行無損檢測。
4 焊接球節點網架焊縫的超聲波探傷方法及缺陷分級應符合國家現行標准JG/T203-2007《鋼結構超聲波探傷及質量分級法》的規定。
5 螺栓球節點網架焊縫的超聲波探傷方法及缺陷分級應符合國家現行標准JG/T203-2007《鋼結構超聲波探傷及質量分級法》的規定。
6 箱形構件隔板電渣焊焊縫無損檢測結果除應符合GB50205-2001標准第7.3.3 條的有關規定外，還應按附錄C 進行焊縫熔透寬度、焊縫偏移檢測。
7 圓管T、K、Y 節點焊縫的超聲波探傷方法及缺陷分級應符合GB50205-2001標准附錄D的規定。
8 設計文件指定進行射線探傷或超聲波探傷不能對缺陷性質作出判斷時，可採用射線探傷進行檢測、驗證。
9 射線探傷應符合現行國家標准《鋼熔化焊對接接頭射線照相和質量分級》(GB 3323)的規定，射線照相的質量等級應符合AB 級的要求。一級焊縫評定合格等級應為《鋼熔化焊對接接頭射線照相和質量分級》(GB 3323)的Ⅱ級及Ⅱ級以上，二級焊縫評定合格等級應為《鋼熔化焊對接接頭射線照相和質量分級》(GB 3323)的Ⅲ級及Ⅲ級以上。
10 以下情況之一應進行表面檢測:
1）外觀檢查發現裂紋時，應對該批中同類焊縫進行100%的表面檢測；
2）外觀檢查懷疑有裂紋時，應對懷疑的部位進行表面探傷；
3）設計圖紙規定進行表面探傷時；
4）檢查員認為有必要時。
鐵磁性材料應採用磁粉探傷進行表面缺陷檢測。確因結構原因或材料原因不能使用磁粉探傷時，方可採用滲透探傷。磁粉探傷應符合國家現行標准《焊縫磁粉檢驗方法和缺陷磁痕的分級》(JB/T 6061)的規定，滲透探傷應符合國家現行標准《焊縫滲透檢驗方法和缺陷跡痕的分級》(JB/T 6062)的規定。磁粉探傷和滲透探傷的合格標准應符合外觀檢驗的有關規定。
設計要求全焊透的一、二級焊縫應採用超聲波探傷進行內部缺陷的檢驗，超聲波探傷不能對缺陷作出判斷時，應採用射線探傷，其內部缺陷分級及探傷方法應符合現行國家標准《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》GB11345或《鋼熔化焊對接接頭射結照相和質量分級》GB3323的規定。
焊接球節點網架焊縫、螺栓球節點網架焊縫及圓管T、K、Y形點相貫線焊縫，其內部缺陷分級及探傷方法應分別符合國家現行標准JG/T203-2007《鋼結構超聲波探傷及質量分級法》、《建築鋼結構焊接技術規程》JGJ81的規定。一級、二級焊縫的質量等級及缺陷分級應符合下表的規定。
一、二級焊縫質量等級及缺陷分級
焊 縫 質 量 等 級 一 級 二 級
內部缺陷
超聲波探傷 評定等級 Ⅱ Ⅲ
檢驗等級 B級 B級
探傷比例 100% 20%
內部缺陷
射線探傷 評定等級 Ⅱ Ⅲ
檢驗等級 AB級 AB級
探傷比例 100% 20%
註：探傷比例的計數方法應按以下原則確定：（1）對工廠製作焊縫，應按每條焊縫計算百分比，且探傷長度應不小於200mm,當焊縫長度不足200 mm時，應對整條焊縫進行探傷；（2）對現場安裝焊縫，應按同一類型、同一施焊條件的焊縫條數計算百分比，探傷長度應不小於200 mm，並應不少於1條焊縫。
說明：根據結構的承載情況不同，現行國家標准《鋼結構設計規范》GBJ17中將焊縫的質量為分三個質量等級。內部缺陷的檢測一般可用超聲波探傷和射線探傷。射線探傷具有直觀性、一致性好的優點，過去人們覺得射線探傷可靠、客觀。但是射線探傷成本高、操作程序復雜、檢測周期長，尤其是鋼結構中大多為T形接頭和角接頭，射線檢測的效果差，且射線探傷對裂紋、未熔合等危害性缺陷的檢出率低。超聲波探傷則正好相反，操作程序簡單、快速，對各種接頭形式的適應性好，對裂紋、未熔合的檢測靈敏度高，因此世界上很多國家對鋼結構內部質量的控制採用超聲波探傷，一般已不採用射線探傷。
隨著大型空間結構應用的不斷增加，對於薄壁大麴率T、K、Y型相貫接頭焊縫探傷，國家現行行業標准《建築鋼結構焊接技術規程》JGJ81中給出了相應的超聲波探傷方法和缺陷分級。網架結構焊縫探傷應按現行國家標准JG/T203-2007《鋼結構超聲波探傷及質量分級法》的規定執行。
本規范規定要求全焊透的一級焊縫100％檢驗，二級焊縫的局部檢驗定為抽樣檢驗。鋼結構製作一般較長，對每條焊縫按規定的百分比進行探傷，且每處不小於200mm的規定，對保證每條焊縫質量是有利的。但鋼結構安裝焊縫一般都不長，大部分焊縫為梁一柱連接焊縫，每條焊縫的長度大多在250-300mm之間，採用焊縫條數計數抽樣檢測是可行的。
1.T形接頭、十字接頭、角接接頭等要求熔透的對接和角對接組合焊縫，其焊腳尺寸不應小於t/4；設計有疲勞驗算要求的吊車梁或類似構件的腹板與上翼緣連接焊縫的焊腳尺寸為t/2，且不應小於10mm。焊腳尺寸的允許偏差為0-4 mm。
檢查數量：資料全數檢查；同類焊縫抽查10%，且不應少於3條。
檢驗方法：觀察檢查，用焊縫量規抽查測量。
說明：以上1.對T型、十字型、角接接頭等要求焊透的對接與角接組合焊縫，為減少應力集中，同時避免過大的焊腳尺寸，參照國內外相關規范的規定，確定了對靜載結構和動載結構的不同焊腳尺寸的要求。
2.焊縫表面不得有裂紋、焊瘤等缺陷。一級、二級焊縫不得有表面氣孔、夾渣、弧坑裂紋、電弧擦傷等缺陷。且一級焊縫不許有咬邊、未焊滿、根部收縮等缺陷。
檢查數量：每批同類構件抽查10%，且不應少於3件；被抽查構件中，每一類型焊縫按條數抽查5%，且不應少於1條；每條檢查1條，總抽查數不應少於10處。
檢驗方法：觀察檢查或使用放大鏡、焊縫量規定和鋼尺檢查，當存在疑義時，採用滲透或磁粉探傷檢查。
說明：以上考慮不同質量等級的焊縫承載要求不同，凡是嚴重影響焊縫承載能力的缺陷都是嚴禁的本條對嚴重影響焊縫承載能力外觀質量要求列入主控項目，並給出了外觀合格質量要求。由於一、二級焊縫的重要性，對表面氣孔、夾渣、弧坑裂紋、電弧擦傷應有特定不允許存在 的要求，咬邊、未焊滿、根部收縮等缺陷對動載影響很大，故一級焊縫不得存在該類缺陷。