❶ 钢结构在现代建筑中的作用（包括缺陷）
摘要:钢筋混凝土结构在超高层建筑中由于自重大,柱子所占的建筑面积比率越来越大,在超高层建筑中采用钢筋混凝土结构受到质疑;同时高强度钢材应运而生,在超高层建筑中采用部分钢结构或全钢结构的理论研究与设计建造可说是同步前进。
本文简要介绍了高层、超高层建筑的结构体系,通过对国内已建和在建的高层建筑钢结构国产化问题的调研,分析了在钢材、设计、施工和监理等方面国产化所面临的主要问题,为高层建筑钢结构的发展提出了一些建议。
关键词:高层;概况;发展;体系;施工
高层钢结构建筑在国外已有110多年的历史,1883年最早一幢钢结构高层建筑在美国芝加哥拔地而起,到了二次世界大战后由于地价的上涨和人口的迅速增长,以及对高层及超高层建筑的结构体系的研究日趋完善、计算技术的发展和施工技术水平的不断提高,使高层和超高层建筑迅猛发展。
一、钢结构在建筑中的应用
1平面布置和结构选型
钢结构适合于平面布置基本规正、匀称、凹凸变化较少的建筑平面,不适宜轴线错开较多,形心和质心距离较大和易于产生较大扭转的住宅平面。
钢结构住宅设计需要对风荷载和地震荷载作用下的水平位移进行控制,因此,抗侧力结构的考虑是非常重要。在住宅结构设计中常常把楼梯间、电梯间墙体设计为抗侧力结构。如果位移仍然不能控制在允许值范围内时,可以把单元之间的分户墙或厨房、卫生间的部分墙体(不动墙)也做为抗侧力结构。
2 变形限值的讨论
抗侧力结构可以是钢结构,也可以是钢筋混凝土结构。当采用钢桁架作为抗侧力结构组成纯钢结构时,规范规定:在风力作用下,层间位移1/400,顶点位移1/500;在地震作用下,层间位移1/250,顶点位移1/300。因此,采用钢桁架作抗侧力结构可能造成用钢指标有较大提高,从而增加造价。
若按钢结构限值1/300控制结构整体刚度,在地震中待钢结构参加工作时,钢筋混凝土剪力墙己经产生了结构破坏,这种考虑不够安全。
若按钢筋混凝土剪力墙限值1/800控制结构整体刚度时,钢梁、钢柱截面会因地震力加大而大幅度增加。
3 层数和层高的确定
任何一种结构形式都有它的适用范围、最佳建造高度。钢结构正是在高层、超高层建筑中具有独到的优势,高层住宅由于地震设防,梁、柱断面虽然与同条件钢筋混凝土梁、柱相比要小的多,但在寻常百姓家的居室中,梁柱的存在仍然是十分尴尬的事。相比之下,我们认为钢结构用于多层和“小高层”,是具备一定优势的。
4柱网确定和柱断面型式的选择
柱网的确定一般根据乎面分割情况,结合梁的位置和截面高度,以及钢梁的隐蔽方法来决定。外墙处的柱距是柱网确定的关键,把沿外墙钢梁和外墙窗上皮的高度关系处理好,柱网也就基本确定了。
钢柱的截面型式大体分为三种:圆管柱、方管(箱形)柱和H型钢柱。其中,管柱内浇注混凝土,形成钢管混凝土柱,承载力比钢筋混凝土柱大幅度提高,因此用钢量较省。在节点构造作法上,方管柱构造简单合理。但是,管柱在与钢梁连接上下翼缘部位,须加横隔板以形成贯通式节点,这一要求增加了加工难度,因而也提高了工程造价。H型钢柱,当外包钢筋混凝土时形成钢骨混凝土柱。H型钢柱加工和施工都比较方便,但钢柱用钢量较多。
5钢结构的节点构造
节点构造直接影响钢材用量,在试点住宅中集中力量解决了两个部位的节点做法。
(1)柱脚生根部位
试点工程地下层结构按钢筋混凝土框架—剪力墙结构考虑,柱脚位于地下室顶板标高处,柱脚与顶板预埋钢板用高强螺栓连接。首层超市用钢筋混凝土包柱按钢骨混凝土框架—钢筋混凝土剪力墙结构考虑,二层以上钢框架—钢筋混凝土剪力墙结构。
(2)钢框架的钢梁和钢筋混凝土剪力墙 (核心筒)的连接
为了确保试点工程安全可靠,设计中没有采用单纯在剪力墙中预埋钢板的连接方法,而是在剪力墙端部和核心筒拐角处自柱脚标高起,设置上下贯通的Ⅰ型芯柱,并且,在钢梁高度处用钢桁架作为芯柱与芯柱之间的横向连接,以确保该部位节点的工作状态和计算假定相吻合。
6结构体系选择
(1)5-6层以下的,可采用框架体系或框架-支撑体系,6层以上的可采用框架支撑体系或框架-混凝土剪力墙(核心筒)体系。多层房屋大多采用双重体系。
(2)框架柱有H型钢柱,钢管砼柱和钢骨砼柱,后两种为组合柱。在小高层中,组合柱比H型钢柱省钢。
(3)剪力墙比钢支撑的延性低,在大震时延性低的地震力大,延性好的地震力小,从抗大震的性能来说,钢支撑比砼剪力墙好。
(4)钢框架-砼剪力墙体系属混合结构,对它的抗震性能目前研究还不够,未列入抗震规范,虽然现在应用较多,选用时应慎重。核心筒宜用小钢柱加强,也有利于安装。二、钢结构制作与安装
1、钢柱的安装
钢柱是高层、超高层建筑决定层高和建筑总高度的主要竖向构件,在加工制造中必须满足现行规范的验收标准。
100m高的超高层钢柱一般分为8～12节构件,钢柱在翻样下料制作过程中应考虑焊缝的收缩变形和竖向荷载作用下引起的压缩变形,所以钢柱的翻样下料长度不等于设计长度,即使只有几毫米也不能忽略不计。而且上下两节钢柱截面完全相等时也不允许互换,要求对每节钢柱应编号予以区别,正确安装就位。
矩形或方形钢柱内的加劲板的焊接应按现行规范要求采用熔嘴电渣焊,不允许采用其他如在箱板上开孔、槽塞焊等形式。
钢柱标高的控制一般有二种方式:
(1)按相对标高制作安装。钢柱的长度误差不得超过3mm,不考虑焊缝收缩变形和竖向荷载引起的压缩变形,建筑物的总高度只要达到各节柱子制作允许偏差总和及钢柱压缩变形总和就算合格,这种制作安装一般在12层以下,层高控制不十分严格的建筑物。
(2)按设计标高制作安装。一般在12层以上,精度要求较高的层高,应按土建的标高安装第一节钢柱底面标高,每节钢柱的累加尺寸总和应符合设计要求的总尺寸。每一节柱子的接头产生的收缩变形和竖向荷载作用下引起的压缩变形应加到每节钢柱加工长度中去。
2、框架梁的制作与安装
为保证框架梁与钢柱连接处的节点域有较好的延性以及连接可靠性和楼层层高的精确性,在工厂制造时,在框架梁所在位置设置悬臂梁(短牛腿),悬臂梁上下翼缘与钢柱的连接采用剖口熔透焊缝,腹板采用贴角焊缝。框架梁与钢柱的悬臂梁(短牛腿)连接,上下翼缘的连接采用衬板(兼引弧板)全熔透焊缝,腹板采用高强螺栓连接。
由于钢筋混凝土施工允许偏差远远大于钢结构的精度要求,当框架梁与钢筋混凝土剪力墙或钢筋混凝土筒壁连接时,腹板的连接板可开椭圆孔,椭圆孔的长向尺寸不得大于2d0(d0为螺栓孔径),并应保证孔边距的要求。
框架梁的翻样下料长度同样不等于设计长度,需考虑焊接收缩变形。焊接收缩变形可用经验公式计算再按实际加工之后校核,确定其翻样下料的精确长度。
框架梁上下翼缘的连接可采用高强螺栓连接或焊接连接,目前大部分采用带衬板的全熔透焊接连接。施工时先焊下翼缘再焊上翼缘,先一端点焊定位,再焊另一端。
腹板则采用高强度螺栓连接,要充分理解设计时采用摩擦型还是承压型高强螺栓。采用摩擦型高强螺栓的摩擦系数应选用合理。
采用高强螺栓群连接时,孔位的精度十分重要。目前制孔一般采用模板制孔和多轴数控钻孔,前者精度低,后者精度高,应优先考虑采用后者。当采用模板制孔时,应保证模板的精度,以确保高强螺栓的组装孔和工地安装孔的精度要求。如果孔位局部偏差,只允许使用铰刀扩孔。严禁使用气割扩孔,若用气割扩孔,则应按重大质量事故处理。
❷ 钢结构焊接工艺检测标准
焊缝质量标准
4.1 保证项目
4.1.1 焊接材料应符合设计要求和有关标准的规定，应检查质量证明书及烘焙记录。
4.1.2 焊工必须经考试合格，检查焊工相应施焊条件的合格证及考核日期。
4.1.3 Ⅰ、Ⅱ级焊缝必须经探伤检验，并应符合设计要求和施工及验收规范的规定，检
查焊缝探伤报告。
4.1.4 焊缝表面Ⅰ、Ⅱ级焊缝不得有裂纹、焊瘤、烧穿、弧坑等缺陷。Ⅱ级焊缝不得有
表面气孔、夹渣、弧坑、裂纹、电弧擦伤等缺陷，且Ⅰ级焊缝不得有咬边、未焊满等缺陷。
4.2 基本项目
4.2.1 焊缝外观：焊缝外形均匀，焊道与焊道、焊道与基本金属之间过渡平滑，焊渣和
飞溅物清除干净。
4.2.2 表面气孔：Ⅰ、Ⅱ级焊缝不允许；Ⅲ级焊缝每50mm 长度焊缝内允许直径≤0.4t；
且≤3mm 气孔2 个；气孔间距≤6 倍孔径。
4.2.3 咬边：Ⅰ级焊缝不允许。
Ⅱ级焊缝：咬边深度≤0.05t，且≤0.5mm，连续长度≤100mm，且两侧咬边总长≤10%焊缝
长度。
Ⅲ级焊缝：咬边深度≤0.lt，且≤lmm。
注：t 为连接处较薄的板厚。
4.3 允许偏差项目，见表5-1。
5 成品保护
5.1 焊后不准撞砸接头，不准往刚焊完的钢材上浇水。低温下应采取缓冷措施。
5.2 不准随意在焊缝外母材上引弧。
5.3 各种构件校正好之后方可施焊，并不得随意移动垫铁和卡具，以防造成构件尺寸偏
差。隐蔽部位的焊缝必须办理完隐蔽验收手续后，方可进行下道隐蔽工序。
5.4 低温焊接不准立即清渣，应等焊缝降温后进行。
6 应注意的质量问题
6.1 尺寸超出允许偏差：对焊缝长宽、宽度、厚度不足，中心线偏移，弯折等偏差，应
严格控制焊接部位的相对位置尺寸，合格后方准焊接，焊接时精心操作。
6.2 焊缝裂纹：为防止裂纹产生，应选择适合的焊接工艺参数和施焊程序，避免用大电
流，不要突然熄火，焊缝接头应搭10～15mm，焊接中木允许搬动、敲击焊件。
6.3 表面气孔：焊条按规定的温度和时间进行烘焙，焊接区域必须清理干净，焊接过程
中选择适当的焊接电流，降低焊接速度，使熔池中的气体完全逸出。
6.4 焊缝夹渣：多层施焊应层层将焊渣清除干净，操作中应运条正确，弧长适当。注意
熔渣的流动方向，采用碱性焊条时，上须使熔渣留在熔渣后面。
7 质量记录
本工艺标准应具备以下质量记录：
7.1 焊接材料质量证明书。
7.2 焊工合格证及编号。
7.3 焊接工艺试验报告。
7.4 焊接质量检验报告、探伤报告。
7.5 设计变更、洽商记录。
7.6 隐蔽工程验收记录。
7.7 其它技术文件。
焊缝等级分类及无损检测要求
焊缝应根据结构的重要性、荷载特性、焊缝形式、工作环境以及应力状态等情况，按下述原则分别选用不同的质量等级，
1. 在需要进行疲劳计算的构件中，凡对接焊缝均应焊透，其质量等级为
1) 作用力垂直于焊缝长度方向的横向对接焊缝或T形对接与角接组合焊缝，受拉时应为一级，受压时应为二级；
2）作用力平行于焊缝长度方向的纵向对接焊缝应为二级。
2 .不需要计算疲劳的构件中，凡要求与母材等强的对接焊缝应予焊透，其质量等级当受拉时应不低于二级，受压时宜为二级
3 .重级工作制和起重量Q≥50t吊车梁的腹板与L冀缘之间以及吊车析架上弦杆与节点板之间的T形接头焊缝均要求焊透．焊缝形式一般为对接与角接的组合焊缝，其质量等级不应低于二级
4 .不要求焊透的’I'形接头采用的角焊缝或部分焊透的对接与角接组合焊缝，以及搭接连接采用的角焊缝，其质量等级为：
1)对直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构和吊车起重量等于或大于50t的中级工作制吊车梁，焊缝的外观质量标准应符合二级 ；
2) 对其他结构，焊缝的外观质量标准可为二级。
外观检查一般用目测，裂纹的检查应辅以5 倍放大镜并在合适的光照条件下进行，必要时可采用磁粉探伤或渗透探伤，尺寸的测量应用量具、卡规。
焊缝外观质量应符合下列规定:
1 一级焊缝不得存在未焊满、根部收缩、咬边和接头不良等缺陷，一级焊缝和二级焊缝不得存在表面气孔、夹渣、裂纹和电弧擦伤等缺陷；
2 二级焊缝的外观质量除应符合本条第一款的要求外，尚应满足下表的有关规定；
3 三级焊缝的外观质量应符合下表有关规定
焊缝质量等级
检测项目
二级
三级
未焊满 ≤0．2+0．02t 且≤1mm，每
100mm 长度焊缝内未焊满累积
长度≤25mm ≤0．2+0．04t 且≤2mm，每
100mm 长度焊缝内未焊满累积长 度≤25mm
根部收缩 ≤0．2+0．02t 且≤1mm，长
度不限 ≤0．2+0．04t 且≤2mm，长度不限
咬 边 ≤0．05t 且≤0．5mm，连续
长度≤100mm，且焊缝两侧咬边总长≤10％焊缝全长 ≤0．1t 且≤1mm，长度不限
裂 纹 不允许 允许存在长度≤5mm 的弧坑裂纹
电弧擦伤 不允许 允许存在个别电弧擦伤
接头不良 缺口深度≤0．05t 且≤
0．5mm，每1000mm 长度焊缝内不得超过1 处 缺口深度≤0．1t 且≤1mm，每 1000mm 长度焊缝内不得超过1 处
表面气孔 不允许 每50mm 长度焊缝内允许存在 直径≤0．4t 且≤3mm 的气孔2 个；孔距应≥6倍孔径
表面夹渣 不允许 深≤0．2t，长≤0．5t 且≤
20mm
设计要求全焊透的焊缝，其内部缺陷的检验应符合下列要求:
1 一级焊缝应进行100%的检验，其合格等级应为现行国家标准《钢焊缝手工超声波探伤方法及质量分级法》(GB 11345)B 级检验的Ⅱ级及Ⅱ级以上；
2 二级焊缝应进行抽检，抽检比例应不小于20%，其合格等级应为现行国家标准《钢焊缝手工超声波探伤方法及质量分级法》(GB 11345)B级检验的Ⅲ级及Ⅲ级以上；
3 全焊透的三级焊缝可不进行无损检测。
4 焊接球节点网架焊缝的超声波探伤方法及缺陷分级应符合国家现行标准JG/T203-2007《钢结构超声波探伤及质量分级法》的规定。
5 螺栓球节点网架焊缝的超声波探伤方法及缺陷分级应符合国家现行标准JG/T203-2007《钢结构超声波探伤及质量分级法》的规定。
6 箱形构件隔板电渣焊焊缝无损检测结果除应符合GB50205-2001标准第7.3.3 条的有关规定外，还应按附录C 进行焊缝熔透宽度、焊缝偏移检测。
7 圆管T、K、Y 节点焊缝的超声波探伤方法及缺陷分级应符合GB50205-2001标准附录D的规定。
8 设计文件指定进行射线探伤或超声波探伤不能对缺陷性质作出判断时，可采用射线探伤进行检测、验证。
9 射线探伤应符合现行国家标准《钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级》(GB 3323)的规定，射线照相的质量等级应符合AB 级的要求。一级焊缝评定合格等级应为《钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级》(GB 3323)的Ⅱ级及Ⅱ级以上，二级焊缝评定合格等级应为《钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级》(GB 3323)的Ⅲ级及Ⅲ级以上。
10 以下情况之一应进行表面检测:
1）外观检查发现裂纹时，应对该批中同类焊缝进行100%的表面检测；
2）外观检查怀疑有裂纹时，应对怀疑的部位进行表面探伤；
3）设计图纸规定进行表面探伤时；
4）检查员认为有必要时。
铁磁性材料应采用磁粉探伤进行表面缺陷检测。确因结构原因或材料原因不能使用磁粉探伤时，方可采用渗透探伤。磁粉探伤应符合国家现行标准《焊缝磁粉检验方法和缺陷磁痕的分级》(JB/T 6061)的规定，渗透探伤应符合国家现行标准《焊缝渗透检验方法和缺陷迹痕的分级》(JB/T 6062)的规定。磁粉探伤和渗透探伤的合格标准应符合外观检验的有关规定。
设计要求全焊透的一、二级焊缝应采用超声波探伤进行内部缺陷的检验，超声波探伤不能对缺陷作出判断时，应采用射线探伤，其内部缺陷分级及探伤方法应符合现行国家标准《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》GB11345或《钢熔化焊对接接头射结照相和质量分级》GB3323的规定。
焊接球节点网架焊缝、螺栓球节点网架焊缝及圆管T、K、Y形点相贯线焊缝，其内部缺陷分级及探伤方法应分别符合国家现行标准JG/T203-2007《钢结构超声波探伤及质量分级法》、《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81的规定。一级、二级焊缝的质量等级及缺陷分级应符合下表的规定。
一、二级焊缝质量等级及缺陷分级
焊 缝 质 量 等 级 一 级 二 级
内部缺陷
超声波探伤 评定等级 Ⅱ Ⅲ
检验等级 B级 B级
探伤比例 100% 20%
内部缺陷
射线探伤 评定等级 Ⅱ Ⅲ
检验等级 AB级 AB级
探伤比例 100% 20%
注：探伤比例的计数方法应按以下原则确定：（1）对工厂制作焊缝，应按每条焊缝计算百分比，且探伤长度应不小于200mm,当焊缝长度不足200 mm时，应对整条焊缝进行探伤；（2）对现场安装焊缝，应按同一类型、同一施焊条件的焊缝条数计算百分比，探伤长度应不小于200 mm，并应不少于1条焊缝。
说明：根据结构的承载情况不同，现行国家标准《钢结构设计规范》GBJ17中将焊缝的质量为分三个质量等级。内部缺陷的检测一般可用超声波探伤和射线探伤。射线探伤具有直观性、一致性好的优点，过去人们觉得射线探伤可靠、客观。但是射线探伤成本高、操作程序复杂、检测周期长，尤其是钢结构中大多为T形接头和角接头，射线检测的效果差，且射线探伤对裂纹、未熔合等危害性缺陷的检出率低。超声波探伤则正好相反，操作程序简单、快速，对各种接头形式的适应性好，对裂纹、未熔合的检测灵敏度高，因此世界上很多国家对钢结构内部质量的控制采用超声波探伤，一般已不采用射线探伤。
随着大型空间结构应用的不断增加，对于薄壁大曲率T、K、Y型相贯接头焊缝探伤，国家现行行业标准《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81中给出了相应的超声波探伤方法和缺陷分级。网架结构焊缝探伤应按现行国家标准JG/T203-2007《钢结构超声波探伤及质量分级法》的规定执行。
本规范规定要求全焊透的一级焊缝100％检验，二级焊缝的局部检验定为抽样检验。钢结构制作一般较长，对每条焊缝按规定的百分比进行探伤，且每处不小于200mm的规定，对保证每条焊缝质量是有利的。但钢结构安装焊缝一般都不长，大部分焊缝为梁一柱连接焊缝，每条焊缝的长度大多在250-300mm之间，采用焊缝条数计数抽样检测是可行的。
1.T形接头、十字接头、角接接头等要求熔透的对接和角对接组合焊缝，其焊脚尺寸不应小于t/4；设计有疲劳验算要求的吊车梁或类似构件的腹板与上翼缘连接焊缝的焊脚尺寸为t/2，且不应小于10mm。焊脚尺寸的允许偏差为0-4 mm。
检查数量：资料全数检查；同类焊缝抽查10%，且不应少于3条。
检验方法：观察检查，用焊缝量规抽查测量。
说明：以上1.对T型、十字型、角接接头等要求焊透的对接与角接组合焊缝，为减少应力集中，同时避免过大的焊脚尺寸，参照国内外相关规范的规定，确定了对静载结构和动载结构的不同焊脚尺寸的要求。
2.焊缝表面不得有裂纹、焊瘤等缺陷。一级、二级焊缝不得有表面气孔、夹渣、弧坑裂纹、电弧擦伤等缺陷。且一级焊缝不许有咬边、未焊满、根部收缩等缺陷。
检查数量：每批同类构件抽查10%，且不应少于3件；被抽查构件中，每一类型焊缝按条数抽查5%，且不应少于1条；每条检查1条，总抽查数不应少于10处。
检验方法：观察检查或使用放大镜、焊缝量规定和钢尺检查，当存在疑义时，采用渗透或磁粉探伤检查。
说明：以上考虑不同质量等级的焊缝承载要求不同，凡是严重影响焊缝承载能力的缺陷都是严禁的本条对严重影响焊缝承载能力外观质量要求列入主控项目，并给出了外观合格质量要求。由于一、二级焊缝的重要性，对表面气孔、夹渣、弧坑裂纹、电弧擦伤应有特定不允许存在 的要求，咬边、未焊满、根部收缩等缺陷对动载影响很大，故一级焊缝不得存在该类缺陷。