建筑钢结构对钢材的要求

2016-04-27高云

四川水泥 2016年10期

关键词：延展性钢材塑性

高云

（潍坊科技学院山东寿光 262700）

建筑钢结构对钢材的要求

高云

（潍坊科技学院山东寿光 262700）

现代化的高层建筑当中，多采用钢结构作为楼宇的主体结构，所以钢材的质量及性能还有焊接的方式就决定了建筑的质量。本文从建筑钢结构对钢材的设计要求、抗震性能要求及焊接的要求这三个方面进行阐述，以期为行业工作者提供参考。

建筑；钢结构；钢材；要求

建筑钢结构在使用的过程中，钢材料作为工程施工的主体，对原材料的规格及设计要求、抗震性都有较高的要求。并且以钢材作为建筑主体结构的建筑通常会与玻璃、膜材等现代化的建筑材料配合使用，所以对钢材的要求还需将与此类材料的融合、形成牢固性纳入考虑的范围。

一、钢结构建筑的主要特点

在钢结构的建筑当中，钢材存在以下几个优点：首先是强度比较高，刚度大，自重轻。钢结构的建筑当中，混凝土与钢材之间的自重之比为1:1.6。而且所承受的地震能力=质量乘以地震加速度，故重量越轻，地震力也相对减少。并且因为建造钢结构的建筑多采用现代技术，所以施工周期比较短，不仅大大缩短了投入的资金，并且不会受到季节因素的影响。由于钢材的延展性，可以直接运用在建筑梁深及柱体间跨度，将面积的使用率提高到5%～8%，产生的垃圾少，造型也比较美观，对推行环保绿色行业发展起着重要的作用。

二、建筑钢结构对钢材的设计要求

内应力是指在一个已经形成的钢结构框架当中，钢材于所处的环境内能够承受的棱边压力或者轧制、焊接热度过后能够自动冷却所产生的压力。比如在华润建造的钢结构的办公楼宇当中，在结合工程要求和抗震性后对钢材的设计要求范围包含其横向强度特性、延展性、可成形性、安全性，包括对钢材循环性的焊接加温，轧制时的韧性冲击作用，焊接裂缝对其的敏感性和涂料造成的腐蚀性。如果客户有特别要求，还要考虑容忍度、测试性、报道性及表面轮廓。

因本次工程当中采用的是热轧结构的钢材，其扩展压力为690MPa，按照钢结构建筑的规定——《钢结构及桥梁惯用标准规范（AISC,2005）》，对钢材规定了最小的屈服强度，钢材当中利用率会造成钢材强度和尺寸的不同。比如在建筑中采用415MPa屈服应力的钢材，将底盘厚度上限至32mm。在钢材的轧制过程当中，其屈服应力的参数由钢材的拉伸性能决定，从而确定钢材的规格及各种性能要求。同时在此过程中钢材的物理性和机械特性同样对建筑钢结构的稳定性和抗震程度起着重要的作用，比如在轧制当中的钢材延展性和抗腐蚀性及可成形性。

在设计时，还要提供钢材完整的衡量因素，将材料选择和建筑的独特性或者具有专门用途的设施考虑在内，还要考虑其焊接联结的要求。所以材料的规格、工艺及施工质量都需要进行检查。在高温焊接区域内钢材焊接时的收缩应变可能超过材料的强度。对于有特殊用途的钢结构，比如长期处于低温状态下的钢材，或者是带有冲击力的荷载结构，就要求钢材具备超高韧性。但是目前国内市场和高层建筑中采用的钢材均为相对暖性的。钢材在轧制的过程中应变速率的稳定性能够影响到建筑钢结构的整体设计和能够循环使用的次数及质量。在此过程中，钢材出现断裂的机率比较低，因此大多数建筑物断裂的可能性也就比较低。在设计时，选用高质量的钢材原材料，采用不同形状的钢材进行几何稳定的连接，这样能够使得钢材具有良好的抗断裂性。

三、高层建筑钢结构对钢材抗震性能的要求

钢材的抗震性会因为材料和制造技术的不同有不同的等级。对钢材抗震性能的要求需要根据建筑区域内地震发生的概率和最高等级进行选择。如表1所示：

表1 西南某多丘陵区域地震发生等级

《钢材抗震设计》中对钢材抗震提出以下几个要求：首先其屈强系数不能超过0.85，其次是要求钢材的伸长率不大于百分之二十，钢材之间的标准距离为50.8毫米，还要具有良好的焊接性。特别是针对高层钢结构建筑，钢材还要有很强的延展性，钢材还要具备一定的强度和允许变形的范围，这是为了钢材形成塑性后产生的截面转动需求。钢材中存在简单的塑性，除了塑性铰截面外，其余截面都处于弹性范围。在实际的操作当中，钢材的弯矩也大于塑性弯矩，处于强化阶段。对于现代化高层建筑的抗地震性，所用钢材的屈服强度不能超过350MPa，抗震体系或者是屈强比为 0.8，钢材轧制时的延展性为 16%左右。比如本工程中采用的460MPa的钢材符合墙柱弱梁要求，屈强比为0.85，伸长率为16%。另外在钢材通过螺栓进行连接时，只要无栓孔界面发生足够的塑性变形，带栓孔净截面仍然处于未发生断裂状态，如图1所示：

图1 钢结构截面图

如果在钢结构的连续梁的塑性设计时，所出现的第一个塑性铰继续承载时，此塑性铰所在的截面必须像真实铰一样转动。同时钢材在塑性设计计算时，还要让塑性铰截面外的截面处于弹性范围内，满足构件在塑性范围内实现足够的转动，这样的钢材所承受的应力（单位截面内）范围内的实际弯矩会大于理想的塑性弯矩，且材料必须有强化阶级。通常在钢材的抗震钢结构中，在设计时抗震性建立在钢结构的基座的梁端部分，使其能够以钢材吸收震动能力的方式增强主体框架的稳定性。由此可以看出，除了考虑建筑区域内发生地震的频率与地震最高级别外，钢材的设计及选用要求需要根据钢结构强柱弱梁的要求还有钢材的用途决定。

四、建筑钢结构对钢材的焊接要求

在钢结构建筑施工时，需要选用焊接的方式将多个部分的钢材进行连接，焊接的技术流程需要按照设计的图和焊接的材料及钢材的形状决定，并对各类材料的规格和质量进行复检，钢材的化学成分、力学性能和其质量要求必须符合国家对高层钢结构建筑的规定标准。在钢材的成分和性能要符合国家要求的同时，还要符合工程建造的结构性，针对大型或者重型及特殊钢结构的主要焊接采用焊接填充材料，并要经过复验。焊接时，需要根据钢材的形状和性能及应用的部分设置不同的焊接点，现代高层钢结构建筑中广泛采用了T形焊接、十字形焊接机角接接头焊接。当钢材在进行焊接的过程中，其翼缘板厚度超过 35mm时，采用的焊接方式需要结合抗层状的撕裂、形态、钢材厚度和建筑的结构类型进行选择。为方便高层建筑的焊接，提高工作效率，一般采用气体保护焊接，焊接的气体是氩气，其纯度不应低于99.95%。焊接时，为保证其牢固性，应尽量减少焊缝的数量和尺寸，焊缝的布置对称与构建截面的中和轴，更便于焊接的操作，避免仰焊位置施焊。在焊接时，可采用刚性较小的节点形式，在焊缝密集和双向、三向相较时，焊缝位置可以避开高应力区，并且焊接的坡口形状和尺寸与焊接工艺相关。在进行组合焊接时，钢材构建的焊接节点需要对焊缝的尺寸、间距、填焊高度有一定要求。钢材焊缝之间存在的间隔孔径应小于焊孔的四倍，而钢材之间的焊槽在纵向的最小间距应为槽孔长度的两倍，开孔板厚度为8毫米。