1、7.3 钢结构的连接技术钢结构的连接技术 如北京的京城大厦如北京的京城大厦(183.35m)、深圳的地王大厦、深圳的地王大厦(384m)、上海的金茂大厦上海的金茂大厦(421m)等著名的钢结构高层建筑。目前，钢结等著名的钢结构高层建筑。目前，钢结构高层建筑已成为我国高层建筑的主要结构类型，并且由于我构高层建筑已成为我国高层建筑的主要结构类型，并且由于我国已生产钢结构高层建筑用厚钢板、热轧国已生产钢结构高层建筑用厚钢板、热轧H型钢等多种钢材品型钢等多种钢材品种，也为钢结构高层建筑的发展提供了重要的物质保证。钢结种，也为钢结构高层建筑的发展提供了重要的物质保证。钢结构建筑被称为构建筑被称为21世纪
2、的绿色工程。表世纪的绿色工程。表7-1列举了国内较有代表列举了国内较有代表性的一些钢结构高层建筑。性的一些钢结构高层建筑。目前，钢结构高层建筑的结构体系主要有纯框架结构体系、目前，钢结构高层建筑的结构体系主要有纯框架结构体系、框架框架支撑支撑(剪力墙剪力墙)结构体系、错层桁架结构体系、外筒式结构结构体系、错层桁架结构体系、外筒式结构体系、筒体结构体系等几种，如图体系、筒体结构体系等几种，如图7.1所示。所示。纯框架结构体系是由水平梁和垂直柱通过节点的刚性构纯框架结构体系是由水平梁和垂直柱通过节点的刚性构造连接而成的多个平面刚接框架结构组成的空间杆系结构，造连接而成的多个平面刚接框架结构组成的空
3、间杆系结构，承受作用于各个平面的荷载。框架结构在垂直平面上不设支承受作用于各个平面的荷载。框架结构在垂直平面上不设支撑，可以形成较大的空间，为平面布置提供了最大的灵活性，撑，可以形成较大的空间，为平面布置提供了最大的灵活性，框架结构可以有多种结构平面，如图框架结构可以有多种结构平面，如图7.2所示。所示。框架结构体系各部分的刚度比较均匀，构造简单，易于施框架结构体系各部分的刚度比较均匀，构造简单，易于施工。其整体性取决于各柱和梁的刚度、强度以及节点刚接构造工。其整体性取决于各柱和梁的刚度、强度以及节点刚接构造的可靠性，在竖向荷载作用下的承载能力取决于梁、柱的强度的可靠性，在竖向荷载作用下的承载
4、能力取决于梁、柱的强度和稳定性，在这方面与其他结构体系的情况基本相同，在水平和稳定性，在这方面与其他结构体系的情况基本相同，在水平荷载作用下其抗侧力的强度和刚度主要取决于杆件的抗弯能力。荷载作用下其抗侧力的强度和刚度主要取决于杆件的抗弯能力。据此，该体系对于据此，该体系对于30层以下的建筑较为合适。层以下的建筑较为合适。25层的北京长富层的北京长富宫饭店，即为钢框架结构体系。当建筑超过宫饭店，即为钢框架结构体系。当建筑超过30层后，楼层剪力层后，楼层剪力很大，这种体系的刚度不易满足要求，靠加大梁、柱截面来提很大，这种体系的刚度不易满足要求，靠加大梁、柱截面来提高框架的抗侧力能力，已不再经济合理
5、，常需采用剪力墙或筒高框架的抗侧力能力，已不再经济合理，常需采用剪力墙或筒体结构来加强刚接框架而另成别的体系。框架结构体系的优点体结构来加强刚接框架而另成别的体系。框架结构体系的优点是建筑平面布置灵活，能适用于各类性质的建筑，有较大延性，是建筑平面布置灵活，能适用于各类性质的建筑，有较大延性，有利于抗震；缺点是侧向刚度较差，在风载或地震荷载等水平有利于抗震；缺点是侧向刚度较差，在风载或地震荷载等水平荷载作用下，层间位移较大，会导致非结构部件破坏。荷载作用下，层间位移较大，会导致非结构部件破坏。高层建筑结构设计的重要内容之一是控制建筑物顶点的水高层建筑结构设计的重要内容之一是控制建筑物顶点的水平
6、位移在规定的限值范围内，上述纯框架结构体系到达一定平位移在规定的限值范围内，上述纯框架结构体系到达一定高度后，难以承受水平荷载作用下的水平剪力，通过在框架高度后，难以承受水平荷载作用下的水平剪力，通过在框架结构某些节间的竖向平面内增设起剪力墙作用，由钢支撑构结构某些节间的竖向平面内增设起剪力墙作用，由钢支撑构成的竖向抗剪支撑桁架，来承受水平剪力。即能有效地提高成的竖向抗剪支撑桁架，来承受水平剪力。即能有效地提高结构体系的抗剪刚度而大大减少水平位移，这种结构型式一结构体系的抗剪刚度而大大减少水平位移，这种结构型式一般称之为框架般称之为框架支撑结构，其类型如图支撑结构，其类型如图7.3(a)、(b
7、)所示。所示。当刚接框架和抗剪支撑共同工作而成为框架当刚接框架和抗剪支撑共同工作而成为框架支撑结构体支撑结构体系时，框架主要作为承受竖向荷载的结构，也承受一部分水平系时，框架主要作为承受竖向荷载的结构，也承受一部分水平荷载荷载(一般约占一般约占15%20%)，大部分水平荷载由抗剪支撑承受。，大部分水平荷载由抗剪支撑承受。在水平力作用下，抗剪支撑桁架的支撑构件只承受拉、压轴向在水平力作用下，抗剪支撑桁架的支撑构件只承受拉、压轴向应力，无论从强度或变形的角度看，都是十分有利的。应力，无论从强度或变形的角度看，都是十分有利的。这种结构中因柱子主要承受墙、梁和楼板传递的竖向荷载，这种结构中因柱子主要承
8、受墙、梁和楼板传递的竖向荷载，用钢量较纯框架结构小，框架梁用钢量较纯框架结构小，框架梁柱节点相对简单，可视为铰柱节点相对简单，可视为铰接或半刚接。由于竖向抗剪支撑桁架提高了结构的抗水平力能接或半刚接。由于竖向抗剪支撑桁架提高了结构的抗水平力能力，增加了结构的整体刚度。因而此结构体系的建筑高度可以力，增加了结构的整体刚度。因而此结构体系的建筑高度可以加大。可建到加大。可建到60层左右。如层左右。如53层的北京京广中心层的北京京广中心(208m)即为钢即为钢框架框架支撑结构。支撑结构。但当竖向支撑桁架设置在建筑物中部构成抗水平力核心筒但当竖向支撑桁架设置在建筑物中部构成抗水平力核心筒时，外围柱一般
9、不参与抵抗水平力，则整个结构的刚度提高有时，外围柱一般不参与抵抗水平力，则整个结构的刚度提高有限，也就影响了建筑物层数的增加。如果在结构的顶层或中间限，也就影响了建筑物层数的增加。如果在结构的顶层或中间层设置高度相当于一个楼层的水平带状支撑桁架，可使外围柱层设置高度相当于一个楼层的水平带状支撑桁架，可使外围柱共同抵抗水平力，结构抵抗水平力能力大大提高。一般设在中共同抵抗水平力，结构抵抗水平力能力大大提高。一般设在中间楼层的水平桁架称腰桁架，设在顶层的水平桁架称帽桁架。间楼层的水平桁架称腰桁架，设在顶层的水平桁架称帽桁架。此类框架此类框架支撑结构又称为有腰支撑结构又称为有腰(帽帽)桁架的框架桁架
10、的框架支撑结构体支撑结构体系。如系。如52层的北京京城大厦层的北京京城大厦(183.35m)就采用了此结构体系。就采用了此结构体系。支撑的类型很多，如图支撑的类型很多，如图7.4所示，采用何种类型支撑、其所示，采用何种类型支撑、其数量多少及刚度大小，主要依建筑物高度和水平力的大小加以数量多少及刚度大小，主要依建筑物高度和水平力的大小加以调整。在钢结构高层建筑中，用的最多的是人字支撑、交叉支调整。在钢结构高层建筑中，用的最多的是人字支撑、交叉支撑和单斜杆支撑。为保持抗侧力性能的均衡，单斜杆支撑应对撑和单斜杆支撑。为保持抗侧力性能的均衡，单斜杆支撑应对称布置，以承受左、右两方向来的地震作用。称布置
11、，以承受左、右两方向来的地震作用。另外有时在钢结构高层建筑中多采用带竖缝或水平缝的另外有时在钢结构高层建筑中多采用带竖缝或水平缝的混凝土墙板代替支撑桁架，这种墙板的变形能力比普通混凝混凝土墙板代替支撑桁架，这种墙板的变形能力比普通混凝土墙板大得多。它的上下边沿全长与框架梁连接。由于混凝土墙板大得多。它的上下边沿全长与框架梁连接。由于混凝土墙板的断面大，有很大的刚度和抗剪能力，能有效地抵抗土墙板的断面大，有很大的刚度和抗剪能力，能有效地抵抗地震作用引起的剪力，显著地节约了钢材，如地震作用引起的剪力，显著地节约了钢材，如43层的深圳发层的深圳发展中心展中心(165m)。由框架由框架支撑结构派生演变
12、成。其特点是下一楼层的桁支撑结构派生演变成。其特点是下一楼层的桁架位于上一楼层两榀桁架间距的中线上，使相邻两个楼层桁架位于上一楼层两榀桁架间距的中线上，使相邻两个楼层桁架呈架呈“品品”字形交错排列，如图字形交错排列，如图7.5所示。此结构的楼板架设所示。此结构的楼板架设在下层桁架的上弦杆和上层桁架的下弦杆上，楼板参与桁架在下层桁架的上弦杆和上层桁架的下弦杆上，楼板参与桁架传递水平力，起刚性隔板作用。水平力作用于每层桁架上弦，传递水平力，起刚性隔板作用。水平力作用于每层桁架上弦，经腹杆传至下弦，又由楼板传至相邻桁架的上弦。这一过程经腹杆传至下弦，又由楼板传至相邻桁架的上弦。这一过程的重复，就可以
13、使水平力传至基础。这种结构适用于公寓、的重复，就可以使水平力传至基础。这种结构适用于公寓、旅馆等狭长建筑物，因为狭长矩形平面高层建筑，短边刚度旅馆等狭长建筑物，因为狭长矩形平面高层建筑，短边刚度往往较小，而短边方向的风载又较大。错列桁架结构的优点往往较小，而短边方向的风载又较大。错列桁架结构的优点是短边刚度较大，容易满足以上设计要求，而且此结构的经是短边刚度较大，容易满足以上设计要求，而且此结构的经济效果非常突出，国内尚无这种结构实例，据国外报道此体济效果非常突出，国内尚无这种结构实例，据国外报道此体系非常省钢，其用钢量比框筒结构低系非常省钢，其用钢量比框筒结构低40%。又因桁架在工厂制作后整
14、体吊装，结构安装速度快，施又因桁架在工厂制作后整体吊装，结构安装速度快，施工周期短，美国已有此类结构实例。工周期短，美国已有此类结构实例。外筒式结构体系如图外筒式结构体系如图7.1(e)、(f)、(g)所示，有开口筒、框所示，有开口筒、框架筒、桁架筒等几种。当建筑物高度超过架筒、桁架筒等几种。当建筑物高度超过60层后，水平荷载层后，水平荷载作用的影响愈来愈严重，结构体系必须具有更强有力的承受作用的影响愈来愈严重，结构体系必须具有更强有力的承受水平荷载的有效部分。由于框架水平荷载的有效部分。由于框架核心筒结构的内筒平面尺核心筒结构的内筒平面尺寸较小，其侧向刚度受到限制，所以有时把抗剪结构在外围寸
15、较小，其侧向刚度受到限制，所以有时把抗剪结构在外围延伸至建筑短边全宽，长边则在中间断开，在平面两端形成延伸至建筑短边全宽，长边则在中间断开，在平面两端形成槽形悬臂构件，称为半框筒式结构或开口筒结构。如长边较槽形悬臂构件，称为半框筒式结构或开口筒结构。如长边较长，中间可再加工字形抗剪悬臂构件或加一个封闭的中间筒。长，中间可再加工字形抗剪悬臂构件或加一个封闭的中间筒。此结构的抗水平力构件可采用支撑桁架或密柱解决，其抗水此结构的抗水平力构件可采用支撑桁架或密柱解决，其抗水平力能力加大，内部空旷，使用较灵活，但楼盖梁跨度较大，平力能力加大，内部空旷，使用较灵活，但楼盖梁跨度较大，可建到可建到70层。国
16、内尚无此结构体系实例。层。国内尚无此结构体系实例。如果采用密排的柱和各层楼盖处的横梁如果采用密排的柱和各层楼盖处的横梁(或以窗下墙作为或以窗下墙作为横梁横梁)刚接组成密间距矩形网格，四周成圈，形成一个封闭空刚接组成密间距矩形网格，四周成圈，形成一个封闭空心箱形悬臂筒心箱形悬臂筒(竖直方向竖直方向)，来承受水平荷载，则大大提高了体，来承受水平荷载，则大大提高了体系的抗侧移刚度和抗扭转性能。竖直重力荷载则主要由内部少系的抗侧移刚度和抗扭转性能。竖直重力荷载则主要由内部少量中间柱承受。劲性楼面作为横隔把侧力分布到周边结构上，量中间柱承受。劲性楼面作为横隔把侧力分布到周边结构上，无需楼板梁的弯矩约束作
17、用来抵抗和传递水平力，楼板可做成无需楼板梁的弯矩约束作用来抵抗和传递水平力，楼板可做成密肋板或无梁平板，则可获得较大的楼层净高。这种结构的外密肋板或无梁平板，则可获得较大的楼层净高。这种结构的外筒是由空腹格网组成的框架式结构，因而称为框架筒。其合适筒是由空腹格网组成的框架式结构，因而称为框架筒。其合适高度为高度为80层左右，其平面具有很大的多功能灵活性，且其外圈层左右，其平面具有很大的多功能灵活性，且其外圈密排式空腹格网可直接作为安装玻璃的窗框。密排式空腹格网可直接作为安装玻璃的窗框。但这种外筒不是实腹外墙而是密网框架，框架的柔性在但这种外筒不是实腹外墙而是密网框架，框架的柔性在传力过程中易造
18、成应力损失，使正应力两边大中间小，角柱传力过程中易造成应力损失，使正应力两边大中间小，角柱轴力大于中间轴力，形成剪力滞后现象。因此框架筒结构在轴力大于中间轴力，形成剪力滞后现象。因此框架筒结构在水平荷载作用下，仍存在一定的缺点，为克服缺点可将外筒水平荷载作用下，仍存在一定的缺点，为克服缺点可将外筒的刚性框架结构改为桁架式结构，也称为桁架式外筒结构。的刚性框架结构改为桁架式结构，也称为桁架式外筒结构。因框架筒依靠梁柱的弯曲抵抗水平剪力，而桁架筒则主要靠因框架筒依靠梁柱的弯曲抵抗水平剪力，而桁架筒则主要靠斜撑的轴向力来抵抗水平剪力，水平剪力引起的斜撑拉力将斜撑的轴向力来抵抗水平剪力，水平剪力引起的
19、斜撑拉力将会被重力荷载产生的压力抵消，斜撑的这种双重作用使这种会被重力荷载产生的压力抵消，斜撑的这种双重作用使这种结构有很高的效能，用钢量也降低约结构有很高的效能，用钢量也降低约10%，应用此结构体系，应用此结构体系，建筑物高可达建筑物高可达100层以上。其缺点是开窗受斜撑影响，大量交层以上。其缺点是开窗受斜撑影响，大量交叉节点使结构变的复杂。如图叉节点使结构变的复杂。如图7.6所示美国芝加哥所示美国芝加哥100层的约层的约翰翰汉考克中心即为桁架式外筒结构，强大的交叉支撑外露于汉考克中心即为桁架式外筒结构，强大的交叉支撑外露于建筑物的立面上。建筑物的立面上。筒体结构体系如图筒体结构体系如图7.
20、1(h)、(i)所示，主要有筒中筒、筒所示，主要有筒中筒、筒束等几种。加强框架外筒式结构体系的另一种方法是在内束等几种。加强框架外筒式结构体系的另一种方法是在内部设置强劲的钢结构或钢筋混凝土结构剪力墙式的核心内部设置强劲的钢结构或钢筋混凝土结构剪力墙式的核心内筒，外围结构为密柱深梁钢框筒，从而发展形成筒中筒结筒，外围结构为密柱深梁钢框筒，从而发展形成筒中筒结构体系。此结构体系的内筒和外筒由楼盖结构连接起来形构体系。此结构体系的内筒和外筒由楼盖结构连接起来形成一个整体，共同承受水平荷载和竖直荷载，可以十分有成一个整体，共同承受水平荷载和竖直荷载，可以十分有效地抵抗侧力。由于有内筒参与抵抗侧力，框
21、筒的剪力泄效地抵抗侧力。由于有内筒参与抵抗侧力，框筒的剪力泄后现象得到改善，其合适高度也可达到后现象得到改善，其合适高度也可达到100层层 左右。左右。筒式结构的发展，从单筒到筒中筒，进而又把许多个筒式结构的发展，从单筒到筒中筒，进而又把许多个筒体排列而成筒束结构体系。此体系合适高度约为筒体排列而成筒束结构体系。此体系合适高度约为110120层，如采用桁架式筒束结构体系，有可能把合适高度提层，如采用桁架式筒束结构体系，有可能把合适高度提高到高到140层以上。美国芝加哥西尔兹大厦是采用筒束结构的层以上。美国芝加哥西尔兹大厦是采用筒束结构的典型实例。其平面形式及外形特征如图典型实例。其平面形式及外
22、形特征如图7.7所示。所示。110层的层的西尔兹大厦平面尺寸西尔兹大厦平面尺寸67.567.5m，高，高445m。50层以下结构由层以下结构由9个个22.522.5的框筒相互连接组成筒束，的框筒相互连接组成筒束，平面呈正方形；平面呈正方形；5166层去掉层去掉2个角部框筒，平面呈双菱形；个角部框筒，平面呈双菱形；6790层又去掉另两个角部框筒，平面呈十字形；层又去掉另两个角部框筒，平面呈十字形；91110层层再去掉再去掉3个框筒，平面呈长方形。个框筒，平面呈长方形。结构钢主要由铁元素组成，约占化学成分的结构钢主要由铁元素组成，约占化学成分的98%或更高，或更高，但是影响钢材材质的却是所占百分比
23、含量很小的其他元素，但是影响钢材材质的却是所占百分比含量很小的其他元素，如碳、其他合金元素以及杂质元素。钢化学成分的微量变化，如碳、其他合金元素以及杂质元素。钢化学成分的微量变化，会直接影响钢材的机械性能、加工性能和使用性能。有时为会直接影响钢材的机械性能、加工性能和使用性能。有时为获得更高的强度和韧性，必须加入少量其他元素，特别是碳获得更高的强度和韧性，必须加入少量其他元素，特别是碳和锰。对于焊接结构钢，除了抗拉强度外，塑性、韧性和可和锰。对于焊接结构钢，除了抗拉强度外，塑性、韧性和可焊性都是主要指标，因而含碳量一般控制在焊性都是主要指标，因而含碳量一般控制在0.22%以下，对碳、以下，对碳
24、、磷极限含量都严格控制，防止热脆和冷脆等。磷极限含量都严格控制，防止热脆和冷脆等。钢材的品种繁多，性能各异，但在钢结构中采用的钢材钢材的品种繁多，性能各异，但在钢结构中采用的钢材按其化学元素组成，主要有以下几类：按其化学元素组成，主要有以下几类：1.碳素结构钢碳素结构钢碳素结构钢是最普通的工程用钢，其中碳是形成钢材强度的主碳素结构钢是最普通的工程用钢，其中碳是形成钢材强度的主要元素，直接影响着钢材的可焊性。按其含碳量的多少，可分要元素，直接影响着钢材的可焊性。按其含碳量的多少，可分为低碳钢、中碳钢、高碳钢，见表为低碳钢、中碳钢、高碳钢，见表7-2。其中低碳钢是最主要。其中低碳钢是最主要并最多使
25、用的钢材品种。并最多使用的钢材品种。碳素结构钢又可以分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。碳素结构钢又可以分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。1)普通碳素结构钢普通碳素结构钢(GB 7001988)根据现行的国家标准根据现行的国家标准碳素结构钢碳素结构钢(GB 7001988)的规的规定，碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母定，碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母(Q)、屈服点数值、屈服点数值(N/mm2)、质量等级代号、质量等级代号(A、B、C、D)、脱氧方法代号、脱氧方法代号(F、b、Z、TZ)等四个部分符号按顺序组成。等四个部分符号按顺序组成。Q是是“屈屈”字汉语拼音的字汉语拼音的首位字母；质
26、量等级中首位字母；质量等级中A级最差，级最差，D级最优；级最优；F、b、Z、TZ则则分别是分别是“沸沸”、“半半”、“镇镇”及及“特镇特镇”汉语拼音的首位字汉语拼音的首位字母，分别代表沸腾钢、半镇静钢、镇静钢及特殊镇静钢母，分别代表沸腾钢、半镇静钢、镇静钢及特殊镇静钢(表示表示脱氧程度不同脱氧程度不同)。其中代号。其中代号Z、TZ可以省略。如：可以省略。如：Q235-A.F表表示屈服点为示屈服点为235N/mm2的的A级沸腾碳素结构钢。级沸腾碳素结构钢。Q235-D表示屈表示屈服点为服点为235N/mm2的的D级特殊镇静碳素结构钢。级特殊镇静碳素结构钢。碳素结构钢按屈服点的大小，分为碳素结构钢
27、按屈服点的大小，分为Q195、Q215、Q235、Q255、及、及Q275等五种牌号。由平炉或氧气顶吹转炉冶炼、交等五种牌号。由平炉或氧气顶吹转炉冶炼、交货时，供方应提供力学性能和化学成分的质保书，其内容包括货时，供方应提供力学性能和化学成分的质保书，其内容包括屈服强度、极限强度、伸长率、弯曲实验及碳、锰、硅、硫、屈服强度、极限强度、伸长率、弯曲实验及碳、锰、硅、硫、磷等的含量。不同，牌号、不同质量等级的钢材对化学成分和磷等的含量。不同，牌号、不同质量等级的钢材对化学成分和拉伸、冲击韧性、冷弯等力学性能指标要求也不同，应符合有拉伸、冲击韧性、冷弯等力学性能指标要求也不同，应符合有关规定。关规定
28、。根据老标准根据老标准普通碳素结构钢技术条件普通碳素结构钢技术条件(GB 7001979)的规定，碳素结构钢分为甲、乙、特三类。甲类钢主要按力学的规定，碳素结构钢分为甲、乙、特三类。甲类钢主要按力学性能供应；乙类钢按化学成分供应；特类钢则按力学性能和化性能供应；乙类钢按化学成分供应；特类钢则按力学性能和化学成分供应。碳素结构钢按含碳量的大小分为学成分供应。碳素结构钢按含碳量的大小分为1、2、3、4、5、6、7七个钢号，钢号越大，含碳量就越多，钢材的强度和硬度七个钢号，钢号越大，含碳量就越多，钢材的强度和硬度也就越高，塑性则越低。现行标准中的也就越高，塑性则越低。现行标准中的Q235即为即为3号
29、钢。号钢。2)优质碳素结构钢优质碳素结构钢(GB 6991988)优质碳素结构钢是用以满足不同加工要求而赋予相应性能优质碳素结构钢是用以满足不同加工要求而赋予相应性能的碳素钢，是碳素钢经过热处理的碳素钢，是碳素钢经过热处理(如调质处理和正火处理如调质处理和正火处理)得到得到的优质钢。按的优质钢。按优质碳素结构钢技术条件优质碳素结构钢技术条件(GB 6991988)的的规定，共有规定，共有31个品种，根据其含锰量的不同分为两组：普通含个品种，根据其含锰量的不同分为两组：普通含锰量的钢，其含锰量小于锰量的钢，其含锰量小于0.8%；较高含锰量的钢，其含锰量为；较高含锰量的钢，其含锰量为0.7%1.2
30、%。优质碳素钢与普通碳素钢的主要区别在于钢中。优质碳素钢与普通碳素钢的主要区别在于钢中含杂质元素较少，硫、磷的含量均不大于含杂质元素较少，硫、磷的含量均不大于0.035%，都属平炉或，都属平炉或电炉冶炼的镇静钢，且严格限制其他缺陷，并且有较好的综合电炉冶炼的镇静钢，且严格限制其他缺陷，并且有较好的综合性能。性能。优质碳素钢钢号的写法是用其平均含碳量的万分之几表示，优质碳素钢钢号的写法是用其平均含碳量的万分之几表示，如如“45号钢号钢”是表示平均含碳量是表示平均含碳量0.45%的优质碳素钢，用作高的优质碳素钢，用作高强螺栓的热圈等。优质碳素钢在建筑工程中应用较少，国家标强螺栓的热圈等。优质碳素钢
31、在建筑工程中应用较少，国家标准准优质碳素结构钢优质碳素结构钢(GB/T 6991988)中可用于建筑钢结构中可用于建筑钢结构的牌号有的牌号有15(U20152)、20(U20202)、15Mn(U21152)、20 Mn(U21202)，其化学成分与力学性能应符合有关规定。，其化学成分与力学性能应符合有关规定。2.低合金钢低合金钢(GB/T 15911994)低合金钢是一种在普通碳素钢基础上添加少量的一种或多低合金钢是一种在普通碳素钢基础上添加少量的一种或多种合金元素种合金元素(总量低于总量低于5%)如钒、铌、钛、铬、镍等，以提高其如钒、铌、钛、铬、镍等，以提高其强度，耐腐蚀性、耐磨性或低温冲
32、击韧性的钢材。加入钒、铌、强度，耐腐蚀性、耐磨性或低温冲击韧性的钢材。加入钒、铌、钛等元素能明显提高钢材的强度、细化晶粒、改善可焊性；镍、钛等元素能明显提高钢材的强度、细化晶粒、改善可焊性；镍、铬属于残余元素，本身就是不锈钢的主要元素，它能提高强度，铬属于残余元素，本身就是不锈钢的主要元素，它能提高强度，淬硬性和耐磨性等综合性能，但是对可焊性不利；有时加入少淬硬性和耐磨性等综合性能，但是对可焊性不利；有时加入少量钼和稀土量钼和稀土(RE)元素，可以改善其综合性能，使低合金结构钢元素，可以改善其综合性能，使低合金结构钢可以比碳素结构钢节省约可以比碳素结构钢节省约20%的用钢量。的用钢量。根据现行
33、国家标准根据现行国家标准低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢(GB/T 15911994)规定，低合金高强度结构钢的牌号表示由代表屈服点的汉规定，低合金高强度结构钢的牌号表示由代表屈服点的汉语拼音字母语拼音字母(Q)、屈服点数值、屈服点数值(N/mm2)。质量等级符号。质量等级符号(A、B、C、D、E)等三个部分组成，其中质量等级由等三个部分组成，其中质量等级由A到到E质量从低到质量从低到高。钢牌号按屈服点大小，分为高。钢牌号按屈服点大小，分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等五种，其中常用的钢种为等五种，其中常用的钢种为Q345和和Q390。如按老标准。如按老标准GB/T15
34、91-88规定，共列出了十几种钢号，随着低合金钢在钢规定，共列出了十几种钢号，随着低合金钢在钢结构中的推广使用，用于土木工程中的低合金钢除了常用的结构中的推广使用，用于土木工程中的低合金钢除了常用的16锰钢和锰钢和15锰钒钢外，还有锰钒钢外，还有16锰铌半、锰铌半、16锰稀土、锰稀土、14锰铌半、锰铌半、18铌半、铌半、15锰钛、锰钛、09锰等。表锰等。表7-3列示了新国标列示了新国标GB/T 15911994的低合金结构钢牌号表示方法与原国标的低合金结构钢牌号表示方法与原国标GB 15911988不同。不同。低合金钢由氧气顶吹转炉、平炉和电炉冶炼，交货时供方低合金钢由氧气顶吹转炉、平炉和电炉
35、冶炼，交货时供方应提供力学性能和化学性能的质保书，其内容包括屈服强度、应提供力学性能和化学性能的质保书，其内容包括屈服强度、极限强度、伸长率、冲击韧性、冷弯实验等及碳、锰、硅、硫、极限强度、伸长率、冲击韧性、冷弯实验等及碳、锰、硅、硫、磷、钒、铌和钛等的含量。不同牌号、不同质量等级的低合金磷、钒、铌和钛等的含量。不同牌号、不同质量等级的低合金钢其化学成分和力学性能应符合相关规定。钢其化学成分和力学性能应符合相关规定。3.耐候钢耐候钢 在钢的冶炼过程中，加入少量的在钢的冶炼过程中，加入少量的Cu、P、Cr、Ni等特定合等特定合金元素，可以在金属基体表面上形成保护层，以提高钢材耐大金元素，可以在金
36、属基体表面上形成保护层，以提高钢材耐大气腐蚀性能，这类钢材称为耐候钢或耐大气腐蚀钢，按照国家气腐蚀性能，这类钢材称为耐候钢或耐大气腐蚀钢，按照国家标准标准GB/T 4171的规定，耐候钢适用于耐大气腐蚀的建筑结构，的规定，耐候钢适用于耐大气腐蚀的建筑结构，产品通常在交货状态下使用。在暴露初期，腐蚀速度与普通钢产品通常在交货状态下使用。在暴露初期，腐蚀速度与普通钢并没有太多的区别，然而，随着稳定锈层的形成，腐蚀速度就并没有太多的区别，然而，随着稳定锈层的形成，腐蚀速度就会延缓下来。但是在海边等氯离子多的地区或雨量充沛的地区，会延缓下来。但是在海边等氯离子多的地区或雨量充沛的地区，表面缓蚀层很容易
37、丧失其作用。以使用耐候钢为借口而降低防表面缓蚀层很容易丧失其作用。以使用耐候钢为借口而降低防腐蚀涂装的质、涂膜厚度或者想着可以延长更新涂装周期都是腐蚀涂装的质、涂膜厚度或者想着可以延长更新涂装周期都是不合理的。不合理的。我国目前生产的耐候钢分为高耐候结构钢和焊接结构用耐我国目前生产的耐候钢分为高耐候结构钢和焊接结构用耐候钢两种：候钢两种：1)高耐候结构钢高耐候结构钢其性能比焊接结构用耐候钢好，故称作高耐候性结构钢。按其性能比焊接结构用耐候钢好，故称作高耐候性结构钢。按化学成分可分为：铜磷钢和铜磷铬镍钢两类。其牌号表示方化学成分可分为：铜磷钢和铜磷铬镍钢两类。其牌号表示方法是由代表法是由代表“屈
38、服点屈服点”的拼音字母的拼音字母Q、屈服点的数字及、屈服点的数字及“高耐高耐候候”的拼音字母的拼音字母GNH按顺序组成，含按顺序组成，含Cr、Ni的高耐候钢在牌的高耐候钢在牌号后加代号号后加代号“L”。可分为。可分为Q295GNH、Q295GNHL、Q345GNH、Q345GNHL、Q390GNH五种牌号。各牌号的化五种牌号。各牌号的化学成分与力学性能要求应符合有关规定。学成分与力学性能要求应符合有关规定。2)焊接结构用耐候钢焊接结构用耐候钢这类钢材具有良好的焊接性能，适用厚度为这类钢材具有良好的焊接性能，适用厚度为100mm。焊接结。焊接结构用耐候钢的牌号表示由代表构用耐候钢的牌号表示由代表
39、“屈服点屈服点”的字母的字母Q、钢材的屈、钢材的屈服点数值及服点数值及“耐候耐候”的字母的字母NH按顺序组成。分为按顺序组成。分为Q235NH、Q295NH、Q355NH、Q460NH四种牌号，各牌号的化学成分四种牌号，各牌号的化学成分和力学性能应符合有关规定。和力学性能应符合有关规定。4.其他钢材其他钢材1)桥梁用结构钢桥梁用结构钢有着专门的三个沿用标准，即有着专门的三个沿用标准，即桥梁建筑用热轧碳素钢技术桥梁建筑用热轧碳素钢技术条件条件(GB 7141965)、桥梁用碳素钢及普通低合金钢钢桥梁用碳素钢及普通低合金钢钢板技术条件板技术条件(YB 1681970)及及桥梁用结构钢桥梁用结构钢(
40、YB(T)101981)。桥梁用结构钢比一般的建筑用结构钢的技术要严。桥梁用结构钢比一般的建筑用结构钢的技术要严格得多，所以，如果钢结构建筑中使用了桥梁用结构钢，属格得多，所以，如果钢结构建筑中使用了桥梁用结构钢，属于以优代劣。于以优代劣。2)耐火钢耐火钢 普通建筑用钢在普通建筑用钢在350以上高温时屈服强度迅速下降到室以上高温时屈服强度迅速下降到室温的温的2/3以下，不能满足设计要求。为了提高普通建筑用的钢结以下，不能满足设计要求。为了提高普通建筑用的钢结构抵抗火灾的能力，必须喷涂耐火涂层，而这样会费工费时，构抵抗火灾的能力，必须喷涂耐火涂层，而这样会费工费时，增加建筑结构重量，减少使用面积
41、，延长工期，提高建筑成本。增加建筑结构重量，减少使用面积，延长工期，提高建筑成本。20世纪世纪80年代日本提出了耐火钢的概念，研制和应用耐火钢正年代日本提出了耐火钢的概念，研制和应用耐火钢正是为了减薄或取消耐火涂层。日本研究者通过在钢中添加微量是为了减薄或取消耐火涂层。日本研究者通过在钢中添加微量的的Cr、Mo、Nb等合金元素开发出来，在等合金元素开发出来，在600的高温屈服强度的高温屈服强度相当于室温下的相当于室温下的2/3以上屈服强度的耐火温度为以上屈服强度的耐火温度为600的建筑耐的建筑耐火钢，其用途广泛，可用于办公楼、商场、宾馆、钢结构高层火钢，其用途广泛，可用于办公楼、商场、宾馆、钢
42、结构高层建筑大厦等建造。建筑大厦等建造。3)铸钢、不锈钢及高强度钢等铸钢、不锈钢及高强度钢等高强度钢是通过冶炼加进多种的合金元素及热处理工艺而获得，高强度钢是通过冶炼加进多种的合金元素及热处理工艺而获得，用在受强度控制的大跨度、特重型结构中时，可以明显的节约用在受强度控制的大跨度、特重型结构中时，可以明显的节约钢材。如应用在高层建筑的底部几层承重结构中。钢材。如应用在高层建筑的底部几层承重结构中。目前随着钢结构的大力发展，建筑形式多种多样，应用的目前随着钢结构的大力发展，建筑形式多种多样，应用的钢材品种也有了很大变化。钢材的主要品种有以下类型。钢材品种也有了很大变化。钢材的主要品种有以下类型。
43、1.钢板、钢带钢板、钢带 钢板和钢带的主要区别在于钢板是平板状矩形的钢材，而钢板和钢带的主要区别在于钢板是平板状矩形的钢材，而钢带是指成卷交货的钢材。钢带是指成卷交货的钢材。钢板按轧制方法可以分为冷轧钢板和热轧钢板，在建筑钢钢板按轧制方法可以分为冷轧钢板和热轧钢板，在建筑钢结构中主要用热轧钢板。根据厚度、长度与宽度的变化，钢板结构中主要用热轧钢板。根据厚度、长度与宽度的变化，钢板分为薄板、厚板、特厚板和扁钢等。薄板主要用来制造冷弯薄分为薄板、厚板、特厚板和扁钢等。薄板主要用来制造冷弯薄壁型钢；厚板用做梁、柱、实腹式框架等构件的腹板和翼缘，壁型钢；厚板用做梁、柱、实腹式框架等构件的腹板和翼缘，以
44、及桁架中心节点板；特厚板用于钢结构高层建筑箱形柱等；以及桁架中心节点板；特厚板用于钢结构高层建筑箱形柱等；扁钢可作为组合梁的翼缘板、各种构件的连接板等。扁钢可作为组合梁的翼缘板、各种构件的连接板等。2.普通型材普通型材 工字钢、槽钢、角钢三种类型是工程结构中使用最早的型工字钢、槽钢、角钢三种类型是工程结构中使用最早的型钢。钢。1)工字钢工字钢 有普通热轧工字钢和轻型工字钢两种。翼缘内表面有着有普通热轧工字钢和轻型工字钢两种。翼缘内表面有着1：6倾斜度，使翼缘外薄而内厚，就造成工字钢在两个主平面内倾斜度，使翼缘外薄而内厚，就造成工字钢在两个主平面内的截面特性相差极大。不宜单独用做轴心受压构件或承
45、受斜的截面特性相差极大。不宜单独用做轴心受压构件或承受斜弯曲和双向弯曲的构件，在应用中难以发挥钢材的强度特性，弯曲和双向弯曲的构件，在应用中难以发挥钢材的强度特性，已逐渐被已逐渐被H型钢所淘汰。型钢所淘汰。2)槽钢槽钢有普通热轧槽钢和轻型槽钢两种，其伸出肢较大，可用于屋有普通热轧槽钢和轻型槽钢两种，其伸出肢较大，可用于屋盖檩条，承受斜弯曲或双向弯曲。另外槽钢翼缘内表面斜度盖檩条，承受斜弯曲或双向弯曲。另外槽钢翼缘内表面斜度1 10比工字钢平缓，安装螺栓较容易，但其腹板较厚，使槽比工字钢平缓，安装螺栓较容易，但其腹板较厚，使槽钢组成的构件用钢量较大。相比而言，型号相同的轻型槽钢钢组成的构件用钢量
46、较大。相比而言，型号相同的轻型槽钢比普通槽钢的翼缘宽而薄，腹板厚度更小，截面特性更好。比普通槽钢的翼缘宽而薄，腹板厚度更小，截面特性更好。3)角钢角钢 是传统钢结构工程中应用非常广泛的型材，有等边角钢和是传统钢结构工程中应用非常广泛的型材，有等边角钢和不等边角钢两大类，可以组成独立的受力构件，或作为受力构不等边角钢两大类，可以组成独立的受力构件，或作为受力构件之间的连接零件。件之间的连接零件。3.H型钢型钢 H型钢有热轧型钢有热轧H型钢和焊接型钢和焊接H型钢两种。其中热轧型钢两种。其中热轧H型钢又型钢又分为宽翼缘分为宽翼缘H型钢型钢(HW)、中翼缘、中翼缘H型钢型钢(HM)、窄翼缘、窄翼缘H型
47、钢型钢(HN)和和H型钢柱等。焊接型钢柱等。焊接H型钢由平钢板用高频焊接组合而成。型钢由平钢板用高频焊接组合而成。H型钢与工字钢相比，其翼缘宽，两个主轴方向的惯性矩接近，型钢与工字钢相比，其翼缘宽，两个主轴方向的惯性矩接近，抗弯、抗扭、抗压、抗震能力强；翼缘内表面没有斜度，上下抗弯、抗扭、抗压、抗震能力强；翼缘内表面没有斜度，上下表面平行，便于机械加工、结构连接和安装。表面平行，便于机械加工、结构连接和安装。H型钢的截面特型钢的截面特性要明显优于传统的普通型钢，受力更加合理，故已广泛用于性要明显优于传统的普通型钢，受力更加合理，故已广泛用于钢结构高层建筑建筑中。具体内容后面有阐述。经过剖分钢结
48、构高层建筑建筑中。具体内容后面有阐述。经过剖分H钢钢而成的而成的T型钢相应分为型钢相应分为TW、TM、TN三种。三种。4.冷弯型钢冷弯型钢是由薄钢板或钢带经冷轧是由薄钢板或钢带经冷轧(弯弯)或压模而成，其截面型式有等边或压模而成，其截面型式有等边角钢、卷边等边角钢、角钢、卷边等边角钢、Z型钢、卷边型钢、卷边Z型钢、槽钢、卷边槽钢等型钢、槽钢、卷边槽钢等开口截面以及方形和矩形闭口截面等，如图开口截面以及方形和矩形闭口截面等，如图7.8所示。所示。冷弯型钢在轻型钢结构、大跨度钢结构中有着不容忽视的地冷弯型钢在轻型钢结构、大跨度钢结构中有着不容忽视的地位。位。5.厚度方向性能钢板厚度方向性能钢板 国
49、家标准国家标准厚度方向性能钢板厚度方向性能钢板(GB/T 5313)是对有关标准是对有关标准的钢材要求做厚度方向性能试验时的专用规定，适用于板厚为的钢材要求做厚度方向性能试验时的专用规定，适用于板厚为15150mm、屈服点不大于、屈服点不大于500 N/mm2的镇静钢板。要求内容的镇静钢板。要求内容有两方面：含硫量的限制和厚度方向断面收缩率的要求值。据有两方面：含硫量的限制和厚度方向断面收缩率的要求值。据此分为此分为Z15、Z25、Z35三个级别，相应的技术要求见表三个级别，相应的技术要求见表7-4。各种结构对钢材各有要求，建筑钢材选择时根据规范要求各种结构对钢材各有要求，建筑钢材选择时根据规
50、范要求对钢材的强度、塑性、韧性、耐疲劳性能、焊接性能、耐锈性对钢材的强度、塑性、韧性、耐疲劳性能、焊接性能、耐锈性能等全面考虑，确定钢材的牌号及其质量等级。钢材的选用原能等全面考虑，确定钢材的牌号及其质量等级。钢材的选用原则是既能使结构安全可靠和满足要求，又要最大可能节约钢材则是既能使结构安全可靠和满足要求，又要最大可能节约钢材和降低造价，不同的使用条件应有不同的质量要求。一般应考和降低造价，不同的使用条件应有不同的质量要求。一般应考虑：结构的重要性、荷载情况、连接方法、结构所处的温度和虑：结构的重要性、荷载情况、连接方法、结构所处的温度和工作环境等几方面的情况。工作环境等几方面的情况。1.选
