建筑鋼結構對鋼材的要求

高 云

（濰坊科技學院 山東壽光 262700）

建筑鋼結構對鋼材的要求

高 云

（濰坊科技學院 山東壽光 262700）

現代化的高層建筑當中，多采用鋼結構作為樓宇的主體結構，所以鋼材的質量及性能還有焊接的方式就決定了建筑的質量。本文從建筑鋼結構對鋼材的設計要求、抗震性能要求及焊接的要求這三個方面進行闡述，以期為行業(yè)工作者提供參考。

建筑；鋼結構；鋼材；要求

建筑鋼結構在使用的過程中，鋼材料作為工程施工的主體，對原材料的規(guī)格及設計要求、抗震性都有較高的要求。并且以鋼材作為建筑主體結構的建筑通常會與玻璃、膜材等現代化的建筑材料配合使用，所以對鋼材的要求還需將與此類材料的融合、形成牢固性納入考慮的范圍。

一、鋼結構建筑的主要特點

在鋼結構的建筑當中，鋼材存在以下幾個優(yōu)點：首先是強度比較高，剛度大，自重輕。鋼結構的建筑當中，混凝土與鋼材之間的自重之比為1:1.6。而且所承受的地震能力=質量乘以地震加速度，故重量越輕，地震力也相對減少。并且因為建造鋼結構的建筑多采用現代技術，所以施工周期比較短，不僅大大縮短了投入的資金，并且不會受到季節(jié)因素的影響。由于鋼材的延展性，可以直接運用在建筑梁深及柱體間跨度，將面積的使用率提高到5%～8%，產生的垃圾少，造型也比較美觀，對推行環(huán)保綠色行業(yè)發(fā)展起著重要的作用。

二、建筑鋼結構對鋼材的設計要求

內應力是指在一個已經形成的鋼結構框架當中，鋼材于所處的環(huán)境內能夠承受的棱邊壓力或者軋制、焊接熱度過后能夠自動冷卻所產生的壓力。比如在華潤建造的鋼結構的辦公樓宇當中，在結合工程要求和抗震性后對鋼材的設計要求范圍包含其橫向強度特性、延展性、可成形性、安全性，包括對鋼材循環(huán)性的焊接加溫，軋制時的韌性沖擊作用，焊接裂縫對其的敏感性和涂料造成的腐蝕性。如果客戶有特別要求，還要考慮容忍度、測試性、報道性及表面輪廓。

因本次工程當中采用的是熱軋結構的鋼材，其擴展壓力為690MPa，按照鋼結構建筑的規(guī)定——《鋼結構及橋梁慣用標準規(guī)范（AISC,2005）》，對鋼材規(guī)定了最小的屈服強度，鋼材當中利用率會造成鋼材強度和尺寸的不同。比如在建筑中采用415MPa屈服應力的鋼材，將底盤厚度上限至32mm。在鋼材的軋制過程當中，其屈服應力的參數由鋼材的拉伸性能決定，從而確定鋼材的規(guī)格及各種性能要求。同時在此過程中鋼材的物理性和機械特性同樣對建筑鋼結構的穩(wěn)定性和抗震程度起著重要的作用，比如在軋制當中的鋼材延展性和抗腐蝕性及可成形性。

在設計時，還要提供鋼材完整的衡量因素，將材料選擇和建筑的獨特性或者具有專門用途的設施考慮在內，還要考慮其焊接聯結的要求。所以材料的規(guī)格、工藝及施工質量都需要進行檢查。在高溫焊接區(qū)域內鋼材焊接時的收縮應變可能超過材料的強度。對于有特殊用途的鋼結構，比如長期處于低溫狀態(tài)下的鋼材，或者是帶有沖擊力的荷載結構，就要求鋼材具備超高韌性。但是目前國內市場和高層建筑中采用的鋼材均為相對暖性的。鋼材在軋制的過程中應變速率的穩(wěn)定性能夠影響到建筑鋼結構的整體設計和能夠循環(huán)使用的次數及質量。在此過程中，鋼材出現斷裂的機率比較低，因此大多數建筑物斷裂的可能性也就比較低。在設計時，選用高質量的鋼材原材料，采用不同形狀的鋼材進行幾何穩(wěn)定的連接，這樣能夠使得鋼材具有良好的抗斷裂性。

三、高層建筑鋼結構對鋼材抗震性能的要求

鋼材的抗震性會因為材料和制造技術的不同有不同的等級。對鋼材抗震性能的要求需要根據建筑區(qū)域內地震發(fā)生的概率和最高等級進行選擇。如表1所示：

表1 西南某多丘陵區(qū)域地震發(fā)生等級

《鋼材抗震設計》中對鋼材抗震提出以下幾個要求：首先其屈強系數不能超過0.85，其次是要求鋼材的伸長率不大于百分之二十，鋼材之間的標準距離為50.8毫米，還要具有良好的焊接性。特別是針對高層鋼結構建筑，鋼材還要有很強的延展性，鋼材還要具備一定的強度和允許變形的范圍，這是為了鋼材形成塑性后產生的截面轉動需求。鋼材中存在簡單的塑性，除了塑性鉸截面外，其余截面都處于彈性范圍。在實際的操作當中，鋼材的彎矩也大于塑性彎矩，處于強化階段。對于現代化高層建筑的抗地震性，所用鋼材的屈服強度不能超過350MPa，抗震體系或者是屈強比為 0.8，鋼材軋制時的延展性為 16%左右。比如本工程中采用的460MPa的鋼材符合墻柱弱梁要求，屈強比為0.85，伸長率為16%。另外在鋼材通過螺栓進行連接時，只要無栓孔界面發(fā)生足夠的塑性變形，帶栓孔凈截面仍然處于未發(fā)生斷裂狀態(tài)，如圖1所示：

圖1 鋼結構截面圖

如果在鋼結構的連續(xù)梁的塑性設計時，所出現的第一個塑性鉸繼續(xù)承載時，此塑性鉸所在的截面必須像真實鉸一樣轉動。同時鋼材在塑性設計計算時，還要讓塑性鉸截面外的截面處于彈性范圍內，滿足構件在塑性范圍內實現足夠的轉動，這樣的鋼材所承受的應力（單位截面內）范圍內的實際彎矩會大于理想的塑性彎矩，且材料必須有強化階級。通常在鋼材的抗震鋼結構中，在設計時抗震性建立在鋼結構的基座的梁端部分，使其能夠以鋼材吸收震動能力的方式增強主體框架的穩(wěn)定性。由此可以看出，除了考慮建筑區(qū)域內發(fā)生地震的頻率與地震最高級別外，鋼材的設計及選用要求需要根據鋼結構強柱弱梁的要求還有鋼材的用途決定。

四、建筑鋼結構對鋼材的焊接要求

在鋼結構建筑施工時，需要選用焊接的方式將多個部分的鋼材進行連接，焊接的技術流程需要按照設計的圖和焊接的材料及鋼材的形狀決定，并對各類材料的規(guī)格和質量進行復檢，鋼材的化學成分、力學性能和其質量要求必須符合國家對高層鋼結構建筑的規(guī)定標準。在鋼材的成分和性能要符合國家要求的同時，還要符合工程建造的結構性，針對大型或者重型及特殊鋼結構的主要焊接采用焊接填充材料，并要經過復驗。焊接時，需要根據鋼材的形狀和性能及應用的部分設置不同的焊接點，現代高層鋼結構建筑中廣泛采用了T形焊接、十字形焊接機角接接頭焊接。當鋼材在進行焊接的過程中，其翼緣板厚度超過 35mm時，采用的焊接方式需要結合抗層狀的撕裂、形態(tài)、鋼材厚度和建筑的結構類型進行選擇。為方便高層建筑的焊接，提高工作效率，一般采用氣體保護焊接，焊接的氣體是氬氣，其純度不應低于99.95%。焊接時，為保證其牢固性，應盡量減少焊縫的數量和尺寸，焊縫的布置對稱與構建截面的中和軸，更便于焊接的操作，避免仰焊位置施焊。在焊接時，可采用剛性較小的節(jié)點形式，在焊縫密集和雙向、三向相較時，焊縫位置可以避開高應力區(qū)，并且焊接的坡口形狀和尺寸與焊接工藝相關。在進行組合焊接時，鋼材構建的焊接節(jié)點需要對焊縫的尺寸、間距、填焊高度有一定要求。鋼材焊縫之間存在的間隔孔徑應小于焊孔的四倍，而鋼材之間的焊槽在縱向的最小間距應為槽孔長度的兩倍，開孔板厚度為8毫米。

結束語：

由此可知，在建筑鋼結構的建造過程中，對鋼材的要求需要從材料的規(guī)格選擇、抗震性能、焊接的方式及工藝要求幾個方面同時進行。這樣才能選擇出更為適合的，延展性、剛度更強的鋼材，保證鋼結構建筑的質量。

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