钢结构制作安装工艺

'第9章钢构制作安装工艺 摘要本章主要介绍钢结构制造的各个工艺流程，其中包括详图绘制、备料、加工准备及放样、矫正、切割、制孔弯形、端部及剖口加工、装配、焊接等各道加工工序，和涂装、运输等环节。最后简要介绍钢结构安装和设计中应注意的一些问题 钢结构是由多种规格尺寸的钢板、型钢等钢材，按设计要求栽剪加工成众多的零件，经过组装、连接、校正、涂漆等工序后制成成品，然后再运到施工现场安装建成的，随着科技进步和工业发展，制造工艺和加工设备也不断改进、更新。§1概述一、钢结构的发展历程随着科技进步和工业发展制造工艺和加工设备也不断改进、更新，主要包括以下几个方面：（一）连接方法它经历了销接、栓接、铆接、焊接和栓接与焊接联合使用的几个历程。 目前国内外绝大多数连接方法采用焊接和栓接与焊接联合使用两种。后者是在工厂制造结构杆件或单元采用焊接，而在工地进行整体拼装的节点连接采用高强螺栓。加工工艺及质量保证中采用了高新技术，在各工序中采用了程控自动机具，大大加速了制造过程，保证了产品质量及提高了生产效率。（二）从生产结构的类型来看从中小跨度的平面结构发展到大跨空间结构及超高层钢结构等。（三）从加工材料来看由角钢、槽钢、工字钢等品种扩展到圆钢管、方钢管、宽翼缘H型钢、T型钢及冷轧薄壁型钢等多种类型。因此，对制造工艺的加工方法、精度和加工能力等都不断提出新的要求。 二、钢结构生产部门的组成由于钢结构生产过程中所加工对象的材质、自重、精度、质量等特点，其原材料、零部件、半成品以及成品的加工、组拼、移位和运送等工序全需凭借专用的机具及设备来完成，所以要设立专业化的钢结构制造工厂进行工业化生产。工厂的生产部门由：1、原料库；2、放样车间；3、机加工车间；4、焊接车间；5、喷涂车间；6、成品库；7、设计及质量检查部门。 目前我国大型钢结构制造厂的生产工艺已基本实现了机械化，有些工序正向半自动化和全自动化过渡。新技术、新工艺、新材料、新结构的不断开发和应用将使钢结构制造工厂向全自动化和工业化批量生产的方向发展。 §2图纸深化——详图绘制一、什么叫图纸深化（或图纸转化设计、钢结构二次设计、钢结构转化设计）这是经过初步设计、技术设计（由设计部门的施工图）以后，将结构物转化为用详图表达的工序，一般详图是由钢结构加工厂负责绘制的（而不是由设计单位）。二、为什么图纸转化设计要由钢结构加工厂负责完成？其原因主要是绘图工作量大，又必须结合工厂的具体加工条件和操作惯例进行，从而达到较好的工艺可行性，便于采用先进技术，提高经济效益。 三、图纸转化设计的依据详图的绘制必须依据1、由设计部门完成的设计图（技术设计）；2、设计图所规定的技术条件；3、相关的《规范》、《标准》；4、详图必须经过原设计单位审批通过之后才能施工。四、图纸转化设计的内容详图内容包括：目录、说明书、构件明细表、钢材表、螺栓表、布置图、立面图、剖面图、节点大样、构件详图等。为了满足市场快速多变的要求，使用计算辅助设计绘制详图已成为发展的必然趋势（强调CAD的能力，未来就为岗位）。 一、采购的内容包括钢材（型钢、钢板等）、焊接材料、螺栓（普通螺栓、高强螺栓）等。二、钢材的采购要求（一）钢材的采购必须遵照合同上技术条件的规定，按材料规格型号、牌号及附加条件进行选购。主要材料必须具有合格证书和试验报告，必要时还应进行复验。（二）为了减少钢材的损耗，应根据用料尺寸选取配适用的材料订货尺寸。§3材料采购和管理 三、钢材的管理（一）钢材必须通过检验符合要求后才能办理入库手续。钢材的存放和管理必须科学化，防止错用、变形、非正常的锈蚀和污染，堆放时间应符合安全要求。（二）焊接材料也应按照技术条件的规定进行准备，并根据工艺确定的数量采购。焊接材料必须有合格证书，包装无破损，未超使用期限方能验收入库。焊接材料应堆放在相对湿度不超过60%的通风干燥的库房中。（三）高强螺栓必须按照技术条件和等级条购。按照包装上的等级、批号、合格证验收，并按建筑高强度螺栓规程和要求进行复验。高强度螺栓在保管期间不得打开包装，更不得污染。 每个制造厂都应结合本厂加工设备条件、工艺流程特点、技术力量情况对加工任务进行周密的技术准备工作，形成本企业的技术文件，作为加工制造过程中的统一依据。一般情况下，对每项重大加工任务企业都应编制下列技术文件：一、加工制造手册（或称制作要领书），其主要内容有：1、工程概况；2、遵循的规范和标准；3、施工组织、人员结构和质量保证体系；4、主要设备和工艺装备及其布置；5、材料和连接材料；6、工艺流程；§4技术准备工作 7、主要工艺措施和公差要求；8、焊接工艺及工艺评定计划；9、检查表格等。二、成品质量保证手册（或称质量保证大纲）1、质量保证体系；2、质量要素及控制点，运用的资源；3、质量保证和质量控制的措施；4、检查标准和方法；5、质量表格等。 一、放样根据施工图构件和相关节点将1：1的足尺大样放在平台上，核对各部分的尺寸并按此制作下料、制孔、弯形、组装、检查等各工序所需用的样板和样杆。计算机的运用已取代了手工足尺放样的过程。使用计算机放样，可直接输入切割、制孔等工序，免除了样板的传统制作程序，从而提高了生产效率和制作精度。二、矫正（一）原因1、钢厂提供的材料的尺寸精度和形位公差以及出厂的技术条件等一般不能满足结构加工制造的精度要求。2、运输、保管时会造成材料的变形，在加工制作过程中，尤其是切割和焊接工序不可避免地会使构件产生变形，因此常需要对零件或组件进行矫正。※§5加工工序 1、热矫正选用钢材受热后冷却过程中产生的收缩而达到矫正的目的；2、冷矫正利用机械力使材料产生永久变形而进行矫正；3、混合矫正或是利用加热后强度降低，易于在定向力作用下产生永久变形，或是在受力情况下加热使收缩量增大而完成矫正的目的。（二）矫正方法 （三）注意事项（1）加热源：氧——乙炔（或氧——丙烷）；（2）矫正外力：来自矫直机、矫正顶直机、翼缘矫平机、压力机、千斤顶以及各种专用胎架；（3）热矫正时，温度不得高于900度，强度为500N/mm2的低合金结构钢只能进行自然冷却（退火）以保证原有金属材料的力学性能。（4）碳素结构钢在环境温度低于-16度、低合金结构钢在环境温度低于-12度时不得进行冷矫正和冷弯曲，以免产生低温冷脆现象，降低钢材冲击韧度。 三、切割钢材的切割主要分为气割和机械切割两类。（一）气割采用方法主要是氧——乙炔（或氧——丙烷、石油气等）焰切割及等离子切割等；1、常用的气切割工具和设备有手工切割炬、半自动气割机、多头切割机、靠模切割机等；2、先进设备：已广泛使用的光电追踪切割机、数控切割机等，切割精度已达到机床加工水平，大型多头切割机可拥有38个割炬，效率极高。（二）机械切割1、常用切割机有：剪板机、剪冲机、滚剪机等。 2、锯切设备有：（1）弓形锯：采用往复式锯切，效率很低；（2）圆盘锯：（3）带锯：（4）无齿锯切口毛刺大、噪音大，基本淘汰。需加以改进，发展成颚山顎式时刀，大大提高可切割的断面，其底盘可回转，能够切割有角度的端部。 （一）孔的类型1、钢结构上的孔洞基本多为螺栓孔，大都呈圆形，为调整需要也有长圆形的。2、在采用销轴连接时使用销孔；3、还可能有气孔、灌浆孔、手孔、管道孔等，部分孔洞还可能需要加工出螺纹。（二）孔径钢结构上用的螺栓孔径一般在12~30mm范围内，手孔、管道孔较大，而人孔可达400mm直径以上。（三）成孔方法1、对于直径为80mm以下的圆孔，一般采用钻孔，更大的孔则采用切割方法；2、如果长度小于2倍直径时，则采用冲孔或钻孔后铣成长孔。四、制孔 3、螺栓孔一般不采用冲孔，因冲孔边缘有冷作硬化现象但如采用精密冲孔则可极度大程度减少硬化现象，且可大大提高生产效率。一般情况下，采用冲孔时的板厚不能超过孔直径，2mm以下的薄板通常是采用冲孔。（四）制孔设备1、冲床2、钻床（1）钻床已从立式钻床（2）发展为摇臂钻床（3）多轴钻床（4）万向钻床（5）数控三向多轴钻床 数控三向多轴钻床生产效率比摇臂钻床提高几十倍，它与锯床形成连动生产线，这是目前钢结构加工机床中的发展趋向。在使用单轴钻孔加工时，采用钻模制孔可大大提高钻孔的精度，其中每一组孔群内的孔间距离精度可控制在0.3mm以内，甚至还可更小，并可一次进行多块钢板的钻孔，提高工效。如图所示为钢板钻模和角钢钻模。 五、弯形钢结构制作中的弯形主要是指弯曲和滚圆。弯形和矫正相反，是使平直的材料按图纸的要求弯曲成一定形状。弯形手段也是加热和施加机械力或者二者混合使用，其使用设备也多类似。（一）滚圆是经过辊子的压力使材料弯曲，而辊子的转动使材料逐步滚成圆筒形。1、三辊滚圆机（老式）构件两个端头需要预弯，预弯是比较费料和费工的。如图所示。 2、四轴滚圆机（新式）是四辊或上辊可以上下移动，因而免除了预弯工序，如图所示。3、随着生产需要和技术发展，滚圆机的加工能力辊板厚度和长度）都已大大提高。现已具有能在不加热的情况下滚压厚达120mm钢板的设备。4、对型钢的滚圆，其原理与前相似，一般采取立式辊，辊子应做成与型钢断面相应的辊压面。 （二）折板机有冲压型和弯折型两种，主要用作弯折江而宽的板料。1、冲压型是利用冲床原理采用上下模具把板材压弯；2、弯折型设备则是把板材固定在翻折板上，以翻折板的翻转使板材弯折。 1、对钢结构的端面加工的需求有两种情况：即尺寸精度的需要（或平整度的需要）和磨光顶紧的需要，因为在设计中常需依靠端部顶紧来传递压力。2、端面加工一般使用端铣床，工件找正后，机床的刀盘转动和机头的左右、上下平移，在构件端面进行机械切削。3、经过端面加工，使构件同一端面上的各零件的尺寸及光洁度达到一致，总长度尺寸可以得到精确的保证。六、端面加工 钢结构制造中存在大量焊接坡口，可能还有构造角度和板厚变化时的过渡坡口也需进行坡口加工。加工坡口主要采用氧气切割，此外还有坡口机、刨边机、碳弧气刨等方法。使用的数切割机一般带有坡口切割的功能，半自动切割机是常用的坡口切割设备。切割机以滚剪的原理轧去多余材料，但厚度一般不超过12mm。刨边机用于刨直线的坡口，一般板厚不超过80mm，刨边长度可以达到十几米。对于受振动荷载的结构，需要考虑对材料疲劳强度影响时，发源去除机切、气割所造成的淬硬和冷作硬化层，此时只能采用刨边工艺。七、坡口加工 碳弧气刏是20世纪60年你以来发展起来的，其原理是碳棒（一般应使用镀铜碳棒）与焊机直流反接，以工件引弧，熔化金属。同时用压缩空气吹扫，工效较高。国外有自动化设备，1m长的碳棒自动给进、行走，可以控制坡口哒到整齐光洁的要求。碳刨后一般还需要砂轮打麿。焊接坡口的角度允许偏差一般为，双向坡口时，单边角度允许偏差为。 把加工好的零件按照设计图纸组装成部件或构件，称为装配工序。1、临时固定：装配时的临时固定方法可以采用固定夹具、螺栓连接或定位焊（或称点焊）。目前大量生产的焊接构件中，主要是采用定位焊的方法进行临时固定。2、装配应按照图纸及工艺的程序和标准进行，重要的是要防止焊接后产生无法矫正的变形，焊接收缩量应预先加出，装配工作应保证焊接操作条件良好和成品尺寸的精度要求。3、为提高装配的精度和效率，常使用专用的组装胎模和夹具。装配后应进行几何尺寸及角度的校核和调整。八、装配 九、焊接（一）焊接方法如表所示。（二）为保证所采用焊接工艺的可靠性对于重要工程应事先编制焊接作业指导书并按照准备采用的工艺方法编制焊接工艺评定计划，在工艺评定取得满意的试验结果后，方可将其用于生产。 （三）定位点焊作为熔入焊缝的一部分，应采用焊缝同样牌号的焊接材料和工艺要求。点焊焊肉的高度不应超过设计焊缝高度的三分之二，点焊缝长度宜大于40mm，点焊的间距为500mm~600mm。（四）所有焊接材料的选择均应与所焊接的钢材相匹配。焊条、焊剂和瓷环等均应保持干燥，使用前应按要求经过充分烘焙，焊丝应清除没法和锈迹才能使用。（五）焊接是钢结构中的主要连接方式，焊接的可靠强度直接影响到整个结构强度和建筑物的安危。因此根据焊缝受力的情况和重要程度，并按检查要求把它分成不同等级，依此确定各个等级焊缝的检查方法、抽样数量和存在缺陷的允许程度以及焊缝尺寸的允许偏差等。 （五）国家和行业规定了焊接工人培训考试和发证制度焊工必须持有有效期内相应焊接方式和方法的合格证，方可参与施焊。（六）焊缝的检验分为外观检查和无损探伤检查两类。外观检查瓜时肉眼观察，使用量规测量等。无损探伤分为4种：1、射线探伤（X射线、γ射线等）2、超声波探伤3、渗透探伤（着色探伤）4、磁粉探伤。射线探伤形成照相底片，具有直观依据，超场波探伤易于操作，应用广泛。着色和磁粉探伤主要用于发现表层裂纹，可补充超声波探伤表面存在盲区的不足。 （一）目的钢结构表面处理有两个目的：一是因为刷防锈涂料前的基底需要处理，二是为了高强度螺栓连接的结合面能达到设定的抗滑移系数值。（二）基底处理程度分为三个等级：即3级、、2级，其中3级最洁净，我国有相应的《国家标准》。（三）除锈方法1、手工用钢丝刷、钢线砂轮、平砂轮等工具，但不可能达到完全洁净的目的；十、表面处理和涂装 2、酸洗因限于废旧酸液的处理困难，且要求焊缝必须封闭，否则酸液不能清除干净会造成后期侵蚀，因此，此法已经很少使用。3、打砂打砂工艺是目前常用的方法。其原理是以高速喷射的颗料（称为磨料）打击在钢材表面，把附在钢材表面的铁锈轧制氧化皮等清除。磨料一般采用石英砂、铜矿砂、铁丸、钢丸、钢丝头（圆柱形切丸—）等。由于对环境污染有影响，一般石英砂很少用了。为了提高磨料的耐用程度，可对钢丸采用渗氮处理。 4、涂漆：钢材经过表面处理后，清理好的基底极易生锈，因此根据气候条件，限制在3~6小时内完成涂布底漆。一般分为底漆、中间漆和面漆。三种材料必须匹配，在下层涂料充分干燥以后才能再涂上面一层。 十一、标志钢结构的标志有以下几种：1、工程或区域的区分；2、构件编号；3、安装方向、中心和标高；4、重量或长度标识；5、吊点或重心标志等。标志可以用油漆、钢印表示在构件一定位置上。中心线及标高线尚需用冲点加以标明。 为了在运输过程中不丢失、不损坏构件，需要对其进行包装。十二、包装和运输1、每个包装件的重量一般不超过3~5吨，尺寸则根据货运能力而定。如通过汽车运输，一般不超过12m，个别构件不超过18m，宽度不超过2.5m，高度不超过3.5m。超长、超宽、超高时要作特殊处理。2、对于小件可用箱式包装，对于单件超过1。5吨的构件要单独运输时，应作外部包裹（用垫木）一般长形构件则应数件一组进行捆扎，捆扎的材料可用铁条，也可用小开钢并以螺栓压紧。经过油漆的构件应该用木材、塑料等垫衬加以隔离保护。 钢结构的正确安装是实现设计意图，保证连接强度，提高工程质量的关键，因此在钢结构的安装工作中应注意如下问题：一、保证端部的承压传力钢结构设计中考虑使用加工端面传递压力时，其承载能力大大超过构件材料的抗压强度。为了实现可靠的传力保证，1、一方面构件端部加工要达到精度要求，包括与轴线的垂直度、加工面的平面度、精糙度等。2、另一方面在安装前还应注意到清除传力接触表面的污垢，修平运输碰撞造成的凸出点，并且在安装时要先接触严密，然后再找正、紧固。§6钢结构安装中应注意的问题 只有在安装后达到用0.3mm塞尺插入不超过30%的面积，最大边缘间隙不超过0.8mm才为合格。二、重视高强螺栓施工质量由于可以免除或减少工地焊接，避免构件再次变形，在钢结构工地连接中已广泛采用高强度螺栓的连接方案。目前市场供应的螺栓有3种型式：1、大六角螺栓2、扭剪型螺栓3、扭剪型六方螺栓 三、改善工地的焊接条件工地焊接条件较工厂复杂、困难。如构件就位后不能翻转影响施焊，气候变化较大，需要高空作业等。因此工地焊接的工艺评定条件要复杂一些，对高空风速、低温焊接等方面要做更多的考虑。工地高空焊接时经常采用药芯焊丝保护焊。对于铺设压型板后，穿透压型板的栓钉焊，尤其是采用镀逛商店钢板时，要按照《规范》规定做焊接工艺评定试验。 §7钢结构设计中应注意的问题钢结构设计的合理性与先进性是影响整个工程质量和造价的关键。合理和先进的设计不仅从整体上提高结构的承载力，节约材料，还会方便与简化制造与安装工序、缩短工期、降低成本、保证工程质量。（一）从整体上尽量采用新结构、新体系、新材料和新工艺，力争做到结构方案合理、先进和经济。（二）了解与熟悉生产厂家的技术力量、设备情况和工艺流程，以便设计意图能全部付诸实现，保证质量。（三）掌握好节约材料与统一规格两者的辩证关系，即要减轻结构自重，充分发挥材料强度潜力，又要力争减少材料规格尺寸，提高采购供应、制造加工、装配方面的效率，从整体上达到节约材料，降低成本的目的。 （四）在同一结构体系中尽量减少用材和零配件的类型；在采用同一类型的型钢和板材中尽量统一材料的规格尺寸；在同一结构体系中尽量减少和统一杆件及节点的型式和规格；在构造连接中尽量减少焊缝尺寸与螺栓规格种类以及尽量减少工地加工和焊接，尤其是减少高空作业量等等。目前在大跨空间钢结构中，其组成的杆件与节点数量巨大，因此限制与减少杆件、节点、焊缝、螺栓、零配件的种类与规格尺寸的数量是十分必要的。（五）运输单元的设计要考虑各种运输界限的尺寸及工厂、工地和中转时的起吊能力及场地条件并满足安装时的互换性要求。（六）在进行通用结构、构件、节点等设计时，应尽量采用标准设计，以保证质量及提高工效。'