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第一章轻型钢结构加工制造的基本知识
轻型钢结构工程是一个系统工程,它包括设计、加工制造和施工安装三个过程;包含的具体内容有:主结构系统、次结构系统和围护系统三大方面。了解轻型钢结构各个组成部分的加工制造过程对于工程师而言是十分必要的。
主结构系统包括主刚架和支撑体系。支撑体系包括水平支撑、柱间支撑和刚性系杆等部分。由于支撑体系采用的构件大多为圆钢、角钢和钢管等,构件简单、制作方便,且支撑体系节点多为标准节点,因此这部分产品大多为各公司的标准产品。
本章仅从轻型钢结构的主刚架和围护系统两方面介绍轻型钢结构的加工制造;同时介绍钢结构的防腐处理和防火处理的相关知识。
第一节H型钢的制作及其设备
轻型钢结构的主刚架包括门式刚架和山墙抗风柱等部分。主刚架作为建筑结构的骨架,支承整个建筑结构系统,承受和传递着各类荷载。根据跨度、高度及荷载的不同,门式刚架的梁、柱一般采用变截面或等截面的实腹式焊接H型截面或轧制H型截面。变截面构件通常改变腹板的高度做成楔形形状,必要时也可改变腹板的厚度。结构构件在运输单元内一般不改变翼缘截面,邻接的运输单元可采用不同厚度和宽度的翼缘截面。因受加工设备限制,H型钢截面高度一般不能超过2m。下面将按焊接H型钢生产工艺流程的顺序介绍焊接H型钢的制作机器设备。
板材下料切割
板材下料切割的方法有:机械切割法、气割法、等离子切割法等。
在钢结构制造厂中,一般情况下,钢板厚度在12~16mm以下的直线型切割,采用剪切下料。常用的剪切机械有剪板机。
气割多用于带曲线的零件和厚钢板的切割。气割能切割各种厚度的钢材,设备灵活、费用经济、切割精度较高,是目前使用最广泛的切割方法。气割按切割设备可分为:手工气割、半自动气割、仿型气割、多头气割、数控气割和光电跟踪气割。焊接H型钢生产线的下料设备一般配备数控多头切割机或直条多头切割机,此类切割设备是高效率的板条切割设备,纵向割矩可根据要求配置,可一次同时加工多块板条。(见图1-2)
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各类型钢以及钢管等的下料通常采用锯割。常用的锯割机械有:弓形锯、带锯、圆盘锯、摩擦锯和砂轮锯等。
等离子切割主要用于熔点较高的不锈钢材料及有色金属的切割。
板材矫正整平
H型钢在组立焊接之前,先要对原材料(钢板)进行矫正、整平。常用的机械设备有板条矫平机(见图1-3)。
H型组立、焊接
矫平的钢板(翼缘板、腹板)进入H型钢自动组立机,在组立生产线上,将未焊接的翼缘板和腹板先工作组立器具定位好,进行头部定位焊。此类设备一般都采用PLC可编程序控制器,对型钢的夹紧、对中、定位点焊及翻转实行全过程自动控制,速度快、效率高。(见图1-4)组立好的H型钢进入焊接机,H型钢生产配备的焊机一般为埋弧自动焊机,从类型上可分为门式焊接机(见图1-5)及悬臂式焊接机两种类型。焊机一般都配备有焊缝自动跟踪系统、焊剂自动输送回收系统及快速返程功能。
H型矫正
轻型钢结构构件的翼缘、腹板通常采用较薄的钢板,焊接容易产生比较大的焊接变形,且翼缘板与腹板的垂直度也有偏差,这时需要通过矫正机对焊接后的H型钢进行矫正。(见图1-6)。
钻孔、锁口、抛丸、涂装
钢结构的连接节点多采用高强螺栓,因此孔加工在钢结构制造中占有一定的比重。制孔
通常有钻孔和冲孔两种方法。钻孔是钢结构制造中普遍采用的方法,几乎能用于任何规格的钢板、型钢的孔加工。钻孔的精度高,对孔壁损伤较小。冲孔一般只用于较薄钢板和非圆孔的加工且孔径不小于钢材厚度的加工。冲孔生产效率虽高,但由于孔的周围产生冷作硬化,孔壁质量差等原因,通常只用于檩条、墙梁端部长圆孔的制备。
常用的边缘加工方法有:铲边、刨边、铣边、碳弧气刨、气割和坡口机加工等。H型钢端面铣床,用于焊接或轧制成型的H型钢、箱形截面梁柱的两端面铣削加工。铣边机利用滚铣切削原理,对钢板焊前的坡口、斜边、直边、U形边可一次同时铣削成形,耗能少操作维修方便。
钢构件在涂刷之前应进行除锈处理,构件表面的除锈方法分为喷射、抛射除锈和手工或动力除锈。喷射、抛射除锈设备的种类很多,如图1-7抛丸机适用于各种型材和板材的表面清理。
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制做好的H型钢需要防腐,即涂刷油漆。详见第三节钢结构防腐处理。
图1-1给出了焊接H型钢的生产工艺流程。
板材切割
矫正、整平
H型组立
H型焊接(埋弧焊)
尺寸、焊缝检查
尺寸、外观检查
H型矫正
钻孔、锁口
抛丸、涂装
涂装检查
成品检查
编号打包发运
图1-1焊接H型钢的生产流程
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制作好的焊接H型钢需经检查合格后方可编号打包发运,焊接H型钢的允许偏差见表1-1。
表1-1焊接H型钢的允许偏差
项 目
允许偏差
图 例
截面高度(h)
h<500
±
500≤h≤1000
±
h>1000
±
截面宽度(b)
±
腹板中心偏移
翼缘板垂直度(Δ)
b/100
弯曲矢高
l/1000
扭曲
h/250
腹板局部平面度(f)
t<14
t≥14
部分H型钢的生产设备如图1-2~1-8所示。
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图1-2ESAB六米数控切割机
图1-3W43-24X1000板条矫平机
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图1-4HG-1500组立焊
图1-5ME-1-1000门型自动埋弧焊
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图1-6精工-Ⅲ型矫正机
图1-7美国潘邦八抛头抛丸机
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在H型钢的制做过程中,板材切割下料、矫正整平,拼装点焊、焊接及焊后翼缘矫正,按常规工艺是由多台设备来完成的。将以上工序集于一身的H型钢生产线具有结构紧凑、占地省、生产效率高等优点。下面介绍两条生产线:单面焊生产线(见图1-8)和通用H型钢生产线。
单面焊H型钢生产线采用低合金高强度钢板以卧式焊接机单面焊接,采用美国林肯公司的单弧双自动埋弧焊机。该生产线包含目前钢结构行业中规格最大的12m×8m大型剪板机,H型钢的腹板和翼缘板可用此剪板机一次性剪切下料,超过12mm厚的钢板采用等离子切割机进行切割。对于平整度不符合要求的钢板用9辊矫平机整平。整平后的翼缘板进入翼缘板生产线,经过对接、冲孔、切断而成为翼缘板半成品,进入焊接生产线。半成品经组立及头部定位焊后进入卧式焊接机,一次性焊接完成。
通用H型钢生产线由直条火焰切割机和12m×8m剪板机将钢板切割下料成腹板和翼缘板,经组立机到门型自动埋弧焊机焊接,再经翼缘矫正机矫正后成为焊接H型钢。矫正后的H型钢通过抛丸除锈处理后,涂底漆、编号发运。
图1-8美国林肯单面焊生产线
钢结构的主刚架制作加工中,工作量最大的是节点的加工制作,包括节点处的开孔、端板的定位焊接、加劲板的定位焊接等工作。对梁柱上四个面都有加劲板的情况,梁柱还需要翻转焊接,构件的翻转需要采用特殊的翻转设备。翻转机如图1-9所示。
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图1-9钢结构节点加工用的翻转机
第二节围护系统的制作及其设备
轻钢结构的围护系统包括檩条、墙梁、墙面及屋面彩板、楼面板、通风采光系统、排水系统和收边系统等。围护系统的制造是轻钢结构加工制造中技术含量最高的一部分,它直接决定了整个建筑的产品质量。下面通过相关设备来介绍围护系统的加工制造过程。
一、冷弯薄壁型钢檩条的加工制造
在轻型门式刚架结构中,檩条和墙梁通常采用卷边槽形(或称C型)和带斜卷边的Z型冷弯薄壁型钢。冷弯薄壁型钢一般由薄钢板通过檩条机冷弯辊压成型而成。对Z、C型冷弯薄壁型钢,~3mm,材质为Q235钢板、Q345钢板或G450高张力连续热浸镀锌钢板三种。檩条上的孔可采用冲孔。冷弯薄壁型钢檩条的制作偏差应符合表1-2。图1-11为众多檩条机中的一种。
表1-2檩条尺寸的允许偏差
项目
符号
允许偏差(mm)
项目
符号
允许偏差(mm)
截面高度
h
±5
翼缘孔中心至腹板外缘距离
A5
±3
翼缘高度
b
±5
腹板横向孔中心线距离
S1
±
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-2
斜卷边或直卷边长度
A1
+6
-3
腹板纵向孔中心线距离
S2
±
翼缘不平度
θ1
±3o
两端螺栓群中心距离
S3
±3
斜卷边角度
θ2
±5o
檩条构件的长度
l
±3
腹板孔中心至构件边缘距离
A2
±3
弯曲矢高
c
L/500
腹板孔中心至构件端部距离
A3
±3
最小厚度
t
翼缘孔中心至构件端部距离
A4
±3
注:符号含义见图1-10。
图1-10檩条的尺寸偏差