大连理工大学网络教育学院

本 科 生 毕 业 论 文（设 计）

题    目：钢结构屋架设计及钢结构的耐久性研究

学习中心：                    

                层    次：     专科起点本科      

专    业：       土木工程      

年    级：        年  季        

学    号：                  

学    生：                      

指导教师：                    

完成日期：   2022年7月25日    

内容摘要

随着钢产量的增加与钢结构设计理论的日益成熟，我国钢结构工程的数量和规模逐年增加，然而钢结构耐久性差，许多长期处于海洋大气、工业大气等腐蚀环境下的大型钢结构工程（如桥梁、电视塔、高压输电铁塔、大型水库闸门、海上采油设施等）出现了锈蚀问题。钢结构的防腐问题也在建筑工程中被日益重视。作为钢结构工程的设计、施工人员，必须对防腐有相当的了解，以便高建筑钢结构的使用性能。因此在实际建设中如何提高钢结构的性能与质量十分之关键。

本文主要研究了钢结构工程中钢结构房屋设计及防腐与防火的处理方法，旨在延长钢结构的使用寿命，提高建筑的安全稳定性。

关键词：钢结构；屋架；防火；防腐方法；施工要求

目     录

内容摘要............................................................................................................................ I

引   言............................................................................................................................. 1

1  设计基本资料及任务................................................................................................. 2

1.1  设计资料.......................................................................................................... 2

1.2  荷载资料.......................................................................................................... 2

1.3  计算屋架的上弦杆AB..................................................................................... 2

1.4  计算屋架的下弦杆ac..................................................................................... 3

1.5  计算屋架的腹杆aB......................................................................................... 4

2  建筑钢结构的防腐与防火......................................................................................... 5

2.1  建筑钢结构防腐.............................................................................................. 5

2.2  建筑钢结构防腐的主要方法.......................................................................... 5

1．极佳的表面质量........................................................................................... 6

2．满意的施工效率........................................................................................... 6

3．提高附着力，延长涂层寿命....................................................................... 6

4．节省涂料....................................................................................................... 6

5．众多的规格................................................................................................... 6

2.3  建筑钢结构防火.............................................................................................. 7

2.4  建筑钢结构防火的主要方法.......................................................................... 7

耐候钢................................................................................................................. 7

热浸锌................................................................................................................. 7

热喷铝(锌)复合涂层......................................................................................... 8

充水法................................................................................................................. 9

轻质防火厚板包覆法......................................................................................... 9

复合保护法......................................................................................................... 9

3  工程实例................................................................................................................... 11

3.1、主要材料情况.......................................................................................... 12

3.2、施工准备.................................................................................................. 12

3.3、防腐涂料材料的准备............................................................................. 13

3.4、防腐涂料施工方法................................................................................. 13

3.5、喷涂、刮涂及刷涂施工工艺................................................................. 13

3.6、防腐涂料成品保护................................................................................. 14

3.7、防腐涂料使用效果................................................................................. 15

4  结论与展望............................................................................................................... 16

参考文献......................................................................................................................... 17

引   言

钢结构的优点在于施工快、强度高、抗震性强、结构占用面积小、工业化程度高、资金投入少等方面，因此广泛的应用在建筑工程中。一般情况下，普通的建筑用钢由于曝露在空气或者是潮湿的环境中则易出现腐蚀的现象。这是由于覆盖在钢材表面上的铁原子，在空气中被氧化变成铁锈，尤其是空气中含有丰富的盐碱酸类物质时，就更易出现这种问题。钢结构被腐蚀的显现不仅表现在其表面出现不同程度的锈迹，并且由于部分的锈迹而产生的应力集中，破坏钢结构的基础，另外若出现冲击钢结构的情况，则进一步降低钢结构的抗疲劳强度，甚至形成脆性断裂。因此在实际建设过程中，采取有效的措施对钢结构尽享防腐处理，才能延长钢结构的寿命，保证建筑物的安全与稳定。除了钢结构易出现腐蚀之外，还会出现抗活性下降的状况。一般情况下钢结构在处于全负荷的状态时，若温度升高到250℃～450℃，其强度则会有所下降，温度升高到500℃左右时，则会下降一半以上的强度。除此之外，钢结构的抗压强度、弹性模量、荷载能力、屈服点等方面的力学性能都会出现一定程度的下降。所以在施工过程中就要采取有效的防火处理，以保证钢结构防火性能，确保钢结构在火灾中不被破坏。

本文从钢结构屋架设计，建筑钢结构防腐的主要方法，建筑钢结构防火的主要方法，材料的选择，以及施工的要求等方面作了阐述。

1  设计基本资料及任务

1.1  设计资料

某金工车间长90m，跨度24m，柱距6m，屋面采用1.5m×6m大型预应力混凝土屋面板，采用梯形钢屋架，屋架计算跨度23.7m，屋面坡度,屋架端部高度1.99m，跨中高度3.19m,跨中起拱50mm。屋架简支在钢筋混凝土柱上，混凝土标号C20，钢材采用Q235，焊条采用E43型，屋架及支撑布置如图1.1所示

1.2  荷载资料

上弦杆AB采用等截面，按内力，，。

下弦杆ac采用等截面，按内力，，。

图1.1  屋架计算简图

腹杆aB采用2，长肢相并。

内力，。

1.3  计算屋架的上弦杆AB

整个上弦不改变截面，按已知条件提供的内力进行设计，。

上弦杆计算长度：在屋架平面内，为节间轴线长度；在屋架平面外，根据支撑布置和内力变化情况取（按大型屋面板与屋架保证三点焊，故取两块屋面板宽度）。

因为，故截面宜选用两个不等肢角钢，短肢相并。

腹杆内力为，根据屋架节点板厚度参考表，节点板厚度选用10mm，支座节点板厚度选用12mm。

设，上弦杆为轴心受压的截面，该截面类型属于b类截面，已知。

需要截面积：

需要的回转半径：

，

根据A，，查角钢规格表，选用2∟140×90×14，短肢相并，，，。

按所选角钢进行验算：轴心压杆的允许长细比为150。

1508/25.1=60.1<150

3106/68.6=45.3<150

满足长细比的要求。

已知，验算上弦杆中的应力是否满足要求，

830000/(0.807×6091.2)=168.9<215

所需截面合适。

1.4  计算屋架的下弦杆ac

整个下弦不改变截面，按已知条件提供的内力进行设计，。

下弦杆计算长度：在屋架平面内，为节间轴线长度；在屋架平面外，根据支撑布置和内力变化情况取。

计算所需下弦截面净面积：

选用2∟125×80×12，短肢相并，，，。

本连接中，螺栓孔对下弦截面的削弱不考虑，。

按所选角钢进行验算：轴心拉杆的允许长细比为350。

3000/22.4=133.9<[λ]=350

11850/61.6=192.3<[λ]=350

859000/4680=183.5 N/mm²<f=215 N/mm²

所需截面合适。

1.5  计算屋架的腹杆aB

按已知条件提供的内力进行设计，。

计算长度：

选用2∟125×80×12，短肢相并，，，。

按所选角钢进行验算：轴心拉杆的允许长细比为350。

2535/22.4=113.6<[λ]=150

2535/61.6=41.2<[λ]=150

已知，验算上弦杆中的应力是否满足要求，

463800/4680=99.1

所以满足要求。

2  建筑钢结构的防腐与防火

钢结构具有重量轻而强度高，塑性、韧性好，施工周期短等优点，因此在建筑工程中得到广泛的应用和发展。高层、大跨度，尤其是超高层、超大跨度建筑采用钢结构尤为理想，同时钢结构又是对城市影响最小的结构之一，是可重复利用的绿色环保材料。

然而在钢结构的设计和使用中，建筑钢结构防腐和防火仍是钢结构应用的主要难题及阻碍。本章要分别对钢结构防腐和防火的基本概念，主要方法等内容进行详细阐述。

本章中将分别讨论钢结构防腐和防火的基本概念，主要技术方法及其各自的特点。

2.1  建筑钢结构防腐

钢结构在使用期间和它所处的环境介质之间发生化学、电化学或物理作用，引起材质的变质和钢结构的破坏失效，称为钢结构的腐蚀。钢材在空气或潮湿的环境中易于锈蚀，钢材表面的铁原子与空气中的氧气化合而成质地疏松的氧化铁锈，特别是当空气中含有酸碱盐类介质时情况更为严重，腐蚀不仅使钢材表面产生不均匀的锈蚀，而且局部的锈蚀引起应力集中，促使钢结构提前破坏，尤其是在反复冲击荷载的作用下，更加速了疲劳强度降低，出现脆性断裂。

钢结构的腐蚀危害建筑物的安全，造成巨大损失，甚至引起灾难性事故，后果极其严重。据一些工业发达国家统计，每年由于钢结构的腐蚀而造成的经济损失约占国民生产总值的2%~4%，全世界每年因此造成的经济损失已高达数千亿美元以上。只有在设计建造的同时，对其进行卓有成效的防腐，确保长效防腐才能确保钢结构的长久寿命。

下面将讨论钢结构的各种防腐方法及特点。

2.2     建筑钢结构防腐的主要方法

2.2.1  防腐方法一高压无气喷涂

随着对钢结构防腐要求的提高以及环境保护限制,钢结构防腐涂料防腐涂料更进一步地朝着低溶剂、高固体 成份的方向发展，致使涂料变得高粘度、厚浆型而越来越难于喷涂。传统的施工方法是手工刷涂和空气喷涂，手工刷涂不仅效率低下，而且不可避免的会留下刷痕，其漆面效果难于令人满意；空气喷涂因不能雾化高粘度的防腐涂料，势必会大量加稀释剂，造成成本上升及环境污染，且过度稀释导致油漆成膜能力下降，影响油漆涂层寿命。如果采用高压无气喷涂施工工艺，这一问题便迎刃而解了。

高压无气喷涂，它的工作原理是通过高压无气喷涂设备，将涂料增压至几百kg/cm2，通过喷咀将涂料雾化成细小的微粒，直接喷射到被涂物表面的一种喷涂方式。与刷涂喷涂相比，高压无气喷涂有以下特点：

1．极佳的表面质量

高压无气喷涂机将涂料用高压喷射雾化成细小的微粒，使其均匀地分布于工件表面，形成光滑、致密的涂层，这是刷涂等原始方法所无法比拟的。

2．满意的施工效率

喷涂效率在300m2/h以上，大大节省人力和工时。

3．提高附着力，延长涂层寿命

高压无气喷涂采用高压喷射雾化，使涂料微粒获得强有力的动能，涂料微粒借此动能射达工件空隙之中，因而使涂层更密，与工件的机械咬合力增强，附着力提高，有效延长涂层寿命。

4．节省涂料

人工刷涂涂层厚度极不均匀，特别是对高粘度防腐涂料，涂层过厚；空气喷涂因空气在工件面反弹时把涂料带出，涂料利用率下降。而无气喷涂，既可获得均匀的涂层，反弹也比空气喷涂小，涂料的有效利用率高，相对其它涂装方式可节约涂料10－30%。

5．众多的规格

各个系列的设备以配合不同生产量的需要，大型的气动及电动高压无气喷涂机，可以满足你批量的生产需要；而小型的电动高压无气喷涂机可配合你小量生产及现场修补之用，机动性好。选择好的钢结构防腐涂料有哪些益处一个好的钢结构涂料具有良好的机械性能和优异的防腐性能。对气候和油水混合物等都具有良好的稳定性。要有良好的视觉效果，在装饰上美观大方。防腐期限时间长，因为一个大型的工程不可能在几年内频繁施工。好的涂料可以俭省一个企业的精力和物力资源。

2.3  建筑钢结构防火

钢材的耐火性能较差，受热后强度下降很快，如钢材在20℃时强度为450Mpa，在485℃时为278Mpa，几乎降到原来的50%，而到614℃时，钢材强度就只有70Mpa，几乎失去承载能力。所以，钢材受热后，在强度下降和热应力的共同作用下很快出现塑性变形。在火烧15min左右，构件会如面条一样的软落下来，随着局部的破坏，造成整体失去稳定而破坏，而且破坏后的钢结构是很难修复的，有关方面的火灾教训是极其深刻和痛楚的。

因此对钢结构进行防火设计具有重大意义，主要有：

（1）减轻钢结构在火灾中的破坏，避免钢结构在火灾中局部倒塌造成灭火及人员疏散的困难；钢结构的防火保护的目的是尽可能延长钢结构到达临界温度的过程，以争取时间灭火救人。

（2）避免钢结构在火灾中整体倒塌造成人员伤亡。

（3）减少火灾后钢结构的修复费用，缩短灾后结构功能恢复周期，减少间接经济损失。

钢结构的防火保护有多种方法，这些方法有被动防火法：钢结构防火涂料保护法、防火板保护法、混凝土防火保护法、结构内通水冷却法、柔性卷材防火保护法等，它们为钢结构提供了足够的耐火时间，从而受到人们的普遍欢迎，而以前三种方法应用较多。另一种为主动防火法，就是提高钢材自身的防火性能（如耐火钢）或设置结构喷淋。

下文的内容将对钢结构的主要防火方法进行讨论和阐述。

2.4  建筑钢结构防火的主要方法

1、耐候钢

耐腐蚀性能优于一般结构用钢的钢材称为耐候钢，一般含有磷、铜、镍、铬、钛等金属，使金属表面形成保护层，以提高耐腐蚀性。其低温冲击韧性也比一般的结构用钢好，执行标准为《焊接结构用耐候钢》(GB 4172-84)。

2、热浸锌

热浸锌是将除锈后的钢构件浸入600℃左右高温融化的锌液中，使钢构件表面附着锌层，锌层厚度对5mm以下薄板不得小于65μm，对厚板不小于86μm，从而起到防腐蚀的目的。这种方法的优点是耐久年限长，生产工业化程度高，质量稳定。热浸锌的首道工序是酸洗除锈，然后是清洗。这两道工序不彻底均会给防腐蚀留下隐患，应避免设计出具有相贴合面的构件，以免贴合面的缝隙中酸洗不彻底或酸液洗不净。对于管形构件应该让其两端开敞，两端封闭会造成管内空气膨胀而使封头板爆裂，造成安全事故；一端封闭则锌液流通不畅，易在管内积存。

热喷铝(锌)复合涂层

这是一种与热浸锌防腐蚀效果相当的长效防腐蚀方法。具体做法是先对钢构件表面作喷砂除锈，使其表面露出金属光泽并打毛。再用乙炔-氧焰将不断送出的铝(锌)丝融化，并用压缩空气吹附到钢构件表面，以形成蜂窝状的铝(锌)喷涂层(厚度约80μm～100μm)。最后用油漆等涂料封闭毛细孔，形成复合涂层。此法无法在管状构件的内壁施工，因而管状构件两端必须做气密性封闭，以使内壁不被腐蚀。这种工艺的优点是对构件尺寸适应性强，构件形状尺寸几乎不受限制。另一优点是这种工艺的热影响是局部的，受约束的，因而不会产生热变形。与热浸锌相比，这种方法的缺点是工业化程度较低，喷砂喷铝(锌)的劳动强度大，质量易受操作者的情绪变化影响。

2.4.1  五大关键解决建筑轻钢结构防火

钢材虽为非燃烧材料，但钢不耐火，温度为600℃时，钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半，温度达到600℃时，钢材基本丧失全部强度和刚度。因此，当建筑采用无防火保护措施的钢结构时，一旦发生火灾，结构很容易遭到破坏。例如，1993年我国福建泉州一座钢结构冷库发生火灾，造成3600㎡的库房倒塌;1996年江苏省昆山市的一轻钢结构厂房发生火灾，4320㎡的厂房烧塌,1998年北京某家具城发生火灾，造成该建筑(钢结构)整体倒塌。

钢材是一种不会燃烧的建筑材料，它具有抗震、抗弯等特性。在实际应用中，钢材既可以相对增加建筑物的荷载能力，也可以满足建筑设计美感造型的需要，还避免了混凝土等建筑材料不能弯曲、拉伸的缺陷，因此钢材受到了建筑行业的青睐，单层、多层、摩天大楼，厂房、库房、候车室、候机厅等采用钢材都很普遍。但是，钢材作为建筑材料在防火方面又存在一些难以避免的缺陷，它的机械性能，如屈服点、抗拉及弹性模量等均会因温度的升高而急剧下降。  

长期以来，建筑防火被认为是建筑师设计时需考虑的问题，结构工程师设计时考虑结构防火(对结构更适合称抗火)问题的不多。确实，建筑的防火分隔、避难层的设置、安全疏散出口的布置等为建筑防火设计问题，目的在于减轻火灾损失，减少人员伤亡。然而，作为防火分隔的防火墙靠结构支承，如果火灾中支承结构破坏，防火墙也起不了防火分隔作用;还有避难层下的结构达不到耐火时间要求而破坏，造成的伤亡将更为严重;此外，建筑结构构件(如梁、楼板、楼梯等)在火灾中如果破坏，会影响人员的疏散和

消防人员进人建筑内灭火。因此各国建筑防火设计规范都有建筑结构构件耐火时间(或耐火极限)的规定。

   1、充水法

在空心钢构件内充水是抵御火灾最有效的方法，能使钢结构在火灾时保持较低的温度。水在结构构件内循环，受热的水可经冷却再循环，或由水管引入凉水来取代加热过的水。这种方法在国外被广泛地使用在钢柱的防护中。这种方法造价低，对空心钢构件的防渗漏、防腐蚀要求高，只适用于空心钢构件的保护。空心型钢结构内充水是抵御火灾最有效的防护措施。这种方法能使钢结构在火灾中保持较低的温度，水在钢结构内循环，吸收材料本身受热的热量。受热的水经冷却后可以进行再循环，或由管道引入凉水来取代受热的水。      

轻质防火厚板包覆法

就是在钢结构外表添加外包层，可以现浇成型，也可以采用喷涂法。现浇成型的实体混凝土外包层通常用钢丝网或钢筋来加强，以限制收缩裂缝，并保证外壳的强度。喷涂法可以在施工现场对钢结构表面涂抹砂泵以形成保护层，砂泵可以是石灰水泥或是石膏砂浆，也可以掺入珍珠岩或石棉。同时外包层也可以用珍珠岩、石棉、石膏或石棉水泥、轻混凝土做成预制板，采用胶粘剂、钉子、螺栓固定在钢结构上。采用无机防火板材对大型钢构件进行箱式包裹，如石膏板、蛭石板、无石棉硅酸钙隔热 板等，包板的厚度根据耐火极限的要求而定。这种方法具有施工方便、装修面平整光滑、成本低、损耗小、无环境污染、施工周期短、耐老化等优点，推广前景好，是钢结构防火保护新的发展方向。    

2、复合保护法

紧贴钢板用防火涂料或柔性毡状隔热材料，外用防火薄板作罩面板。这种方法适用于表面有装饰要求，一般用于需要粘贴柔性毡状隔热材料或涂敷厚质防火涂料的钢柱。

3、钢结构防火涂料

钢结构防火涂料是施涂于建筑物及构筑物的钢结构表面，能形成耐火隔热保护层，以提高钢结构耐火极限的涂料，分为厚型、薄型、超薄型等几种。厚型涂料呈颗粒状，涂层厚度通常在8毫米以上，施工方法为喷涂，高温时依靠涂料本身的厚度及较低的导热率起到对钢构件的隔热用。薄型和超薄型涂料涂层较薄，有一定装饰效果，施工方法可喷可刷，高温时涂层膨胀增厚保护钢构件。具有重量轻、施工较简便，适用于隐蔽结构和裸露的钢梁、斜撑等钢构件。

浇筑混凝土砌筑砖块法

用现浇混凝土作外包层时，可以在钢结构上现浇成型，也可采用喷涂法（喷射工艺）。现浇的实体混凝土外包层通常可用钢丝网或钢筋来加强，以限制收缩裂缝并保证外壳的强度。也可以在施工现场将钢结构表面涂沫砂浆以形成保护层。砂浆可以是石灰、水泥或石膏砂浆，也可掺入珍珠岩或石棉。外包层也可以用珍珠岩、石棉、石膏或石棉水泥和轻混凝土做成的预制板，采用胶粘剂和钉子或螺栓固定在钢结构上。这种方法保护层强度高、耐冲击，占用空间较大，适用于容易碰撞、无保护面板的钢柱防火保护。