鋼結構作業守則-結構鋼材螺栓

  • 螺栓
  • 普通螺栓

螺栓、螺母及墊圈應符合附錄 A1.3 所列認可標準和參考文獻中的規定。對於極限抗拉強度超過 1000N/mm2 的螺栓,除非有測試結果證明其可以用於

特定的設計用途,否則不可使用。

  • 高強摩擦錨夾螺栓或預緊螺栓

高強摩擦錨夾螺栓、螺母及墊圈應符合附錄 A1.3 所列認可標準和參考文獻中的規定。

9.3 節給予高強摩擦錨夾螺栓連接(包括繫緊程序)的設計規定。

鋼結構作業守則-結構鋼材避免脆裂

3.1        避免脆裂

爲了避免脆裂,應確保結構裝配時並無顯著缺陷,及採用具有足夠韌性的鋼材,鋼材韌性性能可通過夏比衝擊測試來量化,測試時應考慮下列因素:

  • 最低使用溫度
  • 厚度
  • 鋼材強度等級
  • 結構細節的類型
  • 應力水平
  • 應變率或水平

此外,選擇焊接材料和焊接程序時應確保位於節點處的焊縫金屬和熱影響區鋼材的夏比衝擊測試特性等於或高於母材的最小值,參見 3.4 節。

在香港外露鋼框架中鋼材的最低使用溫度 Tmin 應取爲 0.1ºC。對於冷藏庫、承受異常低溫的部位或在其他國家建造的結構,Tmin 應取設計使用年限內鋼材可能受到的最低溫度。

選擇每一部件的鋼材品質使每一構件的厚度 t 滿足:

t £ Kt1

式中:

(3.1)

  • 爲考慮結構細節類型、總體應力水平、應力集中效應及應變情況的因數,參見表 3.8;

t1               在恰當的最低使用溫度 Tmin 時的厚度極限值。在已知鋼材強度等級和品質的情況下,t1 的值可按下式確定:

— 若 T27 £ Tmin +20ºC

(   )N ⎡ 355 ⎤1.4

t1  £ 50 1.2   ⎢Y ⎥                                                                 (3.2)

⎣   nom

— 若 T27 ³ Tmin +20ºC

(   ) ⎛ 35 + T     – T     ⎞⎡ 355 ⎤1.4

t £ 50 1.2 N

min

27 J ⎟⎢         ⎥                                    (3.3)

1                        ⎝          15           ⎠ Y

式中:

N = ⎛ Tmin – T27 J

nom

(3.4)

⎜                  ⎟

式中:

⎝      10       ⎠

Tmin       在結構設計使用年限內鋼材可能承受的最低使用溫度(單位:ºC);

T27J       産品標準中規定的夏比測試最小衝擊值 Cv=27J 時的試驗溫度(單位:ºC)。

Ynom       特定厚度下的名義屈服應力(單位:N/mm2),也可取為強度設計值

py

表 3.7 列出了常見強度等級範圍內 t1 的值和 T27J 的值。

表 3.7  最低使用溫度(ºC)下的最大基本厚度 t1(mm), 27J 夏比衝擊測試值和鋼材強度等級

強度等級最小衝擊功 Cv=27J 時夏比測試的特定溫度(ºC)
0-20-30-50-60
215101145174251301
23589128154222266
27571103124178213
3106087104150180
350517388127152
355507286124149
380456579113136
46035506087104

注:這些厚度值應乘上表 3.8 中適當的系數 K,以得到相應強度等級鋼材的實際容許厚度。

此外,構件的最大厚度(t),不應大於該産品類型和強度等級的鋼材,在全部夏比測試衝擊功下的最大厚度,並符合附錄 A1.1 中關於特定鋼材産品的相關認可標準。

採用軋製型鋼時,t t1 和系數 K 的選取都對應於橫截面上的同一元件,而最大厚度則對應於橫截面上厚度最大的元件。

表 3.8  關於細節構造類型、應力水平和應變情況的系數 K

  細部構造類型或位置設計荷載作用下的拉力構件不受拉力的構件
應力³ 0.3Ynom應力< 0.3Ynom
簡單鋼材應用234
鑽孔或擴孔1.523
衝孔(無擴大)11.52
焰割邊11.52
普通焊接11.52
部份熔透和角焊焊接0.811.5
未加勁翼緣板的焊接0.50.751
端部蓋板的焊接0.50.751
注 1:  當要求構件在最低使用溫度下能承受顯著塑性變形時(如防撞護欄或吊車制動), K 值應減半。 注 2: 出於使用位置和運輸安全的考慮,與柱相連的底板應僅採用名義焊接,及界定為簡單鋼材應用。 注 3: 長度不超過 150mm 的焊接部件不可界定爲蓋板。 注 4: 焊縫金屬和HAZ 的夏比衝擊功應當與母材相匹配。應通過焊接程序試驗來證明其符合此規定。


鋼結構作業守則-結構鋼材無合格證書的鋼材

1.1.1    無合格證書的鋼材
y  

如要採用類別3無合格證書的鋼材,應確保無表面缺陷,及符合所有幾何誤差的規定,並僅可於鋼材特定物理特性及可焊性不會影響結構的強度和可用性的情形下使用。此類鋼材的強度設計值 p 可取為 170N/mm2,但必須通過附錄D1描述的測試來驗證。

無合格證書的鋼材不能應用於多層建築物的主要結構構件或單層大跨建築物的主要結構中。主要結構構件的定義是指直接支承於柱上的主樑,跨距超過 6m 的樑,承托超過 25m2 樓板面積的柱,以及抗側向力的結構體系中的構件。

無合格證書的鋼材僅用於以彈性設計方法進行分析和計算截面承載力的結構。除非充足的測試去證明此類鋼材的機械特性,化學成分及其硬度適合燒焊, 否則不能進行焊接,參見 3.1.2 條和附錄 D1。

1.1.2    厚度方向的特性

各材料標準提供了鋼材縱向和橫向強度設計值。當沿鋼材厚度方向的抗拉應力超過強度設計值的 90%時,需要根據附錄 A1.1 中認可的參考標準所定義的厚度方向的特性,加以驗證以確保結構的強度足夠。對於較厚的 T 形對接焊或較厚的雙面角焊節點,應規定及保證鋼材厚度方向的抗拉特性,從而降低層狀撕裂的危險(同時參見 9.2.1 條)。

鋼材要有延性及硬度以避免斷裂,在垂直表面方向上具有足夠的變形能力是十分重要的。

1.1.3    其他特性

進行分析時可能會用到的以下的鋼材特性: 彈性模量  E=205000N/mm2

剪切模量          G=E/[2(1+n )]

泊松比            n =0.3

線性熱膨脹系數    a =14×10-6/℃ 密度       7850 kg/m3

鋼結構作業守則-結構鋼材高強鋼材的強度設計值

1.1.1    高強鋼材的強度設計值
y              s                        s                      s  

根據附錄D 1.1 的基本規定生産的強度設計值大於 460N/mm2 且不超過690N/mm2 的高強鋼材,其強度設計值 p 可取爲 Y /1.0 且不大於 U /1.2 ,其中 Y Us 分別爲相關參考材料標準或持有認可品質保證供應商規定的屈服強度高限

ReH)和最小抗拉強度(Rm)。這些鋼材的強度通常來自淬火和回火的熱處理方法,由於加熱會影響母材的強度,因此在配製與設計此類鋼材的時候會受到了額外的限制,尤其是焊接結構。當不能採用焊接時可考慮螺栓連接。負責工程師在不同的情況下,應逐一驗證供應商提供的的參數及算式,以確保適合應用於每一項設計上。正確的焊接程序及規範是極其重要,必須給予明確指引。當高強鋼材用作受壓構件時,必須局限於厚實截面上,以保證突出部位不會發生局部壓曲。

除最大含碳量不應超過 0.20%,最大含硫量和含磷量不應超過 0.025%外, 高強鋼材須符合附錄 D1.1 的規定。

鋼結構作業守則-結構鋼材通強度鋼材的強度設計值

1.1.1    普通強度鋼材的強度設計值

鋼材的強度設計值 py 如下:

g  

p = Ys 且不大於 Us

y

m1

式中:

g m2

Ys               為屈服強度(即屈服強度高限 ReH),定義爲鋼材出現明顯屈服點時的初始屈服應力;或者

當鋼材沒有明顯屈服點時,取 0.2%的試驗應力,即 Rp 0.2 ;及0.5%總伸長時的應力,即 Rt 0.5 ,兩者中的較小值。在有爭議的情況下應取 0.2%的屈服應力 Rp0.2

Us               最小抗拉強度(Rm)。

g m1 和g m2

爲表 4.1 給予的材料分項系數。對於類別 1 和類別 1H 鋼材,g m1

取爲 1.0,g m2

取爲 1.2。(這些材料分項系數是最小值,強度設

計值不能超過各自材料標準的指定值。)

對於類別 1 鋼材常用強度等級和厚度,表 3.2 至 3.6 分別列出了根據歐盟 BS EN、中國 GBJ、美國 ASTM、澳洲 AS 和日本 JIS 標準規定的熱軋鋼材的強度設計值 py 。此外強度設計值 py ,也可根據相關産品標準中最小屈服和抗拉強度,從上述算式計算出來,參見附錄 A1.1。(強度設計值不能超過各自材料標準的指定值)

本作業守則要求鋼材供應商生產截面的尺寸,必須在他們標定的標稱尺寸及規定的正負偏差容限內,以及確保平均截面面積和特性至少爲標稱值。負責工程師應確保所有採用的鋼材都能符合此要求,否則在設計中應考慮由此引起的所有不利因素。

普通強度鋼材的基本規定爲:

  • 強度:

強度設計值應取最小屈服強度,且不大於最小抗拉強度除以 1.2。

  • 抵抗脆裂的能力:

為確保有足夠的韌性,鋼材在規定設計溫度下進行夏比衝擊測試的最小平均能量,應符合本作業守則 3.2 節中的要求。

  • 延性:


在標距爲 5.65 積。

  • 可焊性:

時,伸長率不小於 15%,其中 S0 爲截面的橫截面面

類別 1 的鋼材的化學成份以及最大的碳當量應分別符合附錄 A1.1 的參考材料標準。類別 2 及在焊接環境下的類別 3 的鋼材的最小化學成份要求如下:進行鐵水取板包樣分析時,最大的碳當量不應該超過 0.48%且碳含量不能超過 0.24%。在一般情況下,最大含硫量不應超過 0.03%, 最大含磷量不應超過 0.03%。當鋼材厚度品質(Z 品質)需要作出規範時,含硫量不應超過 0.01%。不同等級鋼材的化學成分應同時符合鋼材生産國家標準中的規定。

對於 11.1 至 11.6 中規定的冷成型開口鋼材及板材,只須符合 3.8.1.1 段和

3.8.1.2 段的強度和延性的基本規定便可。3.8.1.1 段給出了冷成型開口鋼材及板材的典型強度設計值。

對於 11.7 中所規定的冷成型空心鋼材,只需符合本條款所規定的強度及延

性的基本要求。冷彎鋼板樁則需滿足 11.8 中基本的強度和延性要求。

鋼結構作業守則-結構鋼材

1.1       結構鋼材

1.1.1    概要

本節適用於下列其中一類別且強度設計值不超過 460N/mm2 的一般強度鋼材,作為設計建築物的建築材料:

類別 1: 符合附錄 A1.1 中的其中一項參考材料標準或 3.1.2 條所列的基本規定,並且由持有認可品質保證的廠商生産的鋼材。

類別 2: 未能符合附錄 A1.1 中的其中一項參考材料標準,不過由持有認可品質保證的廠商生産的鋼材。使用前需要對這些鋼材進行測試以確保其符合附錄 A1.1 中的其中一項參考標準。附錄 D1 列出了有關測試取樣率的規定。

類別 3: 無合格證書的鋼材;類別 1 和類別 2 以外的鋼材。使用前應對這些鋼材進行拉伸測試,以證明其能夠符合預期設計目的。附錄 D1 列出了有關測試取樣率的規定。這些材料的用途需加以規管和限制,參見

3.1.4 條。

  • 節適用於熱軋型鋼和冷成型鋼管,而 3.8 節適用於冷成型開口型鋼和壓型鋼板。

根據 3.1.3 條列出的額外規定和限制條件,本章還包含了一款由持有認可品質保證的廠商生産,屈服強度大於 460N/mm2 並不超過 690N/mm2 的高強鋼材類別:

類別 1H: 屈服強度大於 460N/mm2 但小於或等於 690N/mm2 並符合附錄 A1.1 所列的其中一項參考材料標準的高強鋼材。3.1.3 條列出了有關該類鋼材及供應商的基本規定。附錄 D1 列出了有關測試的規定。

類別 UH: 本章不適用於屈服強度大於 690N/mm2 的超高強鋼材。根據建築事務監督的批准,該類鋼材可以以高強拉桿或拉筋形式,用作螺栓拉力連接,或者其他用途。在此情況下,負責工程師應呈交建築事務監督完整的證明文件,以確保該鋼材能夠符合所有規定。

本作業守則包括彈性和塑性分析與設計。塑性分析和設計不適用於無合格證書或屈服強度大於 460N/mm2 的鋼材。在某些極限狀態情況,採用高強鋼材可能有利於其他鋼材,但對於改善壓曲承載能力,效果並不顯著。採用高強鋼材並不能改善疲勞和正常使用極限狀態下的性能。

於同一個建築項目中,採用同一廠商生產的鋼材是一個良好的做法。

表 3.1  強度等級總表

強度等級類別認可品質保證符合有關參考材料 標準附加測試要求備註
Ys £ 4601YYN一般用途
2YNY須測試滿意方可使用
3NY用途有所限制
460 < Ys £ 6901HYYY須符合基本規定。 用途有所限制

注:相關材料標準可參照澳洲、中國、日本、美國和歐盟(英國版本)的認可標準。關於測試的數量及頻率,參見附錄D1。

鋼結構作業守則-正常使用極限狀態(SLS)異常荷載和施加於關鍵構件上的荷載

2.5.1     異常荷載和施加於關鍵構件上的荷載

異常荷載情況可以由異常荷載引致,例如由汽車、輪船、貨車或飛機導致的衝擊或爆炸或在關鍵構件移除後對剩餘結構進行的分析考慮。

對於設計要求避免不合比例坍塌的建築物,根據 2.3.4.3 段規定的關鍵構件應設計成能夠承受本條提及的異常荷載。其他所有對關鍵構件穩定性至關重要的側向約束鋼構件或其他結構構件,其本身也應設計到可以承受同樣的異常荷載。異常荷載應從所有水平或垂直方向施加於該構件上,但每次只需考慮一個方向的荷載效應,同時亦要考慮與該構件相連的構件,在承受到同樣荷載時對該構件產生的反力,考慮到這些構件及其連接的承載能力,該反力應不大於能夠合理傳遞的最大反力。

如有需要及可能的話,關鍵構件及其連接應設計成能夠抵抗 34kN/m2 爆炸壓力或者來自汽車的衝擊力。汽車的正常標稱設計衝擊力應符合香港現行《建築物

(建造)規例》的規定。

表 4.3 列出了這些情形下所採用的荷載分項系數及其與正常荷載的組合,同時考慮了其他荷載作用與異常事件同時發生的較低或然率。

2.5.2     建築期間的荷載

設計時應考慮施工期間出現的荷載。

2.5.3     臨時結構在建築期間的荷載

設計時應考慮建築期間出現的最不利荷載情況。

鋼結構作業守則-正常使用極限狀態(SLS)設定橫向荷載

2.5.1     設定橫向荷載

現實中,所有結構都有諸如構件垂直度和平直度不足之類的缺陷。爲考慮這些因素,所有結構的側向抗力系統應有能力承受設定橫向荷載,其最小值爲同樓層所受恆載設計值和外加荷載設計值總和的 0.5%。假如該值小於最小設定橫向荷載 0.5kN/m2,則取最小設定橫向荷載算計。這壓力應施加於結構的周邊立面上及不需乘上荷載分項系數。

對於施工中的臨時結構以及對側移特別敏感的結構,比如內部工作平臺、棚架、模板支架以及大看臺,應採用更大的設定橫向荷載計算。這力的大小為施加在同一水平恆載設計值和外加載設計值總和的 1%;或設定側向壓力的較大值, 並施加於結構週邊立面上。

應假定設定橫向荷載每次只可加在任意一個方向上,並施加於屋頂和每一層樓面或者其等效高度處。在荷載組合 1 中,設定橫向苛載可與垂直恆載設計值及

外加荷載設計值同時發揮作用,參見第 4 章。

在考慮傾覆作用、最不利分佈荷載,以及在荷載組合中已考慮了外加水平荷載或者溫度效應時,不需考慮設定橫向荷載。計算基礎的淨反力時亦不需要考慮。

如果移動式高架起重機的特定荷載已經包括了很大的水平荷載,在計算設定橫向荷載時便不需要考慮吊機的垂直荷載。

關於拆卸工程中使用的支撐結構的設定橫向荷載值,應參考建築物拆卸作業守則的相關規定。

除了考慮設定橫向荷載外,也可利用 6.4 節提及的非線性“ P – Ä ”分析直接考慮。

下表總結了 4.3 節中列出的主要荷載組合中要考慮的側向力。

表 2.2  需考慮的側向力總表

荷載描述主要荷載組合使用值(取最大值)
普通結構的設定橫向荷載荷載組合 1恆載設計值與外加荷載設計值總和的0.5%;或 0.5kN/m2 的設定橫向荷載。使用此值時不必乘上分項系數。
施工中的臨時結構 (圍街板結構除外) 及對側移極度敏感的結構的設定橫向荷載荷載組合 1恆載設計值與外加荷載設計值總和的1%;或 1.0kN/m2 的設定橫向荷載。使用此值時不必乘上分項系數。
風荷載産生的橫向荷載荷載組合 2 和 3實際風荷載; 恆載標準值的 1%;或 施加於內部結構的 0.5kN/m2 的側向壓力。(此荷載必須乘上適當的分項系數。)
泥土和水産生的橫向荷載荷載組合 2 和 3計算所得實際值。(此荷載必須乘上適當的分項系數。)

注:拆卸中的結構的設定橫向荷載應參照《建築物拆卸作業守則》。

鋼結構作業守則-正常使用極限狀態(SLS)吊機荷載

2.5.1     吊機荷載
  • 移動式高架起重機

來自移動式高架起重機的垂直和水平動力荷載及衝擊效應應根據 13.7 節以及考慮吊機生産廠商關於吊機的限制後加以確定。

戶外移動式高架起重機的風荷載應根據香港現行風力效應作業守則或其他地區合適的風荷載守則加以確定。有關使用狀態下的吊機荷載可參考 13.7.1 條。

表 13.3 列出戶外移動式高架起重機垂直荷載的分項系數,適用於動力垂直輪胎荷載,即適當增加垂直輪胎荷載,用以考慮動力效應。

當結構或構件受到兩台或兩台以上吊機的荷載影響時,應將吊機實際可能同時作用産生的最大垂直和水平荷載作爲吊機荷載。

  • 塔式起重機、吊臂起重機及流動起重機的荷載

當需要對永久性結構就塔式起重機、吊臂起重機及流動起重機的外加荷載效應進行驗算時,外加荷載的所有組合應通過與吊機供應商及建築承建商共同磋商後加以確定。這些包括正常使用荷載和惡劣天氣下出現的非正常荷載,例如颱風。應提供足夠的上舉抗力。這應包括起重機吊臂在平面上任何可能的使用位置,旋轉和方位角情形下所産生的荷載。

鋼結構作業守則-正常使用極限狀態(SLS)荷載

2.3        荷載

2.5.1     概要

所有相關荷載應單獨立考慮,亦要考慮對構件和整體結構産生最不利效應的可能的荷載組合。也應當考慮波動荷載的大小和頻率。

應小心考慮安裝過程的荷載情況。如有需要的話,支承的沉降亦要考慮。參閱 2.5.5 條。

2.5.2     恆載和外加荷載

特徵恆載和外加荷載應根據《建築物(建造)規例》來確定。

在香港以外的國家或地區進行設計時,荷載應參照當地或國際的規定。

2.5.3     風荷載

在香港,特徵風荷載應根據香港現行風力效應作業守則進行取值。

在香港以外的國家或地區進行設計時,風荷載應參照當地或國際的規定。根據 4.3 節中設定的適當荷載組合 2 和 3,最小的風荷載標準值應不小於恆

載標準值的 1.0%。該荷載應當施加於每一樓層,以及根據該樓層和與之相連的垂直構件的重量來計算。

對於內部結構的設計(如音樂廳內的臨時座位),設計側向荷載標準值應取恆載與外加荷載總和的 1%,或由 0.5kN/m2 的側向壓力乘以合適的荷載系數的較大值。該壓力應施加在結構的周邊立面上。

由於移動式高架起重機的特定荷載已經包括了很大的側向荷載,因些計算最小風荷載時,無需包括起重機的垂直荷載。

2.5.4     土壓力和水壓力

標稱土和地下水荷載應根據實際地質條件及相關香港土力工程處技術指引進行取值。

在香港以外的國家或地區進行設計時,標稱荷載應參照當地或國際的規定。

2.5.5     基礎不均勻沉降引起的荷載效應

當設計人員認爲基礎不均勻沉降效應在極限狀態或正常使用極限狀態構成了重大影響時,在結構的設計中便要考慮該效應。可採用恰當的岩土力學方法計算最可能出現的不均勻沉降。

2.5.6     溫度變化引起的荷載效應

在結構的設計與安裝過程中,有必要考慮溫度的變化,在香港可以假定內鋼結構的平均溫度變化從+0.1ºC 到+40ºC。然而,實際的溫度變化幅值取決於位置、結構類型和用途,結構在特別情況下,以及在香港以外的地方,會受到不同溫度變化幅度的影響,而需要再作特別考慮。對於某些結構(如預應力拉桿和懸索結構系統),其結構穩定性和設計預應力十分取決於溫度變化,因而對這類結構的設計應給予特別留意,參見 13.3 節。13.3.4.3 段對室外暴露於陽光下的構件設計提供了更爲詳細的指引。