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波纹腹板H型钢在工程中合理应用

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《钢结构杂志》2014年第六期

1波纹腹板

H型钢的合理使用范围根据波纹腹板H型钢的特点,其合理的使用范围应在论证其安全性、耐久性与经济性的基础上进行界定。而某国外厂家提供的图片资料显示,一些门式刚架梁、柱与吊车梁均采用了波纹腹板H型钢,一些技术文件还提出其可作为包括起重量为500kN吊车的吊车梁在内的工业、民用建筑的用钢构件,其环境条件可为7度以上高烈度地震设防区或中等侵蚀介质环境。显然,这样宽泛的适用范围是否符合结构使用安全性、耐久性的要求是值得商榷的。对此可作如下讨论分析:1)受压H型钢柱的截面优化目标应是选用经济合理的高宽比和截面特性,而不是截面高度的最大化。波纹腹板H型钢用作受压柱构件时,因腹板为无效截面造成截面面积、惯性矩与回转半径均有较大折减,承载力也随之降低,而平腹板H型钢柱根据GB50017-2003《钢结构设计规范》规定,即使腹板高厚比较大发生局部屈曲时,也可考虑腹板每侧与翼缘相连处的20tw(tw为腹板厚度)截面为有效截面参与整体承载工作,而计算稳定系数时还可按全截面计算。由此可以认为,按技术经济合理性要求,波纹腹板H型钢并不宜用作各类轴心或偏心受压柱构件。2)与柱构件一样,波纹腹板H型钢梁的腹板为无效截面时,其惯性矩和截面面积有较大折减,梁的抗弯承载力和刚度也随之降低。而平腹板梁的腹板高厚比已可放宽到250,同时腹板还可通过设置加劲肋(其用钢量有限)来提高局部稳定性,一般情况下,还可考虑截面塑性发展系数提高梁的整体抗弯承载力。工程经验表明,就梁的截面形式而言,对跨度稍大的梁,采用蜂窝梁或实腹变截面梁都有较好的技术经济效果,也都可能比波纹腹板梁具有更良好的综合性能。故从概念上讲,在一定条件下,波纹腹板H型钢亦不宜用于受弯的梁系构件。3)钢-混凝土组合楼盖梁一般需限制梁高不宜过大,以保证楼层高度的合理净空。同时在使用阶段因梁整体截面的中和轴多在混凝土翼板内,按现行规范规定的塑性设计准则,此时钢梁已全截面受拉并进入塑性状态,实际上已形成轴心受拉构件,而波纹腹板同样是无效截面,承载力也有明显降低,故波纹腹板H型钢也不适用于组合楼盖梁。4)波纹腹板由1.5~6mm薄钢板冷弯成型,其构件自然具有冷弯薄壁型钢的属性,故其设计准则、适用范围、计算构造、腹板强度设计值等亦应同时符合GB50018-2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》的规定,该规范中明确规定冷弯薄壁型钢结构不考虑用于直接承受动力荷载的承重结构,亦即不应用于吊车梁。5)根据GB50046-2008《工业建筑防腐蚀设计规范》强制性条文规定,在中度侵蚀或强侵蚀环境中,梁、柱等主要受力构件不应采用冷弯薄壁型钢。亦即厚度4mm及以下波纹腹板H型钢承重梁、柱构件,只限用于弱侵蚀介质环境中。按GB50018-2002的规定,此类环境对工业区或沿海地区仅限于采暖房屋的室内环境。以上所分析提出的规定与条件应作为确定波纹腹板H型钢构件合理使用范围的基本依据。

2波纹腹板

H型钢的腹板最小厚度与安全寿命2.1腹板最小厚度波纹腹板H型钢的特性决定了腹板厚度越小时,其经济性越突出。故相关资料与规程均推荐应用2~4mm较薄的规格。但为了保证结构的安全性与耐久性,我国相关规范对钢构件的最小厚度有如下规定:1)GB50018-2002规定,构件的壁厚不宜大于6mm也不宜小于1.5mm,用于刚架梁、柱的冷弯薄壁型钢,其壁厚不应小于2mm。2)CECS102∶2002《门式刚架轻型房屋结构技术规程》(已修订为国标GB)规定,用于焊接主刚架构件的钢板厚度不宜小于4mm,当有依据时可不小于3mm。3)GB50046-2008以强制性条文方式规定,侵蚀性介质环境中钢结构构件的板厚不小于6mm,角钢截面厚不小于5mm。上述这些规范规定,特别是强制性条文规定应是钢结构构件板件最小厚度必须遵守的限值。综合考虑结构的安全寿命要求与工程中防腐涂装与维护工作的实际情况,即使在微侵蚀介质环境中,主要承重构件所用腹板厚度也不宜小于4mm,确有充分依据时,不应小于3mm。2.2波纹腹板的安全寿命1)钢构件所用板件过薄时,锈蚀与板厚负公差对结构的安全寿命风险影响显得更为突出,这也是上述强制性规定限定最小板厚的主要原因。根据国外统计资料,未防护钢材的年锈蚀速率为:沿海地区与重工业区0.06~0.12mm,一般工业区0.03mm;国内挂板试验(Q235、Q345)表明城市环境中年锈蚀率为:成都0.026mm,广州0.025mm,武汉0.015mm,北京0.01mm。按工业区年锈蚀率0.03mm,城市区0.02mm及其长效涂层有效期为10年进行测算,当在使用期内不能保证定期认真维护时,使用20年后其板厚因锈蚀减薄可达0.2~0.3mm,即对2mm板减损率为10%~15%;使用30年后减薄量达0.4~0.6mm,即对2mm板减损率为20%~30%,对3mm板也达到13%~20%,显然这是结构安全所不允许的。2)薄钢板厚度的较大负公差是影响结构安全的另一不可忽略因素。钢板因热轧、冷轧、镀层等生产工艺不同,其允许公差值也不同,同时板愈薄或强度愈高,其允许负公差愈大。以热轧钢板为例,当板厚为2,3,4,5,6mm时,允许公差分别为±10.5%,±8%,±6.4%,±5.6%,±4.7%(对Q345、Q390钢板应再增加10%)。亦即2mm薄钢板开始使用时,厚度已可能有0.2mm的减损,或相当于已可能有10年使用的锈蚀,可见影响之大。而对较厚的10,20mm钢板的允许偏差为±3.4%,±2.2%,较薄板要小很多,即负公差对中、厚钢板结构安全的影响程度要小很多。冷轧薄板虽容许公差稍小,但负公差也可达8%~11.2%。由于钢厂多以较大容许负公差交货,这一现状在设计选材与钢材订货时是无法改变的。

3波纹腹板

H型钢的技术经济性能厂家宣传波纹H型钢可节约钢材15%~30%,甚至50%,这样高效的型材至今却很少应用,令人疑惑不解。现按工程中实用的优化比较方法,对波纹腹板H型钢与平腹板H型钢的技术经济性能进行比较。

3.1受压柱构件H型钢柱截面按高宽比为1/2、1/4设定截面尺寸,按Q235轴压柱计算承载力,稳定系数取为1.0。波纹腹板H型钢腹板按无效截面计算,平腹板H型钢按腹板局部屈曲考虑每侧20tw(tw为腹板厚度)为有效截面计算,其比较结果列于表1.由表1可知:1)由于波纹腹板无效,而平腹板可考虑2×20tw的有效截面,故二者相比的基本规律是波纹腹板H型钢的用钢量高,而承载力和刚度低。在表1比较的条件下,其用钢量多6%~9%,承载力反而降低19%。2)由于波纹腹板完全无效,在计算截面回转半径时,需再折减,同时长细比需按折算长细比计算而加大,C类截面又使相应轴压系数降低,此几项累计折减的影响会进一步降低其承载力。综上可知,波纹腹板H型钢用作受压柱构件时性价比较差。

3.2受弯梁系构件梁系构件设计优化的目标是其性价比相对最优。在工程应用中,为达到此目的可以有多种途径,包括优化梁格的布置,选用变截面实腹梁(包括改变梁高、翼缘宽度、厚度或腹板厚度)或蜂窝梁等。比较时,宜考虑梁整体的综合性能和用钢量,而不应限定腹板厚度或梁高变化等条件。表2按两种梁抗弯承载力相同列出了截面积、每米梁重、惯性矩和挠度等的比较数据。比较梁分为5组,梁为均布荷载简支梁(Q235钢),波纹H型钢梁截面规格在厂家的产品规格范围内(截面高度250~1250mm,腹板厚度2~4mm)选用,梁高为500,750,1000,1250mm,波纹腹板厚度为2,3,4mm;平腹板梁取高度相同而腹板厚度分别为2,3,4,5mm,高厚比取为250。计算均按相关规范和规程进行。强度计算时,波纹腹板梁不考虑腹板作用及塑性发展系数γx;平腹板梁按腹板屈服后(h0/tw=250)条件考虑,并按《门式刚架轻型房屋结构技术规程》规定计算有效截面的抗弯承载力,梁整体稳定系数均取为φb=1.0。挠度计算时,波纹腹板梁除梁的惯性矩仅按翼缘惯性矩计算外,还考虑剪切变形对梁挠度的增大影响;平腹板梁的惯性矩按全截面惯性矩计算。对比表2结果分析说明如下:1)在相关规程和厂家提出的波纹腹板梁适用规格范围内,选用部分腹板厚2,3mm截面,按梁高和梁抗弯承载力相同的条件进行比较。当梁高为500,750,1000mm时,波纹腹板梁的用钢量均高于平腹板梁约5%~15%。2)梁高1250mm时,3mm波纹腹板梁的用钢量与平腹板梁持平,但4mm波纹腹板梁的用钢量则高出14%;而当梁高1250mm时,梁跨度一般已大于10m,从防腐和保证耐久性考虑,采用4mm厚的腹板应更为合理。3)波纹腹板梁的抗弯刚度较差,因其挠度仅按梁的翼缘惯性矩计算,并考虑腹板剪切变形的挠度增量,故即使其抗弯承载力与平腹板梁相同时,挠度也会增大3%~20%。4)所比较平腹板梁不仅有较好的抗弯强度与刚度,还因腹板较厚可提高构件的抗锈蚀能力与耐久性,其适用范围更广,还可避免特薄板件弯折加工和焊接,从而使施工更简便。综上可知,波纹腹板H型钢用作梁系构件时,在其适用梁高与板厚范围内的多数情况下,其经济性与综合性能差于平腹板H型钢。

4设计计算中的其他问题

1)波纹腹板H型钢腹板的选材,按GB50018-2002规定,仅限于Q235、Q345,其强度设计值也应按该规范规定偏低采用。当采用Q390或Q420钢时,无强度设计值指标作为依据。2)波纹腹板H型钢若用于直接承受动力荷载的构件,其选材应提出对钢材冲击功的保证要求,但由于试验条件所限,当钢材厚度小于6mm时,一般不提供冲击功保证指标,而当厚度小于3mm时,已无法进行冲击功试验,亦即对薄板钢材,无法提供其韧性性能的评价指标。3)GB50017-2003规定,计算承受静荷载受弯构件的正应力时,可考虑截面边缘发展塑性而提高承载力的塑性发展系数γx(为1.05)、γy(为1.2),其相应的条件是单个翼缘板面积与平腹板面积之比应小于1.0,受压翼缘板宽(外伸宽度)厚比应不大于13fy/槡235,在此条件下考虑γx时,其梁上下边缘11.3%~22.6%梁高范围均已进入塑性状态,即除梁翼缘外,边缘部分腹板也进入塑性,波纹腹板显然不具备此种发展塑性的可能,故计算时,不能考虑γx。4)GB50018-2002明确规定冷弯薄壁型钢结构不考虑用于直接承受动力荷载的承重结构,亦即不应用于吊车梁。现有关技术规程提出波纹腹板H型钢可用于吊车梁,且其疲劳计算可完全套用GB50017-2003的有关规定。但GB50017-2003对构件疲劳计算的原则、公式、应力集中系数、残余应力影响、容许应力幅、焊接连接与构造要求,甚至附加摇摆力荷载作用、轮压增大系数等的规定,都是在对大量平腹板吊车梁试验研究和应用经验总结基础上作出的,而薄波纹腹板梁在截面特性、工作状态及焊接连接条件方面都与常规平腹板梁存在较大差异,对其用于吊车梁应持慎重态度。不宜仅以少量梁的试验作为依据,即规定可套用现行规范的设计准则与规定计算疲劳,而应有充分和严谨的论证,限定合理的适用范围,提出合理的计算方法并正式列为规范条文作为设计依据。此外,关于波纹腹板梁上翼缘有轮压集中荷载时,引起腹板与上翼缘连接薄焊缝偏扭疲劳等问题,也应进行疲劳试验研究验证。因薄腹板焊缝抗弯扭能力很低,工程应用经验表明此部位焊缝区常是疲劳裂缝多发区。

5焊接与加工

相关规程提出的波纹腹板梁的节点构造与受力连接中大量采用了波纹板与平板、端板的对接焊接或T形接头焊接,部分焊缝还要求为熔透焊缝,而JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规范》明确规定其适用范围仅限于板厚不小于3mm构件的焊接。亦即当波纹腹板厚度小于3mm时,其焊缝强度,公差与质量标准、检验与验收均无据可依,此外,有的焊接构造也不符合规范的规定。故若无相应的国家或行业补充的专门规定,波纹腹板梁加工组焊的质量是无法认证的。6结论与建议为了科学合理地推广应用波纹腹板H型钢构件,尚需按工程实用的安全性、耐久性要求,对其设计规定与相关规范的协调,技术经济性能的科学评价以及合理的适用范围等方面进行严谨、深化的论证工作。目前虽已有两本相关技术规程颁布执行,但建议在设计应用时仍结合本文所提出的讨论问题进行方案比较和优选为宜。

作者:柴昶单位:中国钢结构协会

钢结构杂志责任编辑:田老师    阅读:人次