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《鋼結(jié)構(gòu)雜志》2014年第六期

1波紋腹板

H型鋼的合理使用范圍根據(jù)波紋腹板H型鋼的特點(diǎn)，其合理的使用范圍應(yīng)在論證其安全性、耐久性與經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上進(jìn)行界定。而某國(guó)外廠家提供的圖片資料顯示，一些門(mén)式剛架梁、柱與吊車(chē)梁均采用了波紋腹板H型鋼，一些技術(shù)文件還提出其可作為包括起重量為500kN吊車(chē)的吊車(chē)梁在內(nèi)的工業(yè)、民用建筑的用鋼構(gòu)件，其環(huán)境條件可為7度以上高烈度地震設(shè)防區(qū)或中等侵蝕介質(zhì)環(huán)境。顯然，這樣寬泛的適用范圍是否符合結(jié)構(gòu)使用安全性、耐久性的要求是值得商榷的。對(duì)此可作如下討論分析：1）受壓H型鋼柱的截面優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)是選用經(jīng)濟(jì)合理的高寬比和截面特性，而不是截面高度的最大化。波紋腹板H型鋼用作受壓柱構(gòu)件時(shí)，因腹板為無(wú)效截面造成截面面積、慣性矩與回轉(zhuǎn)半徑均有較大折減，承載力也隨之降低，而平腹板H型鋼柱根據(jù)GB50017－2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，即使腹板高厚比較大發(fā)生局部屈曲時(shí)，也可考慮腹板每側(cè)與翼緣相連處的20tw（tw為腹板厚度）截面為有效截面參與整體承載工作，而計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)時(shí)還可按全截面計(jì)算。由此可以認(rèn)為，按技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性要求，波紋腹板H型鋼并不宜用作各類(lèi)軸心或偏心受壓柱構(gòu)件。2）與柱構(gòu)件一樣，波紋腹板H型鋼梁的腹板為無(wú)效截面時(shí)，其慣性矩和截面面積有較大折減，梁的抗彎承載力和剛度也隨之降低。而平腹板梁的腹板高厚比已可放寬到250，同時(shí)腹板還可通過(guò)設(shè)置加勁肋（其用鋼量有限）來(lái)提高局部穩(wěn)定性，一般情況下，還可考慮截面塑性發(fā)展系數(shù)提高梁的整體抗彎承載力。工程經(jīng)驗(yàn)表明，就梁的截面形式而言，對(duì)跨度稍大的梁，采用蜂窩梁或?qū)嵏棺兘孛媪憾加休^好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，也都可能比波紋腹板梁具有更良好的綜合性能。故從概念上講，在一定條件下，波紋腹板H型鋼亦不宜用于受彎的梁系構(gòu)件。3）鋼－混凝土組合樓蓋梁一般需限制梁高不宜過(guò)大，以保證樓層高度的合理凈空。同時(shí)在使用階段因梁整體截面的中和軸多在混凝土翼板內(nèi)，按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的塑性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，此時(shí)鋼梁已全截面受拉并進(jìn)入塑性狀態(tài)，實(shí)際上已形成軸心受拉構(gòu)件，而波紋腹板同樣是無(wú)效截面，承載力也有明顯降低，故波紋腹板H型鋼也不適用于組合樓蓋梁。4）波紋腹板由1．5～6mm薄鋼板冷彎成型，其構(gòu)件自然具有冷彎薄壁型鋼的屬性，故其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、適用范圍、計(jì)算構(gòu)造、腹板強(qiáng)度設(shè)計(jì)值等亦應(yīng)同時(shí)符合GB50018－2002《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，該規(guī)范中明確規(guī)定冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)不考慮用于直接承受動(dòng)力荷載的承重結(jié)構(gòu)，亦即不應(yīng)用于吊車(chē)梁。5）根據(jù)GB50046－2008《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》強(qiáng)制性條文規(guī)定，在中度侵蝕或強(qiáng)侵蝕環(huán)境中，梁、柱等主要受力構(gòu)件不應(yīng)采用冷彎薄壁型鋼。亦即厚度4mm及以下波紋腹板H型鋼承重梁、柱構(gòu)件，只限用于弱侵蝕介質(zhì)環(huán)境中。按GB50018－2002的規(guī)定，此類(lèi)環(huán)境對(duì)工業(yè)區(qū)或沿海地區(qū)僅限于采暖房屋的室內(nèi)環(huán)境。以上所分析提出的規(guī)定與條件應(yīng)作為確定波紋腹板H型鋼構(gòu)件合理使用范圍的基本依據(jù)。

2波紋腹板

H型鋼的腹板最小厚度與安全壽命2．1腹板最小厚度波紋腹板H型鋼的特性決定了腹板厚度越小時(shí)，其經(jīng)濟(jì)性越突出。故相關(guān)資料與規(guī)程均推薦應(yīng)用2～4mm較薄的規(guī)格。但為了保證結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性，我國(guó)相關(guān)規(guī)范對(duì)鋼構(gòu)件的最小厚度有如下規(guī)定：1）GB50018－2002規(guī)定，構(gòu)件的壁厚不宜大于6mm也不宜小于1．5mm，用于剛架梁、柱的冷彎薄壁型鋼，其壁厚不應(yīng)小于2mm。2）CECS102∶2002《門(mén)式剛架輕型房屋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（已修訂為國(guó)標(biāo)GB）規(guī)定，用于焊接主剛架構(gòu)件的鋼板厚度不宜小于4mm，當(dāng)有依據(jù)時(shí)可不小于3mm。3）GB50046－2008以強(qiáng)制性條文方式規(guī)定，侵蝕性介質(zhì)環(huán)境中鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的板厚不小于6mm，角鋼截面厚不小于5mm。上述這些規(guī)范規(guī)定，特別是強(qiáng)制性條文規(guī)定應(yīng)是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件板件最小厚度必須遵守的限值。綜合考慮結(jié)構(gòu)的安全壽命要求與工程中防腐涂裝與維護(hù)工作的實(shí)際情況，即使在微侵蝕介質(zhì)環(huán)境中，主要承重構(gòu)件所用腹板厚度也不宜小于4mm，確有充分依據(jù)時(shí)，不應(yīng)小于3mm。2．2波紋腹板的安全壽命1）鋼構(gòu)件所用板件過(guò)薄時(shí)，銹蝕與板厚負(fù)公差對(duì)結(jié)構(gòu)的安全壽命風(fēng)險(xiǎn)影響顯得更為突出，這也是上述強(qiáng)制性規(guī)定限定最小板厚的主要原因。根據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)資料，未防護(hù)鋼材的年銹蝕速率為：沿海地區(qū)與重工業(yè)區(qū)0．06～0．12mm，一般工業(yè)區(qū)0．03mm；國(guó)內(nèi)掛板試驗(yàn)（Q235、Q345）表明城市環(huán)境中年銹蝕率為：成都0．026mm，廣州0．025mm，武漢0．015mm，北京0．01mm。按工業(yè)區(qū)年銹蝕率0．03mm，城市區(qū)0．02mm及其長(zhǎng)效涂層有效期為10年進(jìn)行測(cè)算，當(dāng)在使用期內(nèi)不能保證定期認(rèn)真維護(hù)時(shí)，使用20年后其板厚因銹蝕減薄可達(dá)0．2～0．3mm，即對(duì)2mm板減損率為10％～15％；使用30年后減薄量達(dá)0．4～0．6mm，即對(duì)2mm板減損率為20％～30％，對(duì)3mm板也達(dá)到13％～20％，顯然這是結(jié)構(gòu)安全所不允許的。2）薄鋼板厚度的較大負(fù)公差是影響結(jié)構(gòu)安全的另一不可忽略因素。鋼板因熱軋、冷軋、鍍層等生產(chǎn)工藝不同，其允許公差值也不同，同時(shí)板愈薄或強(qiáng)度愈高，其允許負(fù)公差愈大。以熱軋鋼板為例，當(dāng)板厚為2，3，4，5，6mm時(shí)，允許公差分別為±10．5％，±8％，±6．4％，±5．6％，±4．7％（對(duì)Q345、Q390鋼板應(yīng)再增加10％）。亦即2mm薄鋼板開(kāi)始使用時(shí)，厚度已可能有0．2mm的減損，或相當(dāng)于已可能有10年使用的銹蝕，可見(jiàn)影響之大。而對(duì)較厚的10，20mm鋼板的允許偏差為±3．4％，±2．2％，較薄板要小很多，即負(fù)公差對(duì)中、厚鋼板結(jié)構(gòu)安全的影響程度要小很多。冷軋薄板雖容許公差稍小，但負(fù)公差也可達(dá)8％～11．2％。由于鋼廠多以較大容許負(fù)公差交貨，這一現(xiàn)狀在設(shè)計(jì)選材與鋼材訂貨時(shí)是無(wú)法改變的。

3波紋腹板

H型鋼的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能廠家宣傳波紋H型鋼可節(jié)約鋼材15％～30％，甚至50％，這樣高效的型材至今卻很少應(yīng)用，令人疑惑不解。現(xiàn)按工程中實(shí)用的優(yōu)化比較方法，對(duì)波紋腹板H型鋼與平腹板H型鋼的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行比較。

3．1受壓柱構(gòu)件H型鋼柱截面按高寬比為1／2、1／4設(shè)定截面尺寸，按Q235軸壓柱計(jì)算承載力，穩(wěn)定系數(shù)取為1．0。波紋腹板H型鋼腹板按無(wú)效截面計(jì)算，平腹板H型鋼按腹板局部屈曲考慮每側(cè)20tw（tw為腹板厚度）為有效截面計(jì)算，其比較結(jié)果列于表1．由表1可知：1）由于波紋腹板無(wú)效，而平腹板可考慮2×20tw的有效截面，故二者相比的基本規(guī)律是波紋腹板H型鋼的用鋼量高，而承載力和剛度低。在表1比較的條件下，其用鋼量多6％～9％，承載力反而降低19％。2）由于波紋腹板完全無(wú)效，在計(jì)算截面回轉(zhuǎn)半徑時(shí)，需再折減，同時(shí)長(zhǎng)細(xì)比需按折算長(zhǎng)細(xì)比計(jì)算而加大，C類(lèi)截面又使相應(yīng)軸壓系數(shù)降低，此幾項(xiàng)累計(jì)折減的影響會(huì)進(jìn)一步降低其承載力。綜上可知，波紋腹板H型鋼用作受壓柱構(gòu)件時(shí)性?xún)r(jià)比較差。

3．2受彎梁系構(gòu)件梁系構(gòu)件設(shè)計(jì)優(yōu)化的目標(biāo)是其性?xún)r(jià)比相對(duì)最優(yōu)。在工程應(yīng)用中，為達(dá)到此目的可以有多種途徑，包括優(yōu)化梁格的布置，選用變截面實(shí)腹梁（包括改變梁高、翼緣寬度、厚度或腹板厚度）或蜂窩梁等。比較時(shí)，宜考慮梁整體的綜合性能和用鋼量，而不應(yīng)限定腹板厚度或梁高變化等條件。表2按兩種梁抗彎承載力相同列出了截面積、每米梁重、慣性矩和撓度等的比較數(shù)據(jù)。比較梁分為5組，梁為均布荷載簡(jiǎn)支梁（Q235鋼），波紋H型鋼梁截面規(guī)格在廠家的產(chǎn)品規(guī)格范圍內(nèi)（截面高度250～1250mm，腹板厚度2～4mm）選用，梁高為500，750，1000，1250mm，波紋腹板厚度為2，3，4mm；平腹板梁取高度相同而腹板厚度分別為2，3，4，5mm，高厚比取為250。計(jì)算均按相關(guān)規(guī)范和規(guī)程進(jìn)行。強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，波紋腹板梁不考慮腹板作用及塑性發(fā)展系數(shù)γx；平腹板梁按腹板屈服后（h0／tw＝250）條件考慮，并按《門(mén)式剛架輕型房屋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定計(jì)算有效截面的抗彎承載力，梁整體穩(wěn)定系數(shù)均取為φb＝1．0。撓度計(jì)算時(shí)，波紋腹板梁除梁的慣性矩僅按翼緣慣性矩計(jì)算外，還考慮剪切變形對(duì)梁撓度的增大影響；平腹板梁的慣性矩按全截面慣性矩計(jì)算。對(duì)比表2結(jié)果分析說(shuō)明如下：1）在相關(guān)規(guī)程和廠家提出的波紋腹板梁適用規(guī)格范圍內(nèi)，選用部分腹板厚2，3mm截面，按梁高和梁抗彎承載力相同的條件進(jìn)行比較。當(dāng)梁高為500，750，1000mm時(shí)，波紋腹板梁的用鋼量均高于平腹板梁約5％～15％。2）梁高1250mm時(shí)，3mm波紋腹板梁的用鋼量與平腹板梁持平，但4mm波紋腹板梁的用鋼量則高出14％；而當(dāng)梁高1250mm時(shí)，梁跨度一般已大于10m，從防腐和保證耐久性考慮，采用4mm厚的腹板應(yīng)更為合理。3）波紋腹板梁的抗彎剛度較差，因其撓度僅按梁的翼緣慣性矩計(jì)算，并考慮腹板剪切變形的撓度增量，故即使其抗彎承載力與平腹板梁相同時(shí)，撓度也會(huì)增大3％～20％。4）所比較平腹板梁不僅有較好的抗彎強(qiáng)度與剛度，還因腹板較厚可提高構(gòu)件的抗銹蝕能力與耐久性，其適用范圍更廣，還可避免特薄板件彎折加工和焊接，從而使施工更簡(jiǎn)便。綜上可知，波紋腹板H型鋼用作梁系構(gòu)件時(shí)，在其適用梁高與板厚范圍內(nèi)的多數(shù)情況下，其經(jīng)濟(jì)性與綜合性能差于平腹板H型鋼。

4設(shè)計(jì)計(jì)算中的其他問(wèn)題

1）波紋腹板H型鋼腹板的選材，按GB50018－2002規(guī)定，僅限于Q235、Q345，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值也應(yīng)按該規(guī)范規(guī)定偏低采用。當(dāng)采用Q390或Q420鋼時(shí)，無(wú)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值指標(biāo)作為依據(jù)。2）波紋腹板H型鋼若用于直接承受動(dòng)力荷載的構(gòu)件，其選材應(yīng)提出對(duì)鋼材沖擊功的保證要求，但由于試驗(yàn)條件所限，當(dāng)鋼材厚度小于6mm時(shí)，一般不提供沖擊功保證指標(biāo)，而當(dāng)厚度小于3mm時(shí)，已無(wú)法進(jìn)行沖擊功試驗(yàn)，亦即對(duì)薄板鋼材，無(wú)法提供其韌性性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。3）GB50017－2003規(guī)定，計(jì)算承受靜荷載受彎構(gòu)件的正應(yīng)力時(shí)，可考慮截面邊緣發(fā)展塑性而提高承載力的塑性發(fā)展系數(shù)γx（為1．05）、γy（為1．2），其相應(yīng)的條件是單個(gè)翼緣板面積與平腹板面積之比應(yīng)小于1．0，受壓翼緣板寬（外伸寬度）厚比應(yīng)不大于13fy／槡235，在此條件下考慮γx時(shí)，其梁上下邊緣11．3％～22．6％梁高范圍均已進(jìn)入塑性狀態(tài)，即除梁翼緣外，邊緣部分腹板也進(jìn)入塑性，波紋腹板顯然不具備此種發(fā)展塑性的可能，故計(jì)算時(shí)，不能考慮γx。4）GB50018－2002明確規(guī)定冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)不考慮用于直接承受動(dòng)力荷載的承重結(jié)構(gòu)，亦即不應(yīng)用于吊車(chē)梁。現(xiàn)有關(guān)技術(shù)規(guī)程提出波紋腹板H型鋼可用于吊車(chē)梁，且其疲勞計(jì)算可完全套用GB50017－2003的有關(guān)規(guī)定。但GB50017－2003對(duì)構(gòu)件疲勞計(jì)算的原則、公式、應(yīng)力集中系數(shù)、殘余應(yīng)力影響、容許應(yīng)力幅、焊接連接與構(gòu)造要求，甚至附加搖擺力荷載作用、輪壓增大系數(shù)等的規(guī)定，都是在對(duì)大量平腹板吊車(chē)梁試驗(yàn)研究和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)基礎(chǔ)上作出的，而薄波紋腹板梁在截面特性、工作狀態(tài)及焊接連接條件方面都與常規(guī)平腹板梁存在較大差異，對(duì)其用于吊車(chē)梁應(yīng)持慎重態(tài)度。不宜僅以少量梁的試驗(yàn)作為依據(jù)，即規(guī)定可套用現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與規(guī)定計(jì)算疲勞，而應(yīng)有充分和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C，限定合理的適用范圍，提出合理的計(jì)算方法并正式列為規(guī)范條文作為設(shè)計(jì)依據(jù)。此外，關(guān)于波紋腹板梁上翼緣有輪壓集中荷載時(shí)，引起腹板與上翼緣連接薄焊縫偏扭疲勞等問(wèn)題，也應(yīng)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)研究驗(yàn)證。因薄腹板焊縫抗彎扭能力很低，工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明此部位焊縫區(qū)常是疲勞裂縫多發(fā)區(qū)。

5焊接與加工

相關(guān)規(guī)程提出的波紋腹板梁的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造與受力連接中大量采用了波紋板與平板、端板的對(duì)接焊接或T形接頭焊接，部分焊縫還要求為熔透焊縫，而JGJ81－2002《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)范》明確規(guī)定其適用范圍僅限于板厚不小于3mm構(gòu)件的焊接。亦即當(dāng)波紋腹板厚度小于3mm時(shí)，其焊縫強(qiáng)度，公差與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、檢驗(yàn)與驗(yàn)收均無(wú)據(jù)可依，此外，有的焊接構(gòu)造也不符合規(guī)范的規(guī)定。故若無(wú)相應(yīng)的國(guó)家或行業(yè)補(bǔ)充的專(zhuān)門(mén)規(guī)定，波紋腹板梁加工組焊的質(zhì)量是無(wú)法認(rèn)證的。6結(jié)論與建議為了科學(xué)合理地推廣應(yīng)用波紋腹板H型鋼構(gòu)件，尚需按工程實(shí)用的安全性、耐久性要求，對(duì)其設(shè)計(jì)規(guī)定與相關(guān)規(guī)范的協(xié)調(diào)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能的科學(xué)評(píng)價(jià)以及合理的適用范圍等方面進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)、深化的論證工作。目前雖已有兩本相關(guān)技術(shù)規(guī)程頒布執(zhí)行，但建議在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)仍結(jié)合本文所提出的討論問(wèn)題進(jìn)行方案比較和優(yōu)選為宜。

作者：柴昶單位：中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)