关于波纹腹板H型钢在工程中合理应用问题的讨论
2020-06-05
来源:爱问旅游网
工程设计 关于波纹腹板H型钢在工程中合理应用问题的讨论 柴昶 100088) (中国钢结构协会,北京摘 要:对波纹腹板焊接H型钢在工程中合理应用的几个问题进行分析乖讨论,包括所适用的构件范圆、最小板 厚、技术经济性能比较等。通过与国内现行规范规定对比和截面特性分析及量化经济比较,得出波纹腹板H型钢 的综合技术经济性能差于平腹板焊接H型钢,且应用于梁、柱构件时性价比较差的结论。除分析薄板构件的耐久 性与安全寿命问题外,还对波纹腹板焊接H型钢构件的设计计算与焊接要求等问题进行分析和讨论。 关键词:波纹腹板H型钢;高厚比;耐久性;负公差;冷弯薄壁型钢结构 DOI:10.13206/J.gjg201406007 DISCUSSION ON SoME ISSUES FOR REASoNABLE APPLICATIoN oF CoRRUGATED WEB H SECTIoN Chai Chang (China Steel Construction Society,Beijing 100088,China) ABSTRACT:Some issues for reasonable application of corrugated web H section were discussed,such as the suitable component range,minimum thickness and economical property etc.As compared with technical specification on the section characteristics,steel consuming and durability,it shows that the performance of corrugated web H section is not better than the plate web H section.Further more whose performance cost ratio is poor when using in beam and column.Finally some other issues for design calculation and welding requirement were also discussed. KEY WORDS:corrugated web H section;hightlthickness ratiao;durability;negative tolerances;cold-formed thin— walled steel structures 近年来,一些单位相继组织了关于引进并应用 推广波纹腹板H型钢的讲座,同时其宣传广告也在 一统的平腹板与翼缘板组焊而成的焊接H型钢。由 于腹板呈波纹(或折线)形显著提高了局部稳定性, 其容许高厚比可达600(平腹板为250)。在限定腹 板厚度相同且高厚比最大化的条件下,将其与平腹 板梁相比,因其大大增加了梁高,可提高抗弯承载力 或少用翼缘钢材,因而凸显其在此种条件下的经济 些专业刊物和展会上频频出现,提出应用此类型 材可达到节约钢材15 ~3O ,甚至5O ,或可提 高承载力40 的神奇效果。有关资料也评价其为 “在国外已被广泛应用的新结构”、“具有承载效率 高,经济性好等优点,是一种高效型材”,“用于受弯 构件是一种绝佳的选择”等。而实际上早在2O年前 性。但同时相关试验研究及技术规程规定表明,由 于腹板为波折形,其用作受压或受弯构件时,因变形 不协调而使腹板截面无法参与共同工作,亦即构件 即有德国厂家来我国推销此种波纹腹板H型钢加工 设备,在作者参加的中方专家论证会上,因对其技术 经济性能、应用条件、技术规范等提出许多质疑而在 抗压、抗弯承载力和刚度只能由翼缘提供,而焊接或 轧制H型钢中腹板截面积一般要占总截面面积的 2O ~3O 。显然从概念上即可判断,在一定条件 下,波纹腹板梁、柱并不经济,甚至会有用钢量大而 承载力与刚度反而低的情况。这同时具有的一高一 当时未能引进成功。迄今为止,各类交流资料与信息 表明,此种型材多年来在国外仍较少应用,既非广泛 应用的新结构,也非经济高效型材,而只是一种应用 范围有限的异形型材。现本着学习与探讨的目的,提 低双重特性,可以说是波纹腹板H型钢的基本属 出其在工程中合理应用的几个问题,以讨论商榷。 1 波纹腹板H型钢的特点与合理使用范围 1.1 波纹腹板H型钢的性能特点 性。在评价其技术经济特性时,应同时考虑此双重 特性,以得出客观、科学的结论。 作者:柴昶,男,1934年出生,教授级高级工程师。 Email:chai0204@126.corn 波纹腹板H型钢是以冷弯波折形薄板代替传 28 收稿日期:2014—02—20 钢结构 2014年第6期第29卷总第186期 柴昶:关于波纹腹板H型钢在工程中合理应用问题的讨论 为突出其优势并刻意淡化腹板无效的弱点,部 分厂家在宣传资料或举例中往往追求波纹腹板H 型钢腹板厚度的最小化和腹板高厚比的最大化。如 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)钢一混凝土组合楼盖梁一般需限制梁高不宜 某资料提出工程应用中其腹板高厚比均可按600取 值,在比较举例中,对跨度36 m门式刚架的刚架梁 采用厚度仅2 mm的波形腹板,以得出其经济性优 越的结论。在主要承重梁、柱构件中采用这样超薄 腹板件显然欠妥,从结构耐久性和安全性考虑,也很 难被设计人员和业主接受 。近年来,一些钢结构工 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1.5~6 mm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 程质量事故再次表明,设计与施工中的核心准则就 是要保证结构的安全性和耐久性,单纯追求最低用 钢量是不可取的。 还应指出的是,原国外公司的经济比较数据是 针对热轧H型钢得出的,现若套用与焊接H型钢 比较,数据显然会有很大差异并起到误导作用。 1.2 波纹腹板H型钢的合理使用范围 范围、计算构造、腹板强度设计值等亦应同时符合GB 50018--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GB 50046—2008{工业建筑防腐蚀设计 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 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4 mm及以下波纹腹板H型钢承重梁、柱 钢,一些技术文件还提出其可作为包括起重量为 500 kN吊车的吊车梁在内的工业、民用建筑的用钢 构件,只限用于弱侵蚀介质环境中。按GB 50018— 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。 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GB 5O017— 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20t (£ 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 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2~4 mm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)GB 50018—2002规定,构件的壁厚不宜大 于6 mm也不宜小于1.5 mm,用于刚架梁、柱的冷 弯薄壁型钢,其壁厚不应小于2 mm。 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 2)CECS 102:2002{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4 mm,当有依据时可 不小于3 mm。 3)GB 50046—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6 mm,角 钢截面厚不小于5 mm。 29 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 Steel Construction.2014(6),Vo1.29,No.186 工程设计 上述这些规范规定,特别是强制性条文规定应 愈高,其允许负公差愈大。以热轧钢板为例,当板厚 为2,3,4,5,6 mm时,允许公差分别为±1O.5 , ±8 ,±6.4 9/6,±5.6 ,±4.7 9/6(对Q345、Q39o 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4 mm,确有充分 依据时,不应小于3 mm。 钢板应再增加10 )。亦即2 mm薄钢板开始使用 时,厚度已可能有0.2 mm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 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0.06~0.12 mm,一般工业区0.03 mm; 1O,20 mm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 国内挂板试验(Q235、Q345)表明城市环境中年锈 蚀率为:成都0.026 mm,广州0.025 mm,武汉 0.o15 mm,北京0.01 mm。按工业区年锈蚀率 厂家宣传波纹H型钢可节约钢材15 ~3O , 甚至5O ,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 0.03 mm,城市区0.02 mm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2O年后其板厚因锈蚀减薄可达0.2~ 0.3 mm,即对2 mm板减损率为10 ~15 ;使用 3O年后减薄量达0.4~O.6 mm,即对2 mm板减损 率为2O ~30 ,对3 mm板也达到13 ~2O , 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 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.o。波纹腹板H型钢腹板按无效截面计算,平腹 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 板H型钢按腹板局部屈曲考虑每侧2ot (£ 为腹板 厚度)为有效截面计算,其比较结果列于表1。 表1 波纹腹板H型钢柱与平腹板H型钢柱的技术经济性能比较(Q235钢) 由表1可知: 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 1)由于波纹腹板无效,而平腹板可考虑2×20t 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 9,6。 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 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 加大,c类截面又使相应轴压系数降低,此几项累计 3o 梁高、翼缘宽度、厚度或腹板厚度)或蜂窝梁等。比 钢结构 2014年第6期第29卷总第186期 柴昶:关于波纹腹板H型钢在工程中合理应用问题的讨论 较时,宜考虑梁整体的综合性能和用钢量,而不应限 3,4,5 mm,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7x;平腹板梁按腹板屈服后( 。/ 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 25O~1 250 mm,腹板厚度2~4 ram)选用,梁高为 500,750,1 000,1 250 mm,波纹腹板厚度为2,3, t =25O)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 ===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 4 ram;平腹板梁取高度相同而腹板厚度分别为2, 截面惯性矩计算。 表2波纹腹板梁与平腹板梁技术经济性能E 较(Q235钢) 注:1)^、k、L分别为翼缘截面惯性矩、腹板有效截面惯性矩及全截面有效截面惯性矩;Al、A 分别为翼缘截面面积、腹板截面面积}2)平腹板 梁用钢量考虑了加劲肋用量;3)挠度计算一栏中波纹腹板梁大于平腹板梁的增加幅度分别对应于梁高跨比为1/12 ̄1/8的情况。 Steel Construction.2014(6),Vo1.29,No.186 31 工程设计 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 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 格范围内,选用部分腹板厚2,3 mm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 500,750,1 000 mm时,波纹腹板梁的用钢量均高于 平腹板梁约5 ~15 。 H型钢可用于吊车梁,且其疲劳计算可完全套用 GB 50017—2003的有关规定。但GB 500I7—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 2)梁高I 250 mm时,3 mm波纹腹板梁的用钢 量与平腹板梁持平,但4 mm波纹腹板梁的用钢量 则高出14 ;而当梁高1 250 mm时,梁跨度一般已 大于10 m,从防腐和保证耐久性考虑,采用4 mm 厚的腹板应更为合理。 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 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 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 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 ~2O 。 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, 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 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 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 1)波纹腹板H型钢腹板的选材,按GB 50018— 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Q39o或Q42o钢时, 无强度设计值指标作为依据。 JGJ 81—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3 mm构件的焊接。 亦即当波纹腹板厚度小于3 mm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 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6 mm时,一般 不提供冲击功保证指标,而当厚度小于3 mm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)GB 50017—2003规定,计算承受静荷载受弯 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 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 (为1.05)、7y(为1.2),其相 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。 参考文献 [I]CECS 291:2011 波纹腹板钢结构技术规程Is]. 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 13 ̄/厂v/235,在此条件下考虑 时,其梁上下边缘 l1.3 ~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 。 4)GB 50018—2002明确规定冷弯薄壁型钢结 32 [2]CECS 290:2011波浪腹板钢结构应用技术规程IS] 钢结构 2014年第6期第29卷总第186期