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关于箱型柱的受力特点比较和箱型柱的焊接方法
秦永乐发表于《造价师》
   摘要:本文结合工程实例,分析了普通轧制H型钢柱与箱型柱的受力特点,介绍了箱型柱的焊接加工方法。由于H型钢柱只有一个强轴,在梁柱连接节点处受力比较复杂的情况下,一是“节点域”不能满足要求,二是按照“强连接弱构件”的原则,在地震作用下按地震组合内力进行弹性设计时,极限承载力验算不能满足。而箱型柱由于在X、Y方向均为强轴,加上节点处的加劲板,形成了较强的节点域,受力状况比轧制H型钢优越。
   由于目前人们对箱型柱的认识尚不普遍,本文结合参观工厂焊接箱型柱的加工流程,做简单介绍。
关键词:节点域  箱型柱 强度 稳定
最近笔者在工作中遇到了一个问题,就是关于箱型柱焊接方法的问题。
由于笔者做的这个工程的具体特点,在设计中中间柱子采用了箱型柱,其它柱子采用了热轧H型钢。
这是一个5层的化工装置的钢结构框架,共9根柱子,跨距为6米x7米,层高分别为6米、6.3米、5.5米、6.7米和5米。每层的设备荷载大都集中在中间位置,顶层一台设备的重量就接近100吨,因而中间柱子的受力最大。
笔者先按9根柱子均采用轧制H型钢试算,经过对各种工况下的计算结果进行分析比较,中间柱子在梁柱节点处受力较大:一是“节点域”不能满足要求1,补强后仍无法满足《钢结构设计规范》GB50017-2003第7.4.2条的要求,即节点域的强度和局部稳定不能满足规范要求。二是不能满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2001第8.2.8条的要求,即按照“强连接弱构件”的原则,在地震作用下按地震组合内力进行弹性设计时,极限承载力验算不能满足2。经过笔者多次试算,采用国标《热轧H型钢和剖分T型钢》GB/T11263-1998中HW400x400,均不能满足要求。从既经济又合理的角度考虑,笔者将该柱改为500x500的箱型柱,经过计算,上述两条均能满足,而且用钢量基本接近,但受力状态却是明显的改善。
这是因为“H型钢柱”,只有一个强轴,该处的柱子节点无论是腹板还是翼缘受力都比较复杂,因而出现上述不满足规范的情况。
而“箱型柱”的受力在四个方向均是强轴,两轴的抵抗矩相等,特别是本工程中间这个柱子,四个方向的力都集中到这个柱子上,钢梁与柱子相连接处的节点受力较大。
但由于箱型柱有它的受力特点,能较好的解决这个问题,因而是比较合理的受力结构体系。
但很多业主甚至是有些工程技术人员对“箱型柱”的了解很少,甚至闻所未闻,更有甚者是很多人不知道箱型柱里面的加劲板(隔板)是如何焊进去的,所以有时不被接受。由于笔者所承担的工程的特点,曾在近10套化工装置中采用过箱型柱,在工程实际中就遇到了这样的问题。
前段时间笔者与一些同行们去工厂参观了箱型柱的加工制作过程:
箱型柱的焊接必须在工厂加工,不能在现场焊接,因为这是一套专门加工制作箱型柱的流水线,该生产线主要由双弧双丝CO2气体保护打底焊机、三弧三丝埋弧焊机、电渣焊机、端面铣床、移动式导轨钻及输送辊道等组成。
1、首先将三面的钢板和里面的加劲板按规定焊接成U型的槽。(见图片1)
关于箱型柱的受力特点比较和箱型柱的焊接方法
2、在有加劲板的侧面位置留上一个槽,以便填充焊料。(见图片2)
关于箱型柱的受力特点比较和箱型柱的焊接方法
3、 盖上第四块钢板,将熔嘴(管状长焊条)插入待焊焊口内,调节熔嘴使其处于焊口的中心并接触到引弧板,再将焊嘴提起20~30mm,拧紧夹头,从熔嘴内插入焊丝送入底部与引弧板相接触,这时焊丝与熔嘴长焊管应在焊口的正中心,焊丝再提起10mm左右,拧紧送丝轮和调直轮,最后检查焊机各部位是否拧紧,加人少量引弧剂和少量焊剂。
4、              采用较高电压短路引弧,引弧后,刚开始送丝速度要慢,即电流小点,以便造渣,此为弧焊过程,电流波动较大,随着焊剂的熔化,形成有一定深度的熔化渣池,温度逐渐升高,这时电流应适当大些,电弧开始消失而转入电渣过程,电流和电压逐渐趋于稳定,随着电渣过程的稳定,可将电流和电压调至附表所示数值,进入正常电渣焊过程,熔化的焊料将加劲板和第四块板焊接成一体。(见图片3)
5、              施焊过程中要密切注意焊机控制箱上电流和电压的变化,根据情况随时调节,并注意熔嘴始终保持在焊口的中心,保证渣池的温度和熔池的形状及深度正常,才能确定焊接质量。
6、              焊接试件均经过超声波检验,无裂纹和未熔合等缺陷。
关于箱型柱的受力特点比较和箱型柱的焊接方法
此种焊接工艺称为“熔嘴电渣焊”,已经非常普遍的应用,经过去加工厂参观和对现场已经焊接好的成品进行观察,此种焊接质量非常好。
而如果用“焊接H型钢”,同样也是工厂加工,因为成品的“轧制H型钢”最大的为HW400x400的,在荷载较大的情况下,不能满足设计的需要。如果改为焊接H型钢,受力情况不如箱型柱,而且并不节省钢材,只是加工费稍微便宜点。
经过调查,钢结构的施工一般为业主供应材料,然后由施工单位加工,也有的是由施工单位总承包。所以箱型柱的加工费用是由施工单位承担的,与业主几乎没有经济联系,但却对业主的施工质量和结构安全度、结构的永久性带来永久性的收益!
鉴于以上受力分析和经济分析,在荷载较大受力情况复杂的情况下设计为“箱型柱”,是经济合理、安全适用的,值得推广。
参考文献
技术标准:1、GB50017-2003《钢结构设计规范》
技术标准:2、GB50011-2001《建筑抗震设计规范》2008年版