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大通高頻焊接H型鋼在鋼結(jié)構(gòu)建筑中的獨特優(yōu)勢

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （上海大通鋼結(jié)構(gòu)有限公司 盧曉南 高光虎 方大培 葛鴻興）
    [摘 要] 本文介紹上海大通鋼結(jié)構(gòu)公司專業(yè)生產(chǎn)高頻焊接H型鋼的優(yōu)特點，著重指出高頻焊接H型鋼在鋼結(jié)構(gòu)建筑中作屋面梁及墻面檁條應(yīng)用的獨特優(yōu)勢，并通過工程實例作了其獨特優(yōu)勢的分析。
    [關(guān)鍵詞] 大通 高頻焊接H型鋼 檁條 獨特優(yōu)勢
    一、 大通高頻焊接H型鋼在國內(nèi)外應(yīng)用概述
    具有節(jié)能、可持續(xù)循環(huán)利用的高頻焊接薄壁H型鋼，是一種符合科學(xué)發(fā)展觀的高效經(jīng)濟(jì)和用途廣泛的工程建材。1994年，上海大通公司從美國引進(jìn)專業(yè)生產(chǎn)線和日本先進(jìn)工藝技術(shù)，經(jīng)過在國內(nèi)多年的市場開發(fā)，已經(jīng)在工業(yè)廠房、公共建筑、機(jī)場展館、鋼結(jié)構(gòu)住宅、農(nóng)業(yè)大棚等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

    高頻焊接薄壁H型鋼在日本、美國、歐洲以及東南亞等國家應(yīng)用的比較普及，歐美主要是在建筑屋面?及墻面柃條上占了很大的比例。大通公司股東日本住友金屬生產(chǎn)的高頻焊接薄壁H型鋼，年產(chǎn)20萬噸，主要應(yīng)用在民用住宅，鋼結(jié)構(gòu)房屋建筑已達(dá)到150～200萬幢。由于全球熱軋型鋼的產(chǎn)量達(dá)到2000萬噸以上，主要消耗在建筑的柱和主梁上。為降低綜合用鋼量，國內(nèi)外工程迫切需要一種優(yōu)勢互補(bǔ)性的建材，高頻焊接H型鋼的獨特優(yōu)勢突現(xiàn)出來，市場需求量迅速增長。
    巴特勒、ABC、川琦、BHP等20多家跨國公司進(jìn)入中國后，大量選用大通高頻焊接H型鋼作建筑鋼結(jié)構(gòu)。近二年，大通公司生產(chǎn)的高頻焊接H鋼已出口美國、泰國、韓國、印尼以及香港、臺灣地區(qū)，為國內(nèi)外推廣應(yīng)用高頻焊接薄壁H鋼起了示范作用。隨著高頻焊接輕型H型鋼的進(jìn)一步發(fā)展，06年3月，建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)委員會對中國建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JG/T137-2001）作了進(jìn)一步修訂，從規(guī)格、檢測、精度作了進(jìn)一步的提高和拓展。
    二、 大通高頻焊接H型鋼作屋面檁條的技術(shù)獨特優(yōu)勢
    高頻焊接薄壁H型鋼之所以截面性能優(yōu)越，首先是工藝上的先進(jìn)性。由于采用高頻焊接技術(shù)，焊頭在腹板與翼緣之間直接供應(yīng)高頻電流進(jìn)行加熱，再通過壓焊輥焊接成型，電力集中在焊縫部，由焊接產(chǎn)生的熱影響少；由于它是在冷狀態(tài)下進(jìn)行焊接加工的，這就避免了翼、腹板厚度不均的問題，所以制成的型鋼翼緣內(nèi)外平整，精度高，外形美觀；另外，高頻焊接可不經(jīng)過酸洗清除過程，但仍能保證無雜質(zhì)夾雜。
    高頻焊接H型鋼規(guī)格經(jīng)濟(jì)化。能生產(chǎn)腹板厚度2.2～6.3mm、翼緣厚度2.3～10mm之間的H型鋼，翼緣寬度40～250mm，腹板高度60～500mm。高頻焊接薄壁H鋼生產(chǎn)線可生產(chǎn)多種規(guī)格產(chǎn)品，翼緣與腹板焊接可采取不同鋼號的材料，特別是能解決其它焊接難以控制的薄規(guī)格生產(chǎn)，可大幅節(jié)約鋼材。

    高頻焊接H型鋼的生產(chǎn)線加工容易，更換規(guī)格方便、迅速，一次生產(chǎn)批量可大可小，因其自重較輕，裁剪與焊接容易，并可任意加工、設(shè)計與組合，還可根據(jù)用戶要求制造特殊尺寸以配合特殊工程之需。
    由于生產(chǎn)過程中受設(shè)備條件限制較少，產(chǎn)品規(guī)格多，輕、薄，這使得很多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)格眾多的工程構(gòu)件可以在工廠預(yù)先加工，再到工地實施拼裝，縮短現(xiàn)場施工周期。
    由于高頻焊工藝的先進(jìn)必然導(dǎo)致焊接質(zhì)量的可靠性，高頻焊接薄壁H型鋼特點簡單歸納為二個字：輕、薄。之所以輕、薄是相對熱軋H型鋼重、厚而言。其特點是熱軋和其它焊接型鋼無法比擬的，同時，也是其工藝特點所決定的。大通高頻焊接輕型H型鋼是把縱剪的三條帶鋼進(jìn)行連續(xù)性的焊接，連續(xù)生產(chǎn)能力強(qiáng)，能形成一定的生產(chǎn)規(guī)模。特別是能解決其它焊接難以控制形狀的薄規(guī)格生產(chǎn)。其焊接部位性能和質(zhì)量表現(xiàn)在：1、以組織熔敷寬度為W，W/TW*100％為熔敷率，確保大于100％；2、腹板材料與翼緣材料的接合線在翼緣板材料一側(cè)咬邊，確認(rèn)組織熔合；3、在焊接部位的腹板方向加力進(jìn)行拉力試驗，確認(rèn)腹板母材斷裂，并顯示標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力以上的斷裂應(yīng)力，即母材斷裂而焊處不斷，說明焊接質(zhì)量是十分可靠的。
    其次，高頻焊接H型鋼與傳統(tǒng)的熱軋工字鋼、熱軋鋼相比具有合理的截面形式，和優(yōu)良的力學(xué)，使用性能，為承載能力高、截面模量大，在承載能力相同的情況下可節(jié)約鋼材10～15％，還側(cè)向剛度大，在相同截面積的條件下，其側(cè)向剛度比工字鋼大1倍以上。由于高頻焊接H型鋼生產(chǎn)工藝的特點，截面形式截面尺寸可以由用戶需要靈活選用、定做，具有明顯的合理性，確定最經(jīng)濟(jì)合理的截面尺寸與熱軋H型鋼相比起到了優(yōu)化設(shè)計，高頻焊接H型鋼由于諸多的優(yōu)點，目前已被業(yè)主和設(shè)計單位廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房和鋼結(jié)構(gòu)民用建筑的屋面檁條和其他承重構(gòu)件中。

    近年來，大通高頻焊接輕型H型鋼輕、薄及加工方便優(yōu)特點已在工業(yè)廠房、倉庫、超市、農(nóng)業(yè)棚架、糧庫、立體停車庫、綜合樓、民用住宅樓領(lǐng)域的應(yīng)用中體現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。如：可縮短施工周期30－50％、增加使用面積5％以上、減少濕作業(yè)，降低建筑綜合成本20％等等。因此，國家建筑設(shè)計部門認(rèn)定其技術(shù)先進(jìn)，效益顯著，將其列入建設(shè)部科技成果重點推廣項目；榮獲國家級重點新產(chǎn)品證書。
    三、大通高頻焊接H鋼作建筑工程檁條應(yīng)用的分析
    1、大通高頻焊接H型鋼在公共建筑作屋面檁條設(shè)計論證
    廣州國際會展中心，屋面圍護(hù)系統(tǒng)的骨架以高頻焊接薄壁H型鋼為檁條。本工程地處臺風(fēng)泛濫的華南地區(qū)，風(fēng)荷載特別大，這對于屋面檁條的設(shè)計來說是一大考驗。同時從建筑外觀上考慮屋面圍護(hù)系統(tǒng)的總厚度只允許最大為500mm。而屋面板的總厚度（底板、面板+裝飾板的總厚度）最小為258mm；故檁條的最大允許高度為242mm。這種檁條連接方法不僅有效地控制了檁條的總高度，而且使主次檁條同時與屋面板連接，在屋面板與主次檁條間形成一個緊密的整體，有效地解決了H鋼次檁條的側(cè)向穩(wěn)定性問題，提高了屋面圍護(hù)系統(tǒng)抗風(fēng)荷能力。
    “世紀(jì)之花”??湖南賀龍體育場位于長沙市中心，是全國第五屆城市運(yùn)動會主會場，該會場由湖南省建筑設(shè)計院主設(shè)計，浙江精工鋼結(jié)構(gòu)有限公司負(fù)責(zé)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計，是一座造型新穎，功能齊全的現(xiàn)代化體育場。
    在浙江精工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計人員拿到建筑設(shè)計院的設(shè)計圖時，讓設(shè)計人員為難的是，屋面檁條方面選擇尤其不適宜，多數(shù)選擇的是C型鋼和工字鋼，且規(guī)格大，含鋼量高，C型鋼的選擇也是需要定制加工的非標(biāo)材料。設(shè)計師在進(jìn)行復(fù)算時，發(fā)現(xiàn)該工程的設(shè)計存在很大的誤區(qū)，就是沒有做風(fēng)洞試驗，為了確保結(jié)構(gòu)的安全性和可行性，在進(jìn)行投標(biāo)時就反復(fù)強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的可行性，提出采用輕質(zhì)高強(qiáng)的高頻H鋼為主檁條，并協(xié)助設(shè)計院與同濟(jì)大學(xué)進(jìn)行風(fēng)洞試驗，證明所得結(jié)果比較正確。然后根據(jù)設(shè)計院的意圖，再進(jìn)行三種以上軟件的復(fù)核，對照J(rèn)G/T137-2001產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，采用3D3S，STS、REA、美國、德國等鋼結(jié)構(gòu)軟件的復(fù)核，得出采用300×150×4×6高頻H鋼為主檁條十分科學(xué)合理，特別是抗風(fēng)能力，穩(wěn)定性方面均十分優(yōu)越可靠，同時又節(jié)約材料，比原來的用鋼量節(jié)約100多噸，為國家節(jié)約了開支。

    由高頻焊接H型鋼作公共建筑屋面檁條，其制作和施工相當(dāng)簡捷，由大通公司為制作方，可以做到定長定尺，也可根據(jù)用戶需要進(jìn)行自行組合加工，而且可以做到預(yù)沖連接孔，這就大大的方便了施工單位的制作和安裝。在施工安裝時，原來常用的C型、Z型均容易扭曲和在安裝時失穩(wěn)，但高頻H鋼不會產(chǎn)生這種現(xiàn)象，且無須用節(jié)點板與主鋼架連接，這一點將大大節(jié)約制作時間和施工速度。如上海浦東國際機(jī)場候機(jī)樓和新建竣工的廣州新白云機(jī)場主航站樓鋼屋蓋檁條及東西兩側(cè)的連接樓屋面柃條采用高頻焊接H鋼，建成后十分美觀。
    2、大通高頻焊接H鋼作工業(yè)廠房屋面檁條的選擇與施工
    浙江精工鋼構(gòu)公司主廠房30m跨，每跨均有25噸、10噸、16噸橋吊，吊車起吊高度9米，檐口標(biāo)高14.5米，跨中間均設(shè)園弧型卡普隆氣樓。柱和屋架均采用組合式格構(gòu)型柱、梁，檁條全部采用高頻焊接H鋼，總用鋼量3050噸。工程的檁條設(shè)計。當(dāng)初按照德國專家的設(shè)計要采用114×120×5×8H鋼加60×40×3.2的矩形管制作結(jié)構(gòu)式小梁，每米的重量在35.5kg，且上下均有支撐系統(tǒng)，制作麻煩，施工進(jìn)度跟不上，而且造價高，精工鋼構(gòu)在設(shè)計過程中首先想到了工字鋼，且本工程尚有局部開間為15m，若選擇工字鋼，要50號工字鋼，且還需加焊角鋼，每米的重量為115kg，且穩(wěn)定性不好；若選擇300×150×6×8的角鋼，每米的重量為115kg，且穩(wěn)定性不好；若選擇300×150×6×8的高頻焊接H鋼，各方面強(qiáng)度、穩(wěn)定性、剛度、局部穩(wěn)定等方面均符合要求，每米的重量則降到了32.22kg，而后在設(shè)計過程中，為了達(dá)到節(jié)能的效果，后經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，選擇了350×175×3.2×4.5高頻焊接H鋼作檁條，在進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定等方面的復(fù)核和校對外，一下子把含鋼量降到每米20.93kg，在檁條這一點上為建設(shè)方節(jié)約用材300多噸。德國設(shè)計專家豎起了大拇指，連聲說“OK”，并要求把高頻焊接H鋼的資料帶一份回去，連夸該產(chǎn)品具有很好的推廣價值和使用價值。

    寶鋼集團(tuán)上海一鋼公司不銹鋼工程是我國目前最大的冶金技改工程項目。工程主廠房設(shè)計為單層排架支多層框架相結(jié)合的多跨全鋼結(jié)構(gòu)廠房，由于高頻焊接H鋼截面尺寸的靈活性，截面的高厚比、寬厚比等值在保證局部穩(wěn)定的前提下設(shè)計得更合理一些，而且相應(yīng)提高單位面積的截面力學(xué)參數(shù)顯示出力學(xué)性能。因此主要構(gòu)件均采用Q345B，高頻焊接H型鋼主要應(yīng)用于部分平臺樓面，屋面梁等部位，竣工后的一鋼不銹鋼鋼結(jié)構(gòu)廠房工程被評為上海市“金剛獎”。

    在中日合資的小糸車燈工程設(shè)計中，由于屋面板下有一定的吊掛荷載不能采用冷彎薄壁柃條，但若采用軋制H型鋼其用鋼量稍大，經(jīng)分析比較后，采用了高頻焊H型鋼作屋面柃條，截面為H300×200×6×8規(guī)格，間距離為2.4M，3M。經(jīng)分析比較后采用高頻焊H型鋼較為經(jīng)濟(jì)合理見下表：

    由表可知，按常規(guī)設(shè)計采用高頻焊H型鋼的用鋼量比軋制H型鋼的用鋼量明顯減少，如本工程屋面檁條同比可節(jié)省近20噸，建成投產(chǎn)后使用效果良好。
    高頻焊接H型鋼與其他輕鋼檁條相比，具有明顯的承載能力高，側(cè)向剛度大，抗震性能好，因此在重噸位吊車的工業(yè)廠房中起到了很好的應(yīng)用，上海通用汽車廠工程中50噸吊車廠房都采用了這種檁條，投產(chǎn)后使用效果良好。由于高頻焊接H型的特點，目前還將在一些重型廠房輕設(shè)計中得到進(jìn)一步的應(yīng)用，在上海一批吊車噸位在300噸以上的重型或特重型廠房的輕屋面檁條就采用了高頻焊接H檁條。
    四、高頻焊接H型鋼在鋼結(jié)構(gòu)住宅中應(yīng)用的優(yōu)越性
    高頻焊接H鋼與傳統(tǒng)型鋼單位重量相同時，規(guī)格經(jīng)濟(jì)化，其斷面力矩、斷面系數(shù)、耐壓力、承荷重等技術(shù)指標(biāo)均遠(yuǎn)高于熱軋型鋼。而且還可方便地生產(chǎn)出異型H型鋼（上、下翼緣不等寬，上下翼緣不等厚），因此，截面形式可以按用戶指定的截面尺寸定做，方便設(shè)計選用，減少浪費(fèi)。大通公司H鋼由于其截面獨特的優(yōu)越性，被設(shè)計單位經(jīng)常采用于工業(yè)房屋及民用建筑的屋面檁條上。
    ‘ 高頻焊接H型鋼與熱軋H型鋼和工字鋼相比，施工費(fèi)用低，折算成同樣長度時的價格，由于可定尺供貨，使用中損耗明顯減少；同樣承重條件下，高頻焊接H鋼自重大大輕于熱軋型鋼，使房屋結(jié)構(gòu)重量減輕，由此建筑物的基礎(chǔ)造價也可降低；在同等承重條件下，結(jié)構(gòu)尺寸合理，可增加室內(nèi)有效使用面積5％以上，減少空間損失，因此比常規(guī)建筑降低綜合成本約20％。另外，總重量的減輕，使運(yùn)輸、吊裝等機(jī)械費(fèi)用也都得以相應(yīng)降低。

    低、多層鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)以柱、梁為主，高層主要以次梁為主。在鋼結(jié)構(gòu)住宅體系中，就產(chǎn)業(yè)化而言，高頻焊接H鋼住宅結(jié)構(gòu)體系相對其他建筑材料構(gòu)成的體系，具有明顯優(yōu)勢。借鑒國內(nèi)外有關(guān)成功經(jīng)驗，近年來，大通公司借助材料的優(yōu)勢與多家企業(yè)合作，已經(jīng)在廣東、深圳、新疆、浙江、天津、大連、武漢、上海等地建造起一批以大通高頻焊接H型鋼為框架結(jié)構(gòu)體系為主的低層、多層住宅200多棟。如上海第一棟鋼結(jié)構(gòu)高層住宅其框架梁全部采用大通公司生產(chǎn)的高頻焊輕型H型鋼，其寬度和厚度可以根據(jù)設(shè)計的要求任意改變，腹板的厚度可以在滿足局部穩(wěn)定的條件下做的比軋制H型鋼薄，這就使得在同樣用鋼量的前提下，截面慣性矩比軋制H型鋼增加20～30％，這對于承受彎矩為主的框架梁來說，就等于是節(jié)約了20～30％的用鋼量。中福城住宅工程為使構(gòu)件、節(jié)點統(tǒng)一，全部鋼梁采用統(tǒng)一規(guī)格，斷面為H320×150×5×8，這使得整個工程梁節(jié)點標(biāo)準(zhǔn)化，方便施工和安裝。
    高頻焊接H型鋼具有寬翼薄腹構(gòu)件的特征，梁-柱構(gòu)件是輕鋼住宅框架結(jié)構(gòu)體系的基本材料之一。主要受力構(gòu)件的梁、柱采用高頻焊接H型鋼的結(jié)構(gòu)體系能充分利用高頻焊接H型鋼強(qiáng)軸方向的抗側(cè)能力，在強(qiáng)軸方向形成剛性框架；在弱軸方向則利用鋼支撐抵抗側(cè)向力，形成支撐一?接框架。

    如由建設(shè)部組織實施的鋼結(jié)構(gòu)住宅課題，同濟(jì)大學(xué)、浙江寶業(yè)鋼構(gòu)、大通公司共同實施攻關(guān)的二棟5層鋼結(jié)構(gòu)住宅，住宅部分的鋼梁全部采用大通公司生產(chǎn)的高頻焊輕型H型鋼，如前所述，其截面尺寸可按用戶要求定制，這使住宅部分的鋼梁比軋制H鋼節(jié)約用鋼量約25％。由于本工程住宅部分鋼梁與鋼柱均采用?接節(jié)點，鋼梁設(shè)計全部采用H鋼組合梁斷面進(jìn)行計算，現(xiàn)澆混凝土樓板受壓，可節(jié)約鋼梁的用鋼量的15％，同時也降低了鋼梁的高度，增加了使用空間。
    高頻焊接輕型H型鋼承載優(yōu)越性。在鋼結(jié)構(gòu)住宅和低、多層住宅中合理的使用高頻焊接H型鋼，可充分發(fā)揮其優(yōu)點，在工程中達(dá)到節(jié)約鋼材、降低造價的目的。如由大通H鋼材料建造竣工的廣東東莞和上海松江鋼結(jié)構(gòu)住宅小區(qū)其大跨度空間，使戶內(nèi)有效使用面積比相應(yīng)磚混結(jié)構(gòu)提高5％。為了研究高頻焊接輕型H型鋼在低多層住宅中的使用，設(shè)計方案中分別采用了兩種型鋼以進(jìn)行比較。

    表1和表2分別是這兩種設(shè)計方案中柱和梁的比較表

    從中可以看出，在同樣的結(jié)構(gòu)中，同一構(gòu)件采用熱軋H型鋼時的用鋼量均大于采用高頻焊接輕型H型鋼時的用鋼量，重量比最大時為1.68。
    結(jié)束語：
    大通公司是國內(nèi)最早引進(jìn)高頻焊接H鋼生產(chǎn)線，并已有10年專業(yè)生產(chǎn)高頻焊H鋼的專業(yè)技術(shù)，公司堅持走精品之路，嚴(yán)格生產(chǎn)工藝，使高頻焊接H鋼的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，設(shè)計人員必須充分了解該材料的優(yōu)特點。 隨著高頻焊接H鋼推廣的深入，為了滿足市場需要，大通的產(chǎn)品規(guī)格最新已開發(fā)到高度H500，翼緣寬度250mm。近年來，上海浦東國際機(jī)場候機(jī)樓、廣東新白云機(jī)場、北京火車站奧運(yùn)擴(kuò)建工程、鐵道部火車提速配套工程、上?？萍汲?、F1上海國際賽車場、南京地鐵工程、廣州國際會議中心、鄭州會展中心、湖南賀龍體育場、哈爾濱體育中心以及寶鋼不銹鋼重點工程、寶鋼新日鐵汽車板1800工程、浙江精工大型廠房、上海外高橋船廠、五鋼不銹鋼棒材工程、中日合作小車燈廠房、大眾汽車三期工程及通用汽車鋼結(jié)構(gòu)廠房等許多重要工程85％都應(yīng)用高頻焊接H鋼作屋面梁及柃條。
    隨著北京2008年奧運(yùn)會場館和2010年上海世博會建設(shè)高潮迭起，高頻焊接H型鋼將充分展示其優(yōu)特點，一定能為我國的鋼結(jié)構(gòu)建筑事業(yè)的大發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)。
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