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    關于箱型柱的受力特點比較和箱型柱的焊接方法
    秦永樂發表于《造價師》
       摘要:本文結合工程實例,分析了普通軋制H型鋼柱與箱型柱的受力特點,介紹了箱型柱的焊接加工方法。由于H型鋼柱只有一個強軸,在梁柱連接節點處受力比較復雜的情況下,一是“節點域”不能滿足要求,二是按照“強連接弱構件”的原則,在地震作用下按地震組合內力進行彈性設計時,極限承載力驗算不能滿足。而箱型柱由于在X、Y方向均為強軸,加上節點處的加勁板,形成了較強的節點域,受力狀況比軋制H型鋼優越。
       由于目前人們對箱型柱的認識尚不普遍,本文結合參觀工廠焊接箱型柱的加工流程,做簡單介紹。
    關鍵詞:節點域  箱型柱 強度 穩定
    最近筆者在工作中遇到了一個問題,就是關于箱型柱焊接方法的問題。
    由于筆者做的這個工程的具體特點,在設計中中間柱子采用了箱型柱,其它柱子采用了熱軋H型鋼。
    這是一個5層的化工裝置的鋼結構框架,共9根柱子,跨距為6米x7米,層高分別為6米、6.3米、5.5米、6.7米和5米。每層的設備荷載大都集中在中間位置,頂層一臺設備的重量就接近100噸,因而中間柱子的受力最大。
    筆者先按9根柱子均采用軋制H型鋼試算,經過對各種工況下的計算結果進行分析比較,中間柱子在梁柱節點處受力較大:一是“節點域”不能滿足要求1,補強后仍無法滿足《鋼結構設計規范》GB50017-2003第7.4.2條的要求,即節點域的強度和局部穩定不能滿足規范要求。二是不能滿足《建筑抗震設計規范》GB50011-2001第8.2.8條的要求,即按照“強連接弱構件”的原則,在地震作用下按地震組合內力進行彈性設計時,極限承載力驗算不能滿足2。經過筆者多次試算,采用國標《熱軋H型鋼和剖分T型鋼》GB/T11263-1998中HW400x400,均不能滿足要求。從既經濟又合理的角度考慮,筆者將該柱改為500x500的箱型柱,經過計算,上述兩條均能滿足,而且用鋼量基本接近,但受力狀態卻是明顯的改善。
    這是因為“H型鋼柱”,只有一個強軸,該處的柱子節點無論是腹板還是翼緣受力都比較復雜,因而出現上述不滿足規范的情況。
    而“箱型柱”的受力在四個方向均是強軸,兩軸的抵抗矩相等,特別是本工程中間這個柱子,四個方向的力都集中到這個柱子上,鋼梁與柱子相連接處的節點受力較大。
    但由于箱型柱有它的受力特點,能較好的解決這個問題,因而是比較合理的受力結構體系。
    但很多業主甚至是有些工程技術人員對“箱型柱”的了解很少,甚至聞所未聞,更有甚者是很多人不知道箱型柱里面的加勁板(隔板)是如何焊進去的,所以有時不被接受。由于筆者所承擔的工程的特點,曾在近10套化工裝置中采用過箱型柱,在工程實際中就遇到了這樣的問題。
    前段時間筆者與一些同行們去工廠參觀了箱型柱的加工制作過程:
    箱型柱的焊接必須在工廠加工,不能在現場焊接,因為這是一套專門加工制作箱型柱的流水線,該生產線主要由雙弧雙絲CO2氣體保護打底焊機、三弧三絲埋弧焊機、電渣焊機、端面銑床、移動式導軌鉆及輸送輥道等組成。
    1、首先將三面的鋼板和里面的加勁板按規定焊接成U型的槽。(見圖片1)
    關于箱型柱的受力特點比較和箱型柱的焊接方法
    2、在有加勁板的側面位置留上一個槽,以便填充焊料。(見圖片2)
    關于箱型柱的受力特點比較和箱型柱的焊接方法
    3、 蓋上第四塊鋼板,將熔嘴(管狀長焊條)插入待焊焊口內,調節熔嘴使其處于焊口的中心并接觸到引弧板,再將焊嘴提起20~30mm,擰緊夾頭,從熔嘴內插入焊絲送入底部與引弧板相接觸,這時焊絲與熔嘴長焊管應在焊口的正中心,焊絲再提起10mm左右,擰緊送絲輪和調直輪,最后檢查焊機各部位是否擰緊,加人少量引弧劑和少量焊劑。
    4、              采用較高電壓短路引弧,引弧后,剛開始送絲速度要慢,即電流小點,以便造渣,此為弧焊過程,電流波動較大,隨著焊劑的熔化,形成有一定深度的熔化渣池,溫度逐漸升高,這時電流應適當大些,電弧開始消失而轉入電渣過程,電流和電壓逐漸趨于穩定,隨著電渣過程的穩定,可將電流和電壓調至附表所示數值,進入正常電渣焊過程,熔化的焊料將加勁板和第四塊板焊接成一體。(見圖片3)
    5、              施焊過程中要密切注意焊機控制箱上電流和電壓的變化,根據情況隨時調節,并注意熔嘴始終保持在焊口的中心,保證渣池的溫度和熔池的形狀及深度正常,才能確定焊接質量。
    6、              焊接試件均經過超聲波檢驗,無裂紋和未熔合等缺陷。
    關于箱型柱的受力特點比較和箱型柱的焊接方法
    此種焊接工藝稱為“熔嘴電渣焊”,已經非常普遍的應用,經過去加工廠參觀和對現場已經焊接好的成品進行觀察,此種焊接質量非常好。
    而如果用“焊接H型鋼”,同樣也是工廠加工,因為成品的“軋制H型鋼”最大的為HW400x400的,在荷載較大的情況下,不能滿足設計的需要。如果改為焊接H型鋼,受力情況不如箱型柱,而且并不節省鋼材,只是加工費稍微便宜點。
    經過調查,鋼結構的施工一般為業主供應材料,然后由施工單位加工,也有的是由施工單位總承包。所以箱型柱的加工費用是由施工單位承擔的,與業主幾乎沒有經濟聯系,但卻對業主的施工質量和結構安全度、結構的永久性帶來永久性的收益!
    鑒于以上受力分析和經濟分析,在荷載較大受力情況復雜的情況下設計為“箱型柱”,是經濟合理、安全適用的,值得推廣。
    參考文獻
    技術標準:1、GB50017-2003《鋼結構設計規范》
    技術標準:2、GB50011-2001《建筑抗震設計規范》2008年版
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