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也談高強特厚鋼板的應用

作者：蔡益燕    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]
中國建筑標準設計研究院
    中國建筑標準設計研究院

    由美國SOM公司設計的新保利大廈鋼框架柱采用了高強特厚鋼板，鋼板最大厚度達140mm, 鋼材屈服強度達420N/mm2，這在我國鋼結構界是個新課題。在此以前，我國八十年代建造的深圳發展中心大廈的框架柱，曾采用過厚度130mm的鋼板，但鋼材是ASTM A572，其強度為50級，類似我國的Q345。而新保利大廈的框架柱，無論厚度還是強度，都達到國內鋼結構的新高。今年3月4日，中國鋼結構協會會同精工鋼構集團組織國內有關專家和技術人員近百人，參觀了施工現場后，又召開了技術座談會。交流會提出的工程簡介表明，目前在超大跨度和超高層建筑鋼結構中，高強鋼會應用得越來越多，比如2008年奧運工程國家體育場、國家游泳中心和中央電視臺塔樓，均部分采用大厚度Q390、Q420、Q460鋼板制作構件。會上，與會專家介紹，松花江斜拉橋也采用了舞陽鋼廠生產的Q420E鋼材。繼現行國家標準《鋼結構設計規范》GB50017列入Q390和Q420之后，現在這些鋼材的應用又提上日程。GB50011僅適應于非抗震鋼結構，對這些高強鋼材的應用并無具體規定。而新保利大廈建于北京，為8度的強震區，它的應用對鋼結構界提出了新課題。
    美國建筑鋼結構傳統采用厚板，僅從美國70年代林肯焊接基金會出版的《焊接結構設計》中所舉的實例就可看出，組合柱的鋼板有厚達7.5英寸（190mm）的。特厚板H 型鋼框架柱與邊長較大但板厚較薄的截面相比，在相同面積時截面模量較小，雖然前者占用的建筑面積較小，但用鋼量增加不少。特別是，厚板焊接柱的拼接，為了保證焊接部位的抗震性能，只能用二氧化碳氣體保護焊作全熔透焊縫，焊絲直徑僅1.2mm, 焊接極其費工, 而且鋼板先要預熱至150℃, 焊工要面對高溫焊件施焊,焊后還要一定的保溫時間,否則就可能出現焊接裂縫。中建三局在深圳發展中心大廈鋼框架柱施工中，首開130mm厚板焊接之先河,由于箱形柱邊長超過1m,一道柱拼接焊縫由兩名焊工不間斷施焊20多小時才能完成，焊工作業之艱辛可以想見。所以我們并不提倡在鋼結構中采用極厚板。在高鋼規程JGJ99-98中，規定鋼板厚度不宜超過100mm，現在看來仍然是適宜的，只是在不得已的情況下才應考慮用100mm以上的特厚板。
    美國對焊接結構鋼抗震設計的要求歷來有四點：1）強屈比不小于1.2(1997年改為屈強比不大于0.85); 2) 有明顯的屈服臺階; 3)伸長率不小于20%(標距50mm); 4)有良好的可焊性。AISC-2002抗震規程明確規定，不符合上述標準的鋼材不得采用。為了在設計地震作用下具有預期的非彈性性能，最低屈服點345N/mm2（50級）的限值必需堅持。隨著現代更高強度新鋼種的出現，如A913/A913M（50級（345）或65級（450））或A992/A992M，通常認為對抗震框架柱具有可接受的性能，但只能用于僅在柱腳出現屈服的柱，框架的每個節點必需確保強柱弱梁。用于柱腳底板的鋼材，應符合A283D級的要求。
    AISC-2002抗震規程規定，在連接計算時，要考慮材料的超強系數 。不同材料的超強系數不等,A36為1.5,A572為1.3,A992為1.1, 故采用美國牌號鋼材時應符合相關規定。
    國產鋼材已有Q390、Q420和Q460的強度等級，它們在抗震結構中的應用宜參考美國相關規定，結合我國鋼材的具體情況，對它的應用作出規定，以確保結構的抗震性能。
    參考文獻
    1． Design of welded Structures, The James F.Lincoln Arc Welding Foundation, 1966, 12th
    printing ,1982
    2. AISC Seismic Provision for Structural Steel Buildings, 2002
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