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大通高頻焊接H型鋼在鋼結構建筑中的獨特優勢

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （上海大通鋼結構有限公司 盧曉南 高光虎 方大培 葛鴻興）
    [摘 要] 本文介紹上海大通鋼結構公司專業生產高頻焊接H型鋼的優特點，著重指出高頻焊接H型鋼在鋼結構建筑中作屋面梁及墻面檁條應用的獨特優勢，并通過工程實例作了其獨特優勢的分析。
    [關鍵詞] 大通 高頻焊接H型鋼 檁條 獨特優勢
    一、 大通高頻焊接H型鋼在國內外應用概述
    具有節能、可持續循環利用的高頻焊接薄壁H型鋼，是一種符合科學發展觀的高效經濟和用途廣泛的工程建材。1994年，上海大通公司從美國引進專業生產線和日本先進工藝技術，經過在國內多年的市場開發，已經在工業廠房、公共建筑、機場展館、鋼結構住宅、農業大棚等領域廣泛應用。

    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的高頻焊接薄壁H型鋼，年產20萬噸，主要應用在民用住宅，鋼結構房屋建筑已達到150～200萬幢。由于全球熱軋型鋼的產量達到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，國內外工程迫切需要一種優勢互補性的建材，高頻焊接H型鋼的獨特優勢突現出來，市場需求量迅速增長。
    巴特勒、ABC、川琦、BHP等20多家跨國公司進入中國后，大量選用大通高頻焊接H型鋼作建筑鋼結構。近二年，大通公司生產的高頻焊接H鋼已出口美國、泰國、韓國、印尼以及香港、臺灣地區，為國內外推廣應用高頻焊接薄壁H鋼起了示范作用。隨著高頻焊接輕型H型鋼的進一步發展，06年3月，建設部標準委員會對中國建筑工業行業標準（JG/T137-2001）作了進一步修訂，從規格、檢測、精度作了進一步的提高和拓展。
    二、 大通高頻焊接H型鋼作屋面檁條的技術獨特優勢
    高頻焊接薄壁H型鋼之所以截面性能優越，首先是工藝上的先進性。由于采用高頻焊接技術，焊頭在腹板與翼緣之間直接供應高頻電流進行加熱，再通過壓焊輥焊接成型，電力集中在焊縫部，由焊接產生的熱影響少；由于它是在冷狀態下進行焊接加工的，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外平整，精度高，外形美觀；另外，高頻焊接可不經過酸洗清除過程，但仍能保證無雜質夾雜。
    高頻焊接H型鋼規格經濟化。能生產腹板厚度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鋼生產線可生產多種規格產品，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格生產，可大幅節約鋼材。

    高頻焊接H型鋼的生產線加工容易，更換規格方便、迅速，一次生產批量可大可小，因其自重較輕，裁剪與焊接容易，并可任意加工、設計與組合，還可根據用戶要求制造特殊尺寸以配合特殊工程之需。
    由于生產過程中受設備條件限制較少，產品規格多，輕、薄，這使得很多結構復雜、規格眾多的工程構件可以在工廠預先加工，再到工地實施拼裝，縮短現場施工周期。
    由于高頻焊工藝的先進必然導致焊接質量的可靠性，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行連續性的焊接，連續生產能力強，能形成一定的生產規模。特別是能解決其它焊接難以控制形狀的薄規格生產。其焊接部位性能和質量表現在：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咬邊，確認組織熔合；3、在焊接部位的腹板方向加力進行拉力試驗，確認腹板母材斷裂，并顯示標準應力以上的斷裂應力，即母材斷裂而焊處不斷，說明焊接質量是十分可靠的。
    其次，高頻焊接H型鋼與傳統的熱軋工字鋼、熱軋鋼相比具有合理的截面形式，和優良的力學，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約鋼材10～15％，還側向剛度大，在相同截面積的條件下，其側向剛度比工字鋼大1倍以上。由于高頻焊接H型鋼生產工藝的特點，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，確定最經濟合理的截面尺寸與熱軋H型鋼相比起到了優化設計，高頻焊接H型鋼由于諸多的優點，目前已被業主和設計單位廣泛應用于鋼結構工業廠房和鋼結構民用建筑的屋面檁條和其他承重構件中。

    近年來，大通高頻焊接輕型H型鋼輕、薄及加工方便優特點已在工業廠房、倉庫、超市、農業棚架、糧庫、立體停車庫、綜合樓、民用住宅樓領域的應用中體現出明顯的優越性。如：可縮短施工周期30－50％、增加使用面積5％以上、減少濕作業，降低建筑綜合成本20％等等。因此，國家建筑設計部門認定其技術先進，效益顯著，將其列入建設部科技成果重點推廣項目；榮獲國家級重點新產品證書。
    三、大通高頻焊接H鋼作建筑工程檁條應用的分析
    1、大通高頻焊接H型鋼在公共建筑作屋面檁條設計論證
    廣州國際會展中心，屋面圍護系統的骨架以高頻焊接薄壁H型鋼為檁條。本工程地處臺風泛濫的華南地區，風荷載特別大，這對于屋面檁條的設計來說是一大考驗。同時從建筑外觀上考慮屋面圍護系統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鋼次檁條的側向穩定性問題，提高了屋面圍護系統抗風荷能力。
    “世紀之花”??湖南賀龍體育場位于長沙市中心，是全國第五屆城市運動會主會場，該會場由湖南省建筑設計院主設計，浙江精工鋼結構有限公司負責主體結構設計，是一座造型新穎，功能齊全的現代化體育場。
    在浙江精工鋼結構設計人員拿到建筑設計院的設計圖時，讓設計人員為難的是，屋面檁條方面選擇尤其不適宜，多數選擇的是C型鋼和工字鋼，且規格大，含鋼量高，C型鋼的選擇也是需要定制加工的非標材料。設計師在進行復算時，發現該工程的設計存在很大的誤區，就是沒有做風洞試驗，為了確保結構的安全性和可行性，在進行投標時就反復強調結構的可行性，提出采用輕質高強的高頻H鋼為主檁條，并協助設計院與同濟大學進行風洞試驗，證明所得結果比較正確。然后根據設計院的意圖，再進行三種以上軟件的復核，對照JG/T137-2001產品標準，采用3D3S，STS、REA、美國、德國等鋼結構軟件的復核，得出采用300×150×4×6高頻H鋼為主檁條十分科學合理，特別是抗風能力，穩定性方面均十分優越可靠，同時又節約材料，比原來的用鋼量節約100多噸，為國家節約了開支。

    由高頻焊接H型鋼作公共建筑屋面檁條，其制作和施工相當簡捷，由大通公司為制作方，可以做到定長定尺，也可根據用戶需要進行自行組合加工，而且可以做到預沖連接孔，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，但高頻H鋼不會產生這種現象，且無須用節點板與主鋼架連接，這一點將大大節約制作時間和施工速度。如上海浦東國際機場候機樓和新建竣工的廣州新白云機場主航站樓鋼屋蓋檁條及東西兩側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鋼作工業廠房屋面檁條的選擇與施工
    浙江精工鋼構公司主廠房30m跨，每跨均有25噸、10噸、16噸橋吊，吊車起吊高度9米，檐口標高14.5米，跨中間均設園弧型卡普隆氣樓。柱和屋架均采用組合式格構型柱、梁，檁條全部采用高頻焊接H鋼，總用鋼量3050噸。工程的檁條設計。當初按照德國專家的設計要采用114×120×5×8H鋼加60×40×3.2的矩形管制作結構式小梁，每米的重量在35.5kg，且上下均有支撐系統，制作麻煩，施工進度跟不上，而且造價高，精工鋼構在設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，且穩定性不好；若選擇300×150×6×8的角鋼，每米的重量為115kg，且穩定性不好；若選擇300×150×6×8的高頻焊接H鋼，各方面強度、穩定性、剛度、局部穩定等方面均符合要求，每米的重量則降到了32.22kg，而后在設計過程中，為了達到節能的效果，后經優化設計，選擇了350×175×3.2×4.5高頻焊接H鋼作檁條，在進行強度、剛度、整體穩定和局部穩定等方面的復核和校對外，一下子把含鋼量降到每米20.93kg，在檁條這一點上為建設方節約用材300多噸。德國設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，連夸該產品具有很好的推廣價值和使用價值。

    寶鋼集團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。工程主廠房設計為單層排架支多層框架相結合的多跨全鋼結構廠房，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定的前提下設計得更合理一些，而且相應提高單位面積的截面力學參數顯示出力學性能。因此主要構件均采用Q345B，高頻焊接H型鋼主要應用于部分平臺樓面，屋面梁等部位，竣工后的一鋼不銹鋼鋼結構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規格，間距離為2.4M，3M。經分析比較后采用高頻焊H型鋼較為經濟合理見下表：

    由表可知，按常規設計采用高頻焊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省近20噸，建成投產后使用效果良好。
    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，側向剛度大，抗震性能好，因此在重噸位吊車的工業廠房中起到了很好的應用，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計中得到進一步的應用，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型鋼在鋼結構住宅中應用的優越性
    高頻焊接H鋼與傳統型鋼單位重量相同時，規格經濟化，其斷面力矩、斷面系數、耐壓力、承荷重等技術指標均遠高于熱軋型鋼。而且還可方便地生產出異型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，方便設計選用，減少浪費。大通公司H鋼由于其截面獨特的優越性，被設計單位經常采用于工業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，使房屋結構重量減輕，由此建筑物的基礎造價也可降低；在同等承重條件下，結構尺寸合理，可增加室內有效使用面積5％以上，減少空間損失，因此比常規建筑降低綜合成本約20％。另外，總重量的減輕，使運輸、吊裝等機械費用也都得以相應降低。

    低、多層鋼結構住宅結構以柱、梁為主，高層主要以次梁為主。在鋼結構住宅體系中，就產業化而言，高頻焊接H鋼住宅結構體系相對其他建筑材料構成的體系，具有明顯優勢。借鑒國內外有關成功經驗，近年來，大通公司借助材料的優勢與多家企業合作，已經在廣東、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型鋼為框架結構體系為主的低層、多層住宅200多棟。如上海第一棟鋼結構高層住宅其框架梁全部采用大通公司生產的高頻焊輕型H型鋼，其寬度和厚度可以根據設計的要求任意改變，腹板的厚度可以在滿足局部穩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，就等于是節約了20～30％的用鋼量。中福城住宅工程為使構件、節點統一，全部鋼梁采用統一規格，斷面為H320×150×5×8，這使得整個工程梁節點標準化，方便施工和安裝。
    高頻焊接H型鋼具有寬翼薄腹構件的特征，梁-柱構件是輕鋼住宅框架結構體系的基本材料之一。主要受力構件的梁、柱采用高頻焊接H型鋼的結構體系能充分利用高頻焊接H型鋼強軸方向的抗側能力，在強軸方向形成剛性框架；在弱軸方向則利用鋼支撐抵抗側向力，形成支撐一?接框架。

    如由建設部組織實施的鋼結構住宅課題，同濟大學、浙江寶業鋼構、大通公司共同實施攻關的二棟5層鋼結構住宅，住宅部分的鋼梁全部采用大通公司生產的高頻焊輕型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?接節點，鋼梁設計全部采用H鋼組合梁斷面進行計算，現澆混凝土樓板受壓，可節約鋼梁的用鋼量的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型鋼承載優越性。在鋼結構住宅和低、多層住宅中合理的使用高頻焊接H型鋼，可充分發揮其優點，在工程中達到節約鋼材、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構住宅小區其大跨度空間，使戶內有效使用面積比相應磚混結構提高5％。為了研究高頻焊接輕型H型鋼在低多層住宅中的使用，設計方案中分別采用了兩種型鋼以進行比較。

    表1和表2分別是這兩種設計方案中柱和梁的比較表

    從中可以看出，在同樣的結構中，同一構件采用熱軋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。
    結束語：
    大通公司是國內最早引進高頻焊接H鋼生產線，并已有10年專業生產高頻焊H鋼的專業技術，公司堅持走精品之路，嚴格生產工藝，使高頻焊接H鋼的應用領域不斷拓展，設計人員必須充分了解該材料的優特點。 隨著高頻焊接H鋼推廣的深入，為了滿足市場需要，大通的產品規格最新已開發到高度H500，翼緣寬度250mm。近年來，上海浦東國際機場候機樓、廣東新白云機場、北京火車站奧運擴建工程、鐵道部火車提速配套工程、上海科技城、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構廠房等許多重要工程85％都應用高頻焊接H鋼作屋面梁及柃條。
    隨著北京2008年奧運會場館和2010年上海世博會建設高潮迭起，高頻焊接H型鋼將充分展示其優特點，一定能為我國的鋼結構建筑事業的大發展作出更大貢獻。
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