關(guān)于箱型柱的受力特點(diǎn)比較和箱型柱的焊接方法

秦永樂

【摘要】本文結(jié)合工程實(shí)例，分析了普通軋制H型鋼柱與箱型柱的受力特點(diǎn)，介紹了箱型柱的焊接加工方法。由于H型鋼柱只有一個(gè)強(qiáng)軸，在梁柱連接節(jié)點(diǎn)處受力比較復(fù)雜的情況下，一是“節(jié)點(diǎn)域”不能滿足要求，二是按照“強(qiáng)連接弱構(gòu)件”的原則，在地震作用下按地震組合內(nèi)力進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)時(shí)，極限承載力驗(yàn)算不能滿足。而箱型柱由于在X、Y方向均為強(qiáng)軸，加上節(jié)點(diǎn)處的加勁板，形成了較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)域，受力狀況比軋制H型鋼優(yōu)越。

由于目前人們對(duì)箱型柱的認(rèn)識(shí)尚不普遍，本文結(jié)合參觀工廠焊接箱型柱的加工流程，做簡(jiǎn)單介紹。

【關(guān)鍵詞】節(jié)點(diǎn)域；箱型柱；強(qiáng)度；穩(wěn)定

最近筆者在工作中遇到了一個(gè)問題，就是關(guān)于箱型柱焊接方法的問題。

由于筆者做的這個(gè)工程的具體特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)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(gè)5層的化工裝置的鋼結(jié)構(gòu)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(shè)備荷載大都集中在中間位置，頂層一臺(tái)設(shè)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(jīng)過對(duì)各種工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較，中間柱子在梁柱節(jié)點(diǎn)處受力較大：一是“節(jié)點(diǎn)域”不能滿足要求，補(bǔ)強(qiáng)后仍無法滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003第7.4.2條的要求，即節(jié)點(diǎn)域的強(qiáng)度和局部穩(wěn)定不能滿足規(guī)范要求。二是不能滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2001第8.2.8條的要求，即按照“強(qiáng)連接弱構(gòu)件”的原則，在地震作用下按地震組合內(nèi)力進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)時(shí)，極限承載力驗(yàn)算不能滿足。

經(jīng)過筆者多次試算，采用國標(biāo)《熱軋H型鋼和剖分T型鋼》GB/T11263-2005中HW400x400，均不能滿足要求，計(jì)算結(jié)果如下（采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM系列程序）：

1、該柱左側(cè)梁計(jì)算結(jié)果：梁編號(hào)105兩端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)果：

采用鋼截面： H型鋼 HN700X300 700X300X13.0X24.0

梁 105 右端與柱 5 連接節(jié)點(diǎn) （262） ： 設(shè)計(jì)不滿足

2、該柱右側(cè)梁計(jì)算結(jié)果：梁編號(hào)110兩端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)果：（計(jì)算從略）

該柱另外兩側(cè)的鋼梁計(jì)算結(jié)果也同樣不能滿足上述之要求（計(jì)算從略）。

從既經(jīng)濟(jì)又合理的角度考慮，筆者將該柱改為500x500的箱型柱，經(jīng)過計(jì)算

上述兩條均能滿足（計(jì)算結(jié)果從略），而且用鋼量基本接近，但受力狀態(tài)卻是明顯的改善。

這是因?yàn)椤癏型鋼柱”，只有一個(gè)強(qiáng)軸，該處的柱子節(jié)點(diǎn)無論是腹板還是翼緣受力都比較復(fù)雜，因而出現(xiàn)上述不滿足規(guī)范的情況。

而“箱型柱”的受力在四個(gè)方向均是強(qiáng)軸，兩軸的抵抗矩相等，特別是本工程中間這個(gè)柱子，四個(gè)方向的力都集中到這個(gè)柱子上，鋼梁與柱子相連接處的節(jié)點(diǎn)受力較大。

但由于箱型柱有它的受力特點(diǎn)，能較好的解決這個(gè)問題，因而是比較合理的受力結(jié)構(gòu)體系。

但很多業(yè)主甚至是有些工程技術(shù)人員對(duì)“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(jìn)去的，所以有時(shí)不被接受。由于筆者所承擔(dān)的工程的特點(diǎn)，曾在近10套化工裝置中采用過箱型柱，在工程實(shí)際中就遇到了這樣的問題。

前段時(shí)間筆者與一些同行們?nèi)スS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(xiàn)場(chǎng)焊接，因?yàn)檫@是一套專門加工制作箱型柱的流水線，該生產(chǎn)線主要由雙弧雙絲CO2氣體保護(hù)打底焊機(jī)、三弧三絲埋弧焊機(jī)、電渣焊機(jī)、端面銑床、移動(dòng)式導(dǎo)軌鉆及輸送輥道等組成。

3、首先將三面的鋼板和里面的加勁板按規(guī)定焊接成U型的槽。

4、在有加勁板的側(cè)面位置留上一個(gè)槽，以便填充焊料。

5、蓋上第四塊鋼板，將熔嘴（管狀長(zhǎng)焊條）插入待焊焊口內(nèi)，調(diào)節(jié)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(nèi)插入焊絲送入底部與引弧板相接觸，這時(shí)焊絲與熔嘴長(zhǎng)焊管應(yīng)在焊口的正中心，焊絲再提起10mm左右，擰緊送絲輪和調(diào)直輪，最后檢查焊機(jī)各部位是否擰緊，加人少量引弧劑和少量焊劑。

6、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(diǎn)，以便造渣，此為弧焊過程，電流波動(dòng)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(shí)電流應(yīng)適當(dāng)大些，電弧開始消失而轉(zhuǎn)入電渣過程，電流和電壓逐漸趨于穩(wěn)定，隨著電渣過程的穩(wěn)定，可將電流和電壓調(diào)至附表所示數(shù)值，進(jìn)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。

7、施焊過程中要密切注意焊機(jī)控制箱上電流和電壓的變化，根據(jù)情況隨時(shí)調(diào)節(jié)，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(zhì)量。

8、焊接試件均經(jīng)過超聲波檢驗(yàn)，無裂紋和未熔合等缺陷。

此種焊接工藝稱為“熔嘴電渣焊”，已經(jīng)非常普遍的應(yīng)用，經(jīng)過去加工廠參觀和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)焊接好的成品進(jìn)行觀察，此種焊接質(zhì)量非常好。

而如果用“焊接H型鋼”，同樣也是工廠加工，因?yàn)槌善返摹败堉艸型鋼”最大的為HW400x400的，在荷載較大的情況下，不能滿足設(shè)計(jì)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(jié)省鋼材。

經(jīng)過調(diào)查，鋼結(jié)構(gòu)的施工一般為業(yè)主供應(yīng)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(fèi)用是包括在施工合同中的，只是到了加工該箱型柱時(shí)，為了圖省事，施工單位就強(qiáng)調(diào)一些加工難度的理由，與業(yè)主幾乎沒有經(jīng)濟(jì)聯(lián)系，但卻對(duì)業(yè)主的施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全度、結(jié)構(gòu)的永久性帶來永久性的收益！

鑒于以上受力分析和經(jīng)濟(jì)分析，在荷載較大受力情況復(fù)雜的情況下設(shè)計(jì)為“箱型柱”，是經(jīng)濟(jì)合理、安全適用的，值得推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》

[2]技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》