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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(fā)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(xié)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(xiàn)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(xiàn)行國家標準《鋼結構設計規(guī)范》GB50017列入Q390和Q420之后,現(xiàn)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(guī)定。而新保利大廈建于北京,為8度的強震區(qū),它的應用對鋼結構界提出了新課題。
    美國建筑鋼結構傳統(tǒng)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(xiàn)焊接裂縫。中建三局在深圳發(fā)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(yè)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(guī)程JGJ99-98中,規(guī)定鋼板厚度不宜超過100mm,現(xiàn)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(guī)程明確規(guī)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(xiàn)代更高強度新鋼種的出現(xiàn),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(xiàn)屈服的柱,框架的每個節(jié)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(guī)程規(guī)定,在連接計算時,要考慮材料的超強系數(shù) 。不同材料的超強系數(shù)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(guī)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(guī)定,結合我國鋼材的具體情況,對它的應用作出規(guī)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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