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直縫焊管在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用前景

作者：黎劍峰等    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
摘 要：文章比較了無縫管、直縫焊管和螺焊管的各自優(yōu)缺點，提出了鋼結(jié)構(gòu)用鋼管的選型建議，綜述了國內(nèi)外鋼管結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了直縫焊管在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：直縫焊管 鋼管結(jié)構(gòu) 應(yīng)用
    1.前言
    隨著人類文明的不斷進步，許多大空間、大跨度建筑如體育館、展覽館、機場航站樓、地鐵站、大型工業(yè)廠房等不斷涌現(xiàn)出來，特別是2008年奧運會在北京召開，鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)典之作在北京、天津、青島、沈陽等地精彩展現(xiàn)，極大地帶動國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展，給予鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的歷史機遇，顯然傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)、砌筑結(jié)構(gòu)等很難實現(xiàn)這種大跨度空間結(jié)構(gòu)形式。
    自然界中的許多例子顯示了圓管形狀在受壓、受扭以及多方向受彎下的卓越的結(jié)構(gòu)性能，人們正是從這些風中蘆葦、雨中翠竹中受到啟發(fā)，鋼結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)設(shè)計理念得到突破，將圓管結(jié)構(gòu)與建筑外形相結(jié)合，形成極具魅力的鋼管結(jié)構(gòu)，給世人以無限的視覺沖擊和美的享受。鋼管結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是能將人們對建筑物的功能要求、感官要求以及經(jīng)濟效益要求完美地結(jié)合在一起。
    由于鋼材產(chǎn)量的快速增長、國家政策導向以及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、科研、施工隊伍日益強大等諸多有利因素的影響，鋼管結(jié)構(gòu)憑借其自身優(yōu)越的性能，近年來其應(yīng)用得到飛速發(fā)展，應(yīng)用范圍幾乎涉及所有結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，包括房屋建筑、橋梁、堤壩、海洋平臺和塔桅結(jié)構(gòu)等。
    2.鋼管的分類及特點
    2.1 鋼管的分類
    目前鋼管可按軋制工藝、是否有縫以及截面形狀等方法進行分類。按軋制工藝分類，鋼管可分為熱軋鋼管和冷軋鋼管；按鋼管是否有縫分類，鋼管分為無縫鋼管和焊接鋼管，其中常用焊接鋼管按焊縫種類又可分為高頻焊管、直縫埋弧焊管、螺旋埋弧焊管等3種；按截面形狀分類，鋼管可分為圓管和方矩形管。
    2.2 幾種鋼管的比較和選型
    無縫鋼管:無縫鋼管的壁厚可以較厚，但生產(chǎn)成本高，而且管徑也受到一定程度的限制，鋼結(jié)構(gòu)市場前景不大。
    高頻焊鋼管：高頻焊管管形好，壁厚均勻，焊接產(chǎn)生的內(nèi)外毛刺通過相應(yīng)刀具刮平，在線通過無損檢測嚴格控制焊縫質(zhì)量，自動化程度很高，生產(chǎn)成本低廉，但壁厚相對較薄，管徑相對較小，壁厚一般不超過10mm，管徑一般不超過16”，鋼結(jié)構(gòu)中特別適合制作管桁架結(jié)構(gòu)。
    直縫埋弧焊管：采用雙面埋弧焊焊接工藝，在靜態(tài)條件下焊接，焊縫質(zhì)量高，焊縫短，產(chǎn)生缺陷的幾率很小，鋼管通過全長機械或水壓擴徑，管形好，尺寸精確，鋼管壁厚范圍和管徑范圍較寬，管徑范圍可達16”～72”，壁厚范圍可達6.0mm～60mm，自動化程度較高，相對于無縫鋼管，生產(chǎn)成本較低，適合制作房屋建筑、橋梁、堤壩、海洋平臺等鋼結(jié)構(gòu)承載用立柱、超大跨度建筑結(jié)構(gòu)以及要求抗風抗震的塔桅結(jié)構(gòu)。
    螺旋埋弧焊管：焊縫呈螺旋線分布，焊縫長，制管時邊成型邊焊接，處于動態(tài)條件下焊接，焊接應(yīng)力大，產(chǎn)生缺陷的幾率很大，且具有延遲性，其抗彎、抗壓和抗扭性能不如直縫埋弧焊管，同時由于焊接位置限制，產(chǎn)生的馬鞍形和魚脊形焊縫，影響美觀，另外施工過程中，螺旋焊母管節(jié)點處的相貫線焊縫割裂了螺旋縫，產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，因而大大削弱構(gòu)件的安全性能，因此在鋼結(jié)構(gòu)不宜使用螺旋埋弧焊管。
    2.3 鋼管結(jié)構(gòu)的特點
    近年來鋼管結(jié)構(gòu)之所以倍受人們親睞，和鋼管本身具有的優(yōu)異特性分不開，大致可歸納如下：
    1) 截面具有雙軸對稱、截面形心和剪心重合等特點，截面慣性矩對各軸相同，作為受彎和受壓構(gòu)件的優(yōu)勢突出。
    2) 截面閉合，抗扭剛度大、板件局部穩(wěn)定好。尤其是圓管截面，抵抗扭轉(zhuǎn)特別有效。
    3）外觀簡捷、平滑，桿件可直接焊接于同一點，可不用節(jié)點板，以節(jié)省鋼材。
    4）相比開口截面而言，截面具有表面平整、無死角以及外表面積小等特點，有利于節(jié)省防腐和防火涂料，也便于除塵。
    5）鋼管截面的風阻力系數(shù)小，當暴露在流體（如風、水流）中時有著顯著的優(yōu)點。
    6）鋼管結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間可利用。鋼管內(nèi)填充混凝土（鋼管混凝土結(jié)構(gòu)）不僅能提高構(gòu)件的承載力，而且還能延長構(gòu)件的耐火極限（平均可達2h）；管內(nèi)注水，可利用內(nèi)部水循環(huán)進行防火；傳輸液體，如輸油管線，排雨水管等；管內(nèi)還可以放預(yù)應(yīng)力索，施加體內(nèi)預(yù)應(yīng)力。
    2.4 鋼管截面與其他截面的性能指標比較
    鋼管結(jié)構(gòu)較其他結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，可從構(gòu)件的截面特性、受力性能、經(jīng)濟效益等幾個方面對比得出。表1是幾種常見鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和物理特性：H型鋼、工字鋼、方鋼管、圓鋼管，表1中各截面的單位質(zhì)量相近。從表1中的對比可以看出，開口截面（H型鋼和工字鋼）的兩個主軸方向的慣性矩和回轉(zhuǎn)半徑、截面抗彎模量相差較大，對于在主軸方向平面內(nèi)單向受彎比較有利，但不宜單獨作軸心受壓構(gòu)件或斜彎曲（雙向彎曲）構(gòu)件；而鋼管截面的兩個主軸方向的慣性矩和回轉(zhuǎn)半徑、截面抗彎模量相同，單一桿件的穩(wěn)定性較好；雙軸對稱的圓、方（矩）形截面構(gòu)件的截面形心和剪心重合，具有良好的抗扭特性；對于相同斷面面積的管材（圓鋼管、方（矩）形鋼管）和開口截面型材（H型鋼、工字鋼），前者的外表面積約為后者的0.6倍，這表面鋼管構(gòu)件需要的防火和防腐材料要比開口截面型鋼節(jié)約大約40%；方鋼管與圓鋼管的風阻體型系數(shù)也遠小于開口型鋼構(gòu)件，適宜暴露在室外及流體中。
    圓鋼管與方（矩）形鋼管的性能也略有差異。在力學性能方面，方鋼管的抗彎性能要好于圓鋼管，抗扭性能要略遜于圓鋼管。但方（矩）形截面構(gòu)件表面平整，節(jié)點處的相貫線是直線，更便于制作安裝。從人們審美角度和尺寸范圍看，圓管更適用于大型場館的立柱，既承載又美觀，方（矩）形管更適用于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

    3.直縫焊管制造工藝及設(shè)備
    直縫焊鋼管具有管形好，成本低，得益于現(xiàn)代化焊管制造工藝。直縫焊管的制造工藝一般有如下幾種方式：ERW，UOE，JCOE以及傳統(tǒng)的三輥成型工藝，前3種成型是長輸油氣管線的主要生產(chǎn)方式，采用高頻焊或多絲埋弧焊焊接技術(shù)，生產(chǎn)效率較高，每支鋼管可根據(jù)客戶要求定長，一般為12m，單支鋼管不存在環(huán)形對接焊縫。而傳統(tǒng)的成型工藝，采用三輥成型卷制鋼管和單絲焊工藝，其生產(chǎn)效率低下，且受成型工藝的影響，單管長度不超過6m，環(huán)形對接縫較多，既影響美觀，又影響使用，已經(jīng)跟不上鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)展的要求。
    番禺珠江鋼管有限公司作為特大型專業(yè)直縫焊接鋼管制造企業(yè)，現(xiàn)擁有直縫焊管生產(chǎn)線4條，包括：UOE機組1條，折彎式JCOE機組1條，旋壓式JCOE機組1條，ERW機組1條，幾乎囊括所有當代最新直縫制管技術(shù)和工藝。
    3.1 UOE制管機組
    UOE是焊管成型過程中的三個重要工序—— U成型、O成型和擴徑的英文縮寫。即將邊部預(yù)先按要求彎曲后的鋼板分別在U成型機和O成型機內(nèi)壓成U形和O形管坯，然后再將O形管坯焊接后進行擴徑（Expanding）加工。

    UOE鋼管以其尺寸精度高，殘余應(yīng)力小，質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于寒凍地
    1帶，酸性服役環(huán)境，海洋等惡劣工況的長輸管線領(lǐng)域。UOE成型法是當今國際上最先進的成形方法，作為大口徑直縫埋弧焊管生產(chǎn)工藝 UOE法以生產(chǎn)效率高和產(chǎn)品質(zhì)量好著稱，但設(shè)備造價昂貴，投資規(guī)模大。
    3.2 旋壓式JCOE機組
    旋壓式JCOE機組，其成型工作原理是采用液壓馬達帶動約13m長的芯軸輥對鋼板進行連續(xù)旋彎，引起鋼板的JCO彎曲成型,其成型過程分兩步進行：第1步，首先將心軸輥上的縱向分布的液壓控制T型鍵旋轉(zhuǎn)至6點位置，將鋼板送進T型鍵并夾緊，然后鋼板隨心軸逆時針旋轉(zhuǎn)，旋至一半，松開T型鍵，完成第1步，這時鋼板由“一”字形變成J形；第2步，將J形管坯推至心軸的另一邊，重復(fù)第1步動作，完成另一半的成型，這時J形管坯變成開口較小的C形管坯，通過下道預(yù)焊工序而將管坯變成O形。該成型方式，具有成型精度高、成型速度快、應(yīng)力分布均勻、殘余應(yīng)力小，而且換?？旖?，特別適合中小批量鋼管的生產(chǎn)。
    3.3 折彎式JCOE機組
    折彎式JCOE機組，其成型方式為步進式壓力折彎成型，壓力和步間距均由計算機精確控制，工作壓力最大可達到5200噸，對16Mn成型壁厚可達50mm，是目前國內(nèi)最大的折彎成型機組。產(chǎn)品直徑：16＂～64＂（φ406～φ1800mm），壁厚：6.4～60mm，材質(zhì)：B級～X80，單管長度：3～12.5m。
    3.4 ERW機組
    ERW焊管機組從美國引進，自動化程度高，設(shè)備先進、產(chǎn)品有圓管、方、矩形管和鋼板樁。圓管外為
    4″～14″（Ф114mm～Ф355mm），壁厚3.0mm～12.7mm，材質(zhì)達X70。方管規(guī)格為100X100～250X250mm壁厚3.0～10.0mm，矩形管規(guī)格：120X80～350X150mm，壁厚3.0～10.0mm.

    4.直縫焊管在鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用現(xiàn)狀及前景
    鋼管結(jié)構(gòu)起初用于海上或近海結(jié)構(gòu)，如海洋平臺結(jié)構(gòu)。當時人們對焊接鋼管節(jié)點的性能了解甚少，直到1947年世界上第一個現(xiàn)代化的海洋平臺在墨西哥海灣建成后，人們才真正認識到鋼管作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)越性，從而促使人們開始探索鋼管結(jié)構(gòu)的性能。而后，在將近半個多世紀里，世界各國涌現(xiàn)出許多造型獨特、構(gòu)造優(yōu)美、功能卓越的鋼管結(jié)構(gòu)，如德國Stuttgart機場候機大廳采用鋼管構(gòu)件鑄鋼節(jié)點的樹形支承結(jié)構(gòu)，具有造型獨特、簡捷明快的特點；日本大阪的Kansai機場航站樓屋面結(jié)構(gòu)，采用了圓管截面的曲線三角桁架；英國倫敦布什來恩宮，外露式的圓管截面桁架把立面荷載傳遞到立柱里，管截面內(nèi)注入水用于防火，正好彌補了鋼結(jié)構(gòu)建筑耐火性差的弱點；還有加拿大多倫多Skydome的開合屋蓋、法國戴高樂機場的高速鐵路火車站等都是著名的鋼管結(jié)構(gòu)建筑。
    我國鋼管結(jié)構(gòu)的發(fā)展要晚于西歐、北美、日本等國，但在最近十年，鋼管結(jié)構(gòu)在我國也得到了飛速發(fā)展。特別是以鳥巢為代表的奧運場館落成，不僅為2008年奧運會樹立一座獨特的歷史性的標志性建筑，而且在世界建筑發(fā)展史上也具有開創(chuàng)性意義，為21世紀的中國和世界建筑發(fā)展提供歷史見證，該工程首次采用低合金高強鋼Q460，大大節(jié)省了鋼材用量。除此以外，我國先后建成了一些大型的鋼管結(jié)構(gòu)建筑，如國家大劇院、長春體育館、上海體育館、虹口體育館、廣州體育館、首都機場新航站樓、成都雙流機場新航站樓、廣州新白云機場航站樓、沈陽桃仙機場、濟南遙墻國際機場等，其中，國家大劇院大廳立柱首次采用耐火耐候埋弧焊鋼管，鋼管由珠江鋼管公司提供，可在600℃以上的溫度下，不變形不軟化，在室外不作任何防腐操施的情況下，可長期不受腐蝕；長春體育館是我國首次使用大截面方鋼管的國內(nèi)最大跨度的方鋼管網(wǎng)殼工程；廣州新白云國際航站樓屋蓋（表2）是國內(nèi)大型的圓管結(jié)構(gòu)建筑，它的指廊和高架連廊則采用了方管結(jié)構(gòu)。這些鋼管結(jié)構(gòu)的建成對管結(jié)構(gòu)在我國的推廣應(yīng)用起著非常積極的作用。
    鋼管結(jié)構(gòu)作為新型的結(jié)構(gòu)形式，近幾年來在世界各國得到了迅速發(fā)展。最近5年，歐洲的鋼管用量增加了25%。來自北美鋼鐵研究所的統(tǒng)計數(shù)字證實，隨著美國鋼鐵工業(yè)以底層商業(yè)建筑市場為開發(fā)目標，鋼管結(jié)構(gòu)的需求也呈上升之勢，1999年的交貨量為225萬t，有替代露天結(jié)構(gòu)材料的趨勢。據(jù)美國LTV鋼鐵公司估計，在最近5年，美國結(jié)構(gòu)管材的消耗量每年以5%～10%的速度增長。日本是一個多地震國家，建筑業(yè)采用H型鋼結(jié)構(gòu)比較多，但最近幾年也在大力開發(fā)和應(yīng)用鋼管結(jié)構(gòu)，且規(guī)格大型化，斷面復(fù)雜化，現(xiàn)已生產(chǎn)邊長為700mm，壁厚16～32mm的大型鋼管結(jié)構(gòu)，用于建筑結(jié)構(gòu)柱。
    近年來，隨著我國鋼鐵產(chǎn)量的不斷增長，鋼結(jié)構(gòu)以其自身的優(yōu)勢，在建筑中所占的比例越來越大，鋼管結(jié)構(gòu)也取得較大的突破。鋼管結(jié)構(gòu)中的管桁架結(jié)構(gòu)以它獨特的優(yōu)勢受到人們的青睞。管桁架整體性能好，扭轉(zhuǎn)剛度大且外表美觀，制作、安裝、翻身、起吊都比較容易；制作的鋼管屋架，具有結(jié)構(gòu)輕、剛度好、節(jié)省鋼材，并能充分發(fā)揮材料強度等優(yōu)點，尤其是在由長細比控制的壓桿及支撐系統(tǒng)中采用更為經(jīng)濟。目前采用這種結(jié)構(gòu)的建筑物基本屬于公共建筑，我國現(xiàn)已采用這種結(jié)構(gòu)的建筑物有10多個，其跨度為50～90m。該結(jié)構(gòu)具有造型美觀（可建成平板形、圓拱形、任意曲線形）、制作安裝方便、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、屋蓋剛度大、經(jīng)濟效果好等特點。與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相比，管桁架結(jié)構(gòu)省去下弦縱向桿件和網(wǎng)架的球節(jié)點，可滿足各種不同建筑形式的要求，尤其是構(gòu)筑圓拱和任意曲線形狀比網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢。從網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力特點可以看出，當其邊長比大于1.5時，其受力特點從雙向變?yōu)閱蜗蚴芰Γ虼藢τ诖蠖鄶?shù)矩形平面建筑來說，主要是單向受力結(jié)構(gòu)。鋼管桁架結(jié)構(gòu)類似于平面鋼桁架，屬于單向受力結(jié)構(gòu)，但桁架的上弦由于增大寬度后，使原平面桁架起控制作用的上弦桿件的穩(wěn)定性得到了提高，其各向穩(wěn)定性相同，節(jié)省材料用量。鋼管桁架結(jié)構(gòu)是在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相比具有其獨特的優(yōu)越性和實用性，結(jié)構(gòu)用鋼量也較經(jīng)濟。目前這種結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在一些大型公共建筑中，在工業(yè)廠房柱及屋架、輕鋼結(jié)構(gòu)和住宅鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用潛力也很大。

    5.結(jié)語及建議
    鋼管結(jié)構(gòu)作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，具有廣闊的應(yīng)用前景，為現(xiàn)代化鋼管企業(yè)的發(fā)展提供了新的機遇，但在目前的推廣應(yīng)用中仍然有諸多的不利因素，需要用戶、設(shè)計單位、行業(yè)協(xié)會與生產(chǎn)廠家多方共同推動：
    1）已有的規(guī)范有待進一步完善。例如規(guī)范中的空間KK、KT、TT等節(jié)點承載力公式中，沒有充分考慮到空間節(jié)點腹桿間的相互作用對節(jié)點承載力的影響；冷成型方管中截面圓角效應(yīng)對節(jié)點承載力的影響；實際工程中，交錯焊縫的影響；殘余應(yīng)力、疲勞破壞和節(jié)點的剛度問題等需進一步規(guī)范和完善。
    2）應(yīng)盡早制訂相關(guān)鋼管結(jié)構(gòu)的設(shè)計施工規(guī)程、規(guī)范。直縫焊管生產(chǎn)成本低、價格較合理，且冷彎加工后冷作硬化鋼材強度提高，具有廣闊的應(yīng)用前景。螺旋焊管本身存在著較嚴重的質(zhì)量隱患，不太安全，在鋼管結(jié)構(gòu)中不宜使用，而無縫鋼管的生產(chǎn)成本較高，市場的應(yīng)用前景不大。
    3）需要對新型管節(jié)點進行研究。新的結(jié)構(gòu)形式不斷產(chǎn)生新的節(jié)點形式，對于相當一部分工程中出現(xiàn)的管節(jié)點，缺乏設(shè)計規(guī)范的指導。例如主管為方管、支管為圓管的節(jié)點，方矩形主管旋轉(zhuǎn)45°后斜置斷面節(jié)點，雙弦桿節(jié)點等。
    4）鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計時可考慮采用低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼或高鋼級管線鋼，對降低工程造價應(yīng)該大有幫助。
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