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也談高強特厚鋼板的應(yīng)用

作者：蔡益燕    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]
中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院
    中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院

    由美國SOM公司設(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)鋼結(jié)構(gòu)的新高。今年3月4日，中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會會同精工鋼構(gòu)集團組織國內(nèi)有關(guān)專家和技術(shù)人員近百人，參觀了施工現(xiàn)場后，又召開了技術(shù)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(jié)構(gòu)中，高強鋼會應(yīng)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(gòu)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(chǎn)的Q420E鋼材。繼現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017列入Q390和Q420之后，現(xiàn)在這些鋼材的應(yīng)用又提上日程。GB50011僅適應(yīng)于非抗震鋼結(jié)構(gòu)，對這些高強鋼材的應(yīng)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(yīng)用對鋼結(jié)構(gòu)界提出了新課題。
    美國建筑鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)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?xì)怏w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(yù)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(jié)構(gòu)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(yīng)考慮用100mm以上的特厚板。
    美國對焊接結(jié)構(gòu)鋼抗震設(shè)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)的鋼材不得采用。為了在設(shè)計地震作用下具有預(yù)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(rèn)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(yīng)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(yīng)符合相關(guān)規(guī)定。
    國產(chǎn)鋼材已有Q390、Q420和Q460的強度等級，它們在抗震結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用宜參考美國相關(guān)規(guī)定，結(jié)合我國鋼材的具體情況，對它的應(yīng)用作出規(guī)定，以確保結(jié)構(gòu)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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