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也談高強特厚鋼板的應用

作者：蔡益燕    
時(shí)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(gè)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(guò)厚度130mm的鋼板，但鋼材是ASTM A572，其強度為50級，類(lèi)似我國的Q345。而新保利大廈的框架柱，無(wú)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(huì )會(huì )同精工鋼構集團組織國內有關(guān)專(zhuān)家和技術(shù)人員近百人，參觀(guān)了施工現場(chǎng)后，又召開(kāi)了技術(shù)座談會(huì )。交流會(huì )提出的工程簡(jiǎn)介表明，目前在超大跨度和超高層建筑鋼結構中，高強鋼會(huì )應用得越來(lái)越多，比如2008年奧運工程國家體育場(chǎng)、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(huì )上，與會(huì )專(zhuān)家介紹，松花江斜拉橋也采用了舞陽(yáng)鋼廠(chǎng)生產(chǎn)的Q420E鋼材。繼現行國家標準《鋼結構設計規范》GB50017列入Q390和Q420之后，現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(wú)具體規定。而新保利大廈建于北京，為8度的強震區，它的應用對鋼結構界提出了新課題。
    美國建筑鋼結構傳統采用厚板，僅從美國70年代林肯焊接基金會(huì )出版的《焊接結構設計》中所舉的實(shí)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(cháng)較大但板厚較薄的截面相比，在相同面積時(shí)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(shí)間,否則就可能出現焊接裂縫。中建三局在深圳發(fā)展中心大廈鋼框架柱施工中，首開(kāi)130mm厚板焊接之先河,由于箱形柱邊長(cháng)超過(guò)1m,一道柱拼接焊縫由兩名焊工不間斷施焊20多小時(shí)才能完成，焊工作業(yè)之艱辛可以想見(jiàn)。所以我們并不提倡在鋼結構中采用極厚板。在高鋼規程JGJ99-98中，規定鋼板厚度不宜超過(guò)100mm，現在看來(lái)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(lái)有四點(diǎn)：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(cháng)率不小于20%(標距50mm); 4)有良好的可焊性。AISC-2002抗震規程明確規定，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(diǎn)345N/mm2（50級）的限值必需堅持。隨著(zhù)現代更高強度新鋼種的出現，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屈服的柱，框架的每個(gè)節點(diǎn)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抗震規程規定，在連接計算時(shí)，要考慮材料的超強系數 。不同材料的超強系數不等,A36為1.5,A572為1.3,A992為1.1, 故采用美國牌號鋼材時(shí)應符合相關(guān)規定。
    國產(chǎn)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(guān)規定，結合我國鋼材的具體情況，對它的應用作出規定，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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