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直縫焊管在鋼結構中的應用前景

作者：黎劍峰等    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
摘 要：文章比較了無(wú)縫管、直縫焊管和螺焊管的各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)，提出了鋼結構用鋼管的選型建議，綜述了國內外鋼管結構的應用現狀，分析了直縫焊管在鋼結構中的應用前景。 關(guān)鍵詞：直縫焊管 鋼管結構 應用
    1.前言
    隨著(zhù)人類(lèi)文明的不斷進(jìn)步，許多大空間、大跨度建筑如體育館、展覽館、機場(chǎng)航站樓、地鐵站、大型工業(yè)廠(chǎng)房等不斷涌現出來(lái)，特別是2008年奧運會(huì )在北京召開(kāi)，鋼結構經(jīng)典之作在北京、天津、青島、沈陽(yáng)等地精彩展現，極大地帶動(dòng)國內鋼結構行業(yè)的發(fā)展，給予鋼結構行業(yè)創(chuàng )新發(fā)展的歷史機遇，顯然傳統的鋼筋混凝土結構、木結構、砌筑結構等很難實(shí)現這種大跨度空間結構形式。
    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構性能，人們正是從這些風(fēng)中蘆葦、雨中翠竹中受到啟發(fā)，鋼結構傳統設計理念得到突破，將圓管結構與建筑外形相結合，形成極具魅力的鋼管結構，給世人以無(wú)限的視覺(jué)沖擊和美的享受。鋼管結構的最大優(yōu)點(diǎn)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合在一起。
    由于鋼材產(chǎn)量的快速增長(cháng)、國家政策導向以及鋼結構設計、科研、施工隊伍日益強大等諸多有利因素的影響，鋼管結構憑借其自身優(yōu)越的性能，近年來(lái)其應用得到飛速發(fā)展，應用范圍幾乎涉及所有結構領(lǐng)域，包括房屋建筑、橋梁、堤壩、海洋平臺和塔桅結構等。
    2.鋼管的分類(lèi)及特點(diǎn)
    2.1 鋼管的分類(lèi)
    目前鋼管可按軋制工藝、是否有縫以及截面形狀等方法進(jìn)行分類(lèi)。按軋制工藝分類(lèi)，鋼管可分為熱軋鋼管和冷軋鋼管；按鋼管是否有縫分類(lèi)，鋼管分為無(wú)縫鋼管和焊接鋼管，其中常用焊接鋼管按焊縫種類(lèi)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(lèi)，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(wú)縫鋼管:無(wú)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，鋼結構市場(chǎng)前景不大。
    高頻焊鋼管：高頻焊管管形好，壁厚均勻，焊接產(chǎn)生的內外毛刺通過(guò)相應刀具刮平，在線(xiàn)通過(guò)無(wú)損檢測嚴格控制焊縫質(zhì)量，自動(dòng)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(guò)10mm，管徑一般不超過(guò)16”，鋼結構中特別適合制作管桁架結構。
    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(guò)全長(cháng)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(dòng)化程度較高，相對于無(wú)縫鋼管，生產(chǎn)成本較低，適合制作房屋建筑、橋梁、堤壩、海洋平臺等鋼結構承載用立柱、超大跨度建筑結構以及要求抗風(fēng)抗震的塔桅結構。
    螺旋埋弧焊管：焊縫呈螺旋線(xiàn)分布，焊縫長(cháng)，制管時(shí)邊成型邊焊接，處于動(dòng)態(tài)條件下焊接，焊接應力大，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(shí)由于焊接位置限制，產(chǎn)生的馬鞍形和魚(yú)脊形焊縫，影響美觀(guān)，另外施工過(guò)程中，螺旋焊母管節點(diǎn)處的相貫線(xiàn)焊縫割裂了螺旋縫，產(chǎn)生較大的焊接應力，因而大大削弱構件的安全性能，因此在鋼結構不宜使用螺旋埋弧焊管。
    2.3 鋼管結構的特點(diǎn)
    近年來(lái)鋼管結構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(kāi)，大致可歸納如下：
    1) 截面具有雙軸對稱(chēng)、截面形心和剪心重合等特點(diǎn)，截面慣性矩對各軸相同，作為受彎和受壓構件的優(yōu)勢突出。
    2) 截面閉合，抗扭剛度大、板件局部穩定好。尤其是圓管截面，抵抗扭轉特別有效。
    3）外觀(guān)簡(jiǎn)捷、平滑，桿件可直接焊接于同一點(diǎn)，可不用節點(diǎn)板，以節省鋼材。
    4）相比開(kāi)口截面而言，截面具有表面平整、無(wú)死角以及外表面積小等特點(diǎn)，有利于節省防腐和防火涂料，也便于除塵。
    5）鋼管截面的風(fēng)阻力系數小，當暴露在流體（如風(fēng)、水流）中時(shí)有著(zhù)顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)。
    6）鋼管結構的內部空間可利用。鋼管內填充混凝土（鋼管混凝土結構）不僅能提高構件的承載力，而且還能延長(cháng)構件的耐火極限（平均可達2h）；管內注水，可利用內部水循環(huán)進(jìn)行防火；傳輸液體，如輸油管線(xiàn)，排雨水管等；管內還可以放預應力索，施加體內預應力。
    2.4 鋼管截面與其他截面的性能指標比較
    鋼管結構較其他結構的優(yōu)越性，可從構件的截面特性、受力性能、經(jīng)濟效益等幾個(gè)方面對比得出。表1是幾種常見(jiàn)鋼結構構件截面和物理特性：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(kāi)口截面（H型鋼和工字鋼）的兩個(gè)主軸方向的慣性矩和回轉半徑、截面抗彎模量相差較大，對于在主軸方向平面內單向受彎比較有利，但不宜單獨作軸心受壓構件或斜彎曲（雙向彎曲）構件；而鋼管截面的兩個(gè)主軸方向的慣性矩和回轉半徑、截面抗彎模量相同，單一桿件的穩定性較好；雙軸對稱(chēng)的圓、方（矩）形截面構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(kāi)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，這表面鋼管構件需要的防火和防腐材料要比開(kāi)口截面型鋼節約大約40%；方鋼管與圓鋼管的風(fēng)阻體型系數也遠小于開(kāi)口型鋼構件，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(xué)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）形截面構件表面平整，節點(diǎn)處的相貫線(xiàn)是直線(xiàn)，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(chǎng)館的立柱，既承載又美觀(guān)，方（矩）形管更適用于網(wǎng)架結構。

    3.直縫焊管制造工藝及設備
    直縫焊鋼管具有管形好，成本低，得益于現代化焊管制造工藝。直縫焊管的制造工藝一般有如下幾種方式：ERW，UOE，JCOE以及傳統的三輥成型工藝，前3種成型是長(cháng)輸油氣管線(xiàn)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，每支鋼管可根據客戶(hù)要求定長(cháng)，一般為12m，單支鋼管不存在環(huán)形對接焊縫。而傳統的成型工藝，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(cháng)度不超過(guò)6m，環(huán)形對接縫較多，既影響美觀(guān)，又影響使用，已經(jīng)跟不上鋼結構行業(yè)發(fā)展的要求。
    番禺珠江鋼管有限公司作為特大型專(zhuān)業(yè)直縫焊接鋼管制造企業(yè)，現擁有直縫焊管生產(chǎn)線(xiàn)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(guò)程中的三個(gè)重要工序—— U成型、O成型和擴徑的英文縮寫(xiě)。即將邊部預先按要求彎曲后的鋼板分別在U成型機和O成型機內壓成U形和O形管坯，然后再將O形管坯焊接后進(jìn)行擴徑（Expanding）加工。

    UOE鋼管以其尺寸精度高，殘余應力小，質(zhì)量穩定等優(yōu)點(diǎn)廣泛應用于寒凍地
    1帶，酸性服役環(huán)境，海洋等惡劣工況的長(cháng)輸管線(xiàn)領(lǐng)域。UOE成型法是當今國際上最先進(jìn)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(zhù)稱(chēng)，但設備造價(jià)昂貴，投資規模大。
    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(dòng)約13m長(cháng)的芯軸輥對鋼板進(jìn)行連續旋彎，引起鋼板的JCO彎曲成型,其成型過(guò)程分兩步進(jìn)行：第1步，首先將心軸輥上的縱向分布的液壓控制T型鍵旋轉至6點(diǎn)位置，將鋼板送進(jìn)T型鍵并夾緊，然后鋼板隨心軸逆時(shí)針旋轉，旋至一半，松開(kāi)T型鍵，完成第1步，這時(shí)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，重復第1步動(dòng)作，完成另一半的成型，這時(shí)J形管坯變成開(kāi)口較小的C形管坯，通過(guò)下道預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、應力分布均勻、殘余應力小，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(jìn)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(cháng)度：3～12.5m。
    3.4 ERW機組
    ERW焊管機組從美國引進(jìn)，自動(dòng)化程度高，設備先進(jìn)、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。方管規格為100X100～250X250mm壁厚3.0～10.0mm，矩形管規格：120X80～350X150mm，壁厚3.0～10.0mm.

    4.直縫焊管在鋼結構中應用現狀及前景
    鋼管結構起初用于海上或近海結構，如海洋平臺結構。當時(shí)人們對焊接鋼管節點(diǎn)的性能了解甚少，直到1947年世界上第一個(gè)現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構構件的優(yōu)越性，從而促使人們開(kāi)始探索鋼管結構的性能。而后，在將近半個(gè)多世紀里，世界各國涌現出許多造型獨特、構造優(yōu)美、功能卓越的鋼管結構，如德國Stuttgart機場(chǎng)候機大廳采用鋼管構件鑄鋼節點(diǎn)的樹(shù)形支承結構，具有造型獨特、簡(jiǎn)捷明快的特點(diǎn)；日本大阪的Kansai機場(chǎng)航站樓屋面結構，采用了圓管截面的曲線(xiàn)三角桁架；英國倫敦布什來(lái)恩宮，外露式的圓管截面桁架把立面荷載傳遞到立柱里，管截面內注入水用于防火，正好彌補了鋼結構建筑耐火性差的弱點(diǎn)；還有加拿大多倫多Skydome的開(kāi)合屋蓋、法國戴高樂(lè )機場(chǎng)的高速鐵路火車(chē)站等都是著(zhù)名的鋼管結構建筑。
    我國鋼管結構的發(fā)展要晚于西歐、北美、日本等國，但在最近十年，鋼管結構在我國也得到了飛速發(fā)展。特別是以鳥(niǎo)巢為代表的奧運場(chǎng)館落成，不僅為2008年奧運會(huì )樹(shù)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(kāi)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(jiàn)證，該工程首次采用低合金高強鋼Q460，大大節省了鋼材用量。除此以外，我國先后建成了一些大型的鋼管結構建筑，如國家大劇院、長(cháng)春體育館、上海體育館、虹口體育館、廣州體育館、首都機場(chǎng)新航站樓、成都雙流機場(chǎng)新航站樓、廣州新白云機場(chǎng)航站樓、沈陽(yáng)桃仙機場(chǎng)、濟南遙墻國際機場(chǎng)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(cháng)期不受腐蝕；長(cháng)春體育館是我國首次使用大截面方鋼管的國內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）是國內大型的圓管結構建筑，它的指廊和高架連廊則采用了方管結構。這些鋼管結構的建成對管結構在我國的推廣應用起著(zhù)非常積極的作用。
    鋼管結構作為新型的結構形式，近幾年來(lái)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(lái)自北美鋼鐵研究所的統計數字證實(shí)，隨著(zhù)美國鋼鐵工業(yè)以底層商業(yè)建筑市場(chǎng)為開(kāi)發(fā)目標，鋼管結構的需求也呈上升之勢，1999年的交貨量為225萬(wàn)t，有替代露天結構材料的趨勢。據美國LTV鋼鐵公司估計，在最近5年，美國結構管材的消耗量每年以5%～10%的速度增長(cháng)。日本是一個(gè)多地震國家，建筑業(yè)采用H型鋼結構比較多，但最近幾年也在大力開(kāi)發(fā)和應用鋼管結構，且規格大型化，斷面復雜化，現已生產(chǎn)邊長(cháng)為700mm，壁厚16～32mm的大型鋼管結構，用于建筑結構柱。
    近年來(lái)，隨著(zhù)我國鋼鐵產(chǎn)量的不斷增長(cháng)，鋼結構以其自身的優(yōu)勢，在建筑中所占的比例越來(lái)越大，鋼管結構也取得較大的突破。鋼管結構中的管桁架結構以它獨特的優(yōu)勢受到人們的青睞。管桁架整體性能好，扭轉剛度大且外表美觀(guān)，制作、安裝、翻身、起吊都比較容易；制作的鋼管屋架，具有結構輕、剛度好、節省鋼材，并能充分發(fā)揮材料強度等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在由長(cháng)細比控制的壓桿及支撐系統中采用更為經(jīng)濟。目前采用這種結構的建筑物基本屬于公共建筑，我國現已采用這種結構的建筑物有10多個(gè)，其跨度為50～90m。該結構具有造型美觀(guān)（可建成平板形、圓拱形、任意曲線(xiàn)形）、制作安裝方便、結構穩定性好、屋蓋剛度大、經(jīng)濟效果好等特點(diǎn)。與網(wǎng)架結構相比，管桁架結構省去下弦縱向桿件和網(wǎng)架的球節點(diǎn)，可滿(mǎn)足各種不同建筑形式的要求，尤其是構筑圓拱和任意曲線(xiàn)形狀比網(wǎng)架結構更有優(yōu)勢。從網(wǎng)架結構的受力特點(diǎn)可以看出，當其邊長(cháng)比大于1.5時(shí)，其受力特點(diǎn)從雙向變?yōu)閱蜗蚴芰?，因此對于大多數矩形平面建筑?lái)說(shuō)，主要是單向受力結構。鋼管桁架結構類(lèi)似于平面鋼桁架，屬于單向受力結構，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定性得到了提高，其各向穩定性相同，節省材料用量。鋼管桁架結構是在網(wǎng)架結構的基礎上發(fā)展起來(lái)的，與網(wǎng)架結構相比具有其獨特的優(yōu)越性和實(shí)用性，結構用鋼量也較經(jīng)濟。目前這種結構主要應用在一些大型公共建筑中，在工業(yè)廠(chǎng)房柱及屋架、輕鋼結構和住宅鋼結構中的應用潛力也很大。

    5.結語(yǔ)及建議
    鋼管結構作為一種新型的結構形式，具有廣闊的應用前景，為現代化鋼管企業(yè)的發(fā)展提供了新的機遇，但在目前的推廣應用中仍然有諸多的不利因素，需要用戶(hù)、設計單位、行業(yè)協(xié)會(huì )與生產(chǎn)廠(chǎng)家多方共同推動(dòng)：
    1）已有的規范有待進(jìn)一步完善。例如規范中的空間KK、KT、TT等節點(diǎn)承載力公式中，沒(méi)有充分考慮到空間節點(diǎn)腹桿間的相互作用對節點(diǎn)承載力的影響；冷成型方管中截面圓角效應對節點(diǎn)承載力的影響；實(shí)際工程中，交錯焊縫的影響；殘余應力、疲勞破壞和節點(diǎn)的剛度問(wèn)題等需進(jìn)一步規范和完善。
    2）應盡早制訂相關(guān)鋼管結構的設計施工規程、規范。直縫焊管生產(chǎn)成本低、價(jià)格較合理，且冷彎加工后冷作硬化鋼材強度提高，具有廣闊的應用前景。螺旋焊管本身存在著(zhù)較嚴重的質(zhì)量隱患，不太安全，在鋼管結構中不宜使用，而無(wú)縫鋼管的生產(chǎn)成本較高，市場(chǎng)的應用前景不大。
    3）需要對新型管節點(diǎn)進(jìn)行研究。新的結構形式不斷產(chǎn)生新的節點(diǎn)形式，對于相當一部分工程中出現的管節點(diǎn)，缺乏設計規范的指導。例如主管為方管、支管為圓管的節點(diǎn)，方矩形主管旋轉45°后斜置斷面節點(diǎn)，雙弦桿節點(diǎn)等。
    4）鋼管結構設計時(shí)可考慮采用低合金高強度結構鋼或高鋼級管線(xiàn)鋼，對降低工程造價(jià)應該大有幫助。
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