直縫焊管在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用前景

        作者:黎劍峰等    
        時(shí)間:2009-12-22 20:26:03 [收藏]
        摘 要:文章比較了無縫管、直縫焊管和螺焊管的各自優(yōu)缺點(diǎn),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(jìn)步,許多大空間、大跨度建筑如體育館、展覽館、機(jī)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(yùn)會(huì)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(dòng)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(jī)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(shí)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(fēng)中蘆葦、雨中翠竹中受到啟發(fā),鋼結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)是能將人們對建筑物的功能要求、感官要求以及經(jīng)濟(jì)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(dǎo)向以及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、科研、施工隊(duì)伍日益強(qiáng)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(diǎn)
          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(jìn)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(yán)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(jī)械或水壓擴(kuò)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(dá)16”~72”,壁厚范圍可達(dá)6.0mm~60mm,自動(dòng)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(fēng)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(shí)邊成型邊焊接,處于動(dòng)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)
          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(diǎn),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(diǎn),可不用節(jié)點(diǎn)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(diǎn),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(fēng)阻力系數(shù)小,當(dāng)暴露在流體(如風(fēng)、水流)中時(shí)有著顯著的優(yōu)點(diǎn)。
          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(dá)2h);管內(nèi)注水,可利用內(nèi)部水循環(huán)進(jìn)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(biāo)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(jì)效益等幾個(gè)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(gè)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(dú)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(gè)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(fēng)阻體型系數(shù)也遠(yuǎn)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(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(gòu)件表面平整,節(jié)點(diǎn)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(jī)組1條,折彎式JCOE機(jī)組1條,旋壓式JCOE機(jī)組1條,ERW機(jī)組1條,幾乎囊括所有當(dāng)代最新直縫制管技術(shù)和工藝。
          3.1 UOE制管機(jī)組
          UOE是焊管成型過程中的三個(gè)重要工序—— U成型、O成型和擴(kuò)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(jī)和O成型機(jī)內(nèi)壓成U形和O形管坯,然后再將O形管坯焊接后進(jìn)行擴(kuò)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(diǎn)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(dāng)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)量好著稱,但設(shè)備造價(jià)昂貴,投資規(guī)模大。
          3.2 旋壓式JCOE機(jī)組
          旋壓式JCOE機(jī)組,其成型工作原理是采用液壓馬達(dá)帶動(dòng)約13m長的芯軸輥對鋼板進(jìn)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(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(zhuǎn)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(zhuǎn),旋至一半,松開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(fù)第1步動(dòng)作,完成另一半的成型,這時(shí)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(jī)組
          折彎式JCOE機(jī)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(jì)算機(jī)精確控制,工作壓力最大可達(dá)到5200噸,對16Mn成型壁厚可達(dá)50mm,是目前國內(nèi)最大的折彎成型機(jī)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(jī)組
          ERW焊管機(jī)組從美國引進(jìn),自動(dòng)化程度高,設(shè)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(dá)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(dāng)時(shí)人們對焊接鋼管節(jié)點(diǎn)的性能了解甚少,直到1947年世界上第一個(gè)現(xiàn)代化的海洋平臺在墨西哥海灣建成后,人們才真正認(rèn)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(gè)多世紀(jì)里,世界各國涌現(xiàn)出許多造型獨(dú)特、構(gòu)造優(yōu)美、功能卓越的鋼管結(jié)構(gòu),如德國Stuttgart機(jī)場候機(jī)大廳采用鋼管構(gòu)件鑄鋼節(jié)點(diǎn)的樹形支承結(jié)構(gòu),具有造型獨(dú)特、簡捷明快的特點(diǎn);日本大阪的Kansai機(jī)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(bǔ)了鋼結(jié)構(gòu)建筑耐火性差的弱點(diǎn);還有加拿大多倫多Skydome的開合屋蓋、法國戴高樂機(jī)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(yùn)場館落成,不僅為2008年奧運(yùn)會(huì)樹立一座獨(dú)特的歷史性的標(biāo)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(jì)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(qiáng)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(jī)場新航站樓、成都雙流機(jī)場新航站樓、廣州新白云機(jī)場航站樓、沈陽桃仙機(jī)場、濟(jì)南遙墻國際機(jī)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(jì)數(shù)字證實(shí),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(biāo),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(jì),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(gè)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(dú)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(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn),尤其是在由長細(xì)比控制的壓桿及支撐系統(tǒng)中采用更為經(jīng)濟(jì)。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(gè),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(jì)效果好等特點(diǎn)。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(diǎn),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(diǎn)可以看出,當(dāng)其邊長比大于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?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(dú)特的優(yōu)越性和實(shí)用性,結(jié)構(gòu)用鋼量也較經(jīng)濟(jì)。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(jī)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(jì)單位、行業(yè)協(xié)會(huì)與生產(chǎn)廠家多方共同推動(dòng):
          1)已有的規(guī)范有待進(jìn)一步完善。例如規(guī)范中的空間KK、KT、TT等節(jié)點(diǎn)承載力公式中,沒有充分考慮到空間節(jié)點(diǎn)腹桿間的相互作用對節(jié)點(diǎn)承載力的影響;冷成型方管中截面圓角效應(yīng)對節(jié)點(diǎn)承載力的影響;實(shí)際工程中,交錯(cuò)焊縫的影響;殘余應(yīng)力、疲勞破壞和節(jié)點(diǎn)的剛度問題等需進(jìn)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(jì)施工規(guī)程、規(guī)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(qiáng)度提高,具有廣闊的應(yīng)用前景。螺旋焊管本身存在著較嚴(yán)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(diǎn)進(jìn)行研究。新的結(jié)構(gòu)形式不斷產(chǎn)生新的節(jié)點(diǎn)形式,對于相當(dāng)一部分工程中出現(xiàn)的管節(jié)點(diǎn),缺乏設(shè)計(jì)規(guī)范的指導(dǎo)。例如主管為方管、支管為圓管的節(jié)點(diǎn),方矩形主管旋轉(zhuǎn)45°后斜置斷面節(jié)點(diǎn),雙弦桿節(jié)點(diǎn)等。
          4)鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可考慮采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼或高鋼級管線鋼,對降低工程造價(jià)應(yīng)該大有幫助。
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