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【鋼結構▪探讨】新型高強冷彎薄壁型鋼的研究現狀

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      近年來,随着中國鋼結構應用技術的發展,冷彎薄壁型鋼等經濟型材發展很快,與傳統軋制型材相比,冷彎薄壁型鋼具有斷面材料分布合理、回轉半徑大、抗彎和抗扭性能好等特點。它不是像熱軋型鋼以增加材料面積來提高其承載力,而是通過變化型鋼斷面形狀達到提高承載力和節約鋼材的目的。冷彎型鋼,指将薄鋼闆或帶鋼在常溫狀态下通過輥軋或沖壓冷彎成各種形狀的截面型鋼,它用相對較少的材料承受較大的外載,不是單純用增大截面面積,而是通過改變截面形狀的方法獲得,稱之為高效截面型,也稱為鋼制冷彎型材或冷彎型材。随着在美國、澳大利亞等地的廣泛的應用,使人們對如何使它變得更薄、強度更高給予了足夠的重視。

      近幾年來,随着我國科學技術水平的不斷進步,建築業的不斷發展,人們對材料的要求也不斷的提高,提高材料的有效強度和利用率也越來越得到了重視。作為低層鋼結構住宅建築的重要形式之一,冷彎薄壁型鋼龍骨式結構近年來在國外發展迅速,目前在國内市場上也有一定規模的應用。另外,在上世紀80年代末期,有關科研單位就開始着手冷彎薄壁型鋼用于輸電鐵塔的可行性研究,但由于當時冷彎型鋼的價格較高和技術手段不夠完善,加上早期的鐵塔規模都較小,已有的熱軋型鋼完全就可滿足使用要求,項目未能立項。随着中國鋼結構應用技術的發展,冷彎薄壁型鋼等經濟型材發展很快,這些經濟型材用量在逐年增加,加工成本在降低,加上其自身截面的優良性能,經濟效益更為顯著。這為冷彎薄壁型鋼在輸電鐵塔上的應用提供了可能性。其中,高強冷彎薄壁型鋼作為一種節能、環保、利用率高的材料也越來越引起了學者們的重視。

冷彎薄壁型鋼的優勢

      1)可變的産品定尺。一座10噸重的鐵塔通常由近2000根構件組成,鐵塔各構件的長短不一。當前熱軋型鋼都是定尺産品,因此使用熱軋型鋼進行塔材下料時,經常出現材料餘頭,這種由于材料定尺造成的材料損耗多達5%。而冷彎鋼産品可按用戶需要提供各種尺寸的型鋼,成材率高(達99%),下腳餘料少,可有效減少鐵塔加工中的材料損耗。

      2)多樣的形狀。冷彎薄壁型鋼截面形狀的多樣性,可以避免采用90度角鋼隻能将鐵塔設計成方形或矩形以及塔身變坡引起連接構件不共面的弊病,它為設計者設計新型、合理鐵塔開創了靈活條件。如可建立三立柱鐵塔,鐵塔腹杆體系也可進行優化,可設計出更合理的鐵塔腹杆布置,這為設計各種新型鐵塔體系,進一步減輕鐵塔重量、節約材料、減少構件數開創了新途徑。

      3)高強度的型材。對于鋼結構房屋建築采用的高強度材料型鋼,若采用冷彎型鋼産品,可有效避免熱軋型鋼供貨批量限制和軋制工藝困難等缺陷。

      4)防腐問題。由于輸電鐵塔和其他鋼結構建築長期在暴露于大自然環境之中,為保證其安全,通常采用熱鍍鋅防腐。冷彎薄壁型鋼由于截面形狀多變、型鋼壁薄不太适宜熱鍍鋅。目前,一些先進的防腐技術和工藝在不斷地出現,如采用耐候材料和新鍍層工藝,為冷彎薄璧型鋼的防腐提供了良好的解決措施。

      高強耐候鋼的生産工藝已經日趨成熟,已廣泛用于鐵路系統。在輸電鐵塔上采用高強耐候冷彎型鋼材料,與制造鐵塔的傳統生産方式相比,雖材質的一次性投資略高,但由于去掉了防腐工序,其經濟效益和社會效益顯著,經粗步測算,每噸成本可下降20%左右。

高強冷彎薄壁型鋼的特點及存在的問題

      冷彎型鋼可用作桁架、鋼架、柱、梁等承重構件,也可被用作龍骨、牆架、屋面檩條、屋面闆、樓闆、門窗等次要承重構件和圍護結構。随着人們對材料要求的不斷提高和建築理念的不斷發展,冷彎薄壁型鋼建築已經成為了一種新的建築形式。在美國和歐洲等地,低層冷彎薄壁型鋼結構住宅得到了快速的發展。基本構件主要有U 形(普通槽形) 和C 形(卷邊槽形) 兩種截面形式。高強冷彎薄壁型鋼構件由于用高強超薄闆材彎制造而成,因此在受力方面具有以下兩個重要特點:

      1)低延性。鍍鋁鋅或高強鍍鋅闆材因反複冷壓而達到高強和薄壁之特點,但與此同時也相應地降低了材料的延性,使材料沒有明顯的應力硬化階段,抗拉強度fu 和屈服強度fy 變得很接近,即強屈比fu/fy 接近于1;

      2) 超薄。由于材料強度特别高,所以高強冷彎薄壁型鋼結構構件的闆材厚度很小,如澳洲在已經建成的房屋中采用高強闆材的冷彎型鋼别墅房屋的牆體立柱等構件,壁厚最小僅為0.42 mm。闆件薄、截面闆件的寬厚比b/t 随之變大,因此,在構件整體屈曲發生之前,闆件很易發生局部屈曲,闆件局部屈曲與構件整體屈曲之間還存在相關作用,這種相關作用會降低構件的極限承載力。

      從以上特點可以看出,高強冷彎薄壁型鋼結構構件的受力性能、屈曲和破壞模式與普通冷彎薄壁型鋼構件有較大差别。因為這些差别和特點,使得高強冷彎薄壁型鋼結構的應用将産生諸多傳統低強度鋼材冷彎型鋼結構所沒有的問題:

      1) 由于高強薄闆鋼材在達到屈服後幾乎無應力強化的階段,導緻其屈服後的剛度和強度儲備将明顯低于傳統低強度鋼材,使得在彈塑性工作階段構件的穩定性和安全性也将低于傳統低強度鋼材;

      2) 由于應力強化很小,應變硬化的程度也很低,所以高強薄闆鋼材冷彎型鋼的冷彎效應也很小,幾乎可以忽略不計;

      3) 由于塑性變形能力較差,為保證結構有足夠的變形能力以滿足設計要求,不能依靠構件自身的變形,而必須采取其他有效措施使結構獲得變形能力;此外,高強薄闆冷彎型鋼的成型工藝要求較傳統低強度鋼材高;

      4) 由于高強冷彎薄壁型鋼截面寬厚比較大,所以構件不同屈曲模式之間的相關作用不能忽略。基于高強冷彎薄壁型鋼的以上特點,對于其力學性能、屈曲性能及破壞模式等性能必須做深入、細緻的分析研究。

      目前,屈服強度550 MPa 的高強冷彎薄壁型鋼在國内的生産和使用才剛剛起步,但市場應用前景非常廣闊。但是,國内現行冷彎薄壁型鋼設計規範GB50018—2002僅限定适用于Q235 和Q345鋼材,對更高屈服強度的鋼材尚無相應條文可依。

高強冷彎薄壁型鋼的研究現狀

      冷彎薄壁型鋼的研究主要集中在3 個方面:

      ①在保證強度的前提下使構件的壁厚更薄,現在主要的研究集中在壁厚2 mm 以下的;②高強度的冷彎薄壁型鋼,屈服強度已經可以達到550 MPa;③采用新型的截面形式(見圖1),例如在腹闆中間加勁使其變成U 型、V 型等新型的截面形式,用來提高它的強度。以上3 種方法近年來得到了國内外學者的深入研究,獲得了成功,也為大家的進一步研究做好了基礎。

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圖1 複雜加勁截面形式

        陳紹蕃、沈祖炎、何保康、李元齊等教授近年來對高強冷彎薄壁型鋼進行了深入的研究,對屈服強度550 MPa 的、壁厚2 mm 以下的進行了實驗研究,也進一步的給出了更加切合實際的算法,現階段對于高強冷彎薄壁型鋼的算法主要是有效截面法和Shafer 和Pek z提出的直接強度法,但其中也有許多不足的地方。新型的截面形式也是一種提高強度和穩定性的有效方法,可以改變卷邊的形式、角度、長度都會使構件的強度得到提高。近些年來,學者們對新型截面形式也進行了深入的研究,有在腹闆處加勁,使其成為U 型、V 型截面,用來提高構件的強度和穩定性,進行了大量的實驗,在大量實驗的基礎上,也對有效截面法和直接強度法進行了進一步的修正,使其不斷的完善。

        一般而言開口薄壁構件會出現3 種屈曲模式:闆件局部屈曲、畸變屈曲和構件整體屈曲。在一定條件下還會出現3 種屈曲模式的相關作用。當發生局部屈曲時闆件圍繞闆件交線轉動、交線仍保持直線;當發生整體屈曲時整個橫截面發生轉動或側移、截面形狀不發生變化;而畸變屈曲發生時闆件圍繞闆件交線轉動,其中的部分闆件交線不再保持直線、截面形狀和輪廓尺寸發生變化(見圖2)。

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圖2 畸變屈曲發生時産生的變化

       由于冷彎薄壁型鋼構件所用材料屈服強度越來越高,闆件越來越薄,截面形式也越來越複雜,從而畸變屈曲在某些情況下可能成為構件承載力大小的重要因素,冷彎薄壁型鋼規範中并未對此作出明确的規定。國内對于畸變屈曲的研究起步較晚,始于20 世紀90 年代。蘇明周、陳紹蕃通過對卷邊槽鋼梁的畸變屈曲進行分析,并提出了受壓翼緣屈曲系數kf 的計算公式,并結合我國常用卷邊槽鋼的截面尺寸,提出了在受壓翼緣屈曲系數kf 大于4 時,闆件長寬比的限值以及在闆件長寬比超過此限值時kf 的最低值。陳紹蕃通過對我國常用截面的冷彎卷邊槽鋼承載力分析指出,可把畸變屈曲看做特殊的局部屈曲處理,翼緣屈曲系數可取3,且卷邊寬度足夠大時,畸變屈曲就不控制設計了。同時指出了畸變屈曲的實質是卷邊過窄而趨于在其平面内屈曲,進而帶動相關闆件一起屈曲。随着研究的深入,國内學者近幾年來對軸壓、偏壓、受彎構件的畸變屈曲性能進行了系統的試驗與理論研究,并對防止畸變屈曲發生的措施進行了相關試驗研究與數值分析。姚谏教授對卷邊槽形截面壓彎構件進行了針對畸變屈曲的試驗研究,試驗結果與按規範GB 50018—2002 計算值的比較表明:規範偏不安全。之後他又通過有限元模拟提出沿冷彎薄壁卷邊槽鋼縱向設置隔闆用來提高畸變屈曲荷載的措施。何保康教授對腹闆翼緣均加勁的卷邊槽形截面構件進行了試驗研究,指出畸變屈曲有屈曲後強度,畸變屈曲翼緣出現了3 種屈曲模式,局部、畸變和整體屈曲之間存在相關作用,并給出了計算公式。


結語

        現行冷彎薄壁型鋼規範GB 50018—2002 還不能适用于高強冷彎薄壁型鋼,同時有效截面法和直接強度法對于新型的冷彎薄壁型鋼還有待于進一步的驗證和完善。同時,為了進一步的開拓市場,更高效的高強冷彎薄壁型鋼形式,連接構造及合理的結構體系等方面的研究和開發也是重要而亟待解決的問題,這些問題是我們冷彎型鋼業界同仁所共同面對和需盡力解決的,隻有解決好這些突出的問題,才能将高強冷彎薄壁型鋼應用于更廣闊的領域。

        實踐證明,傳統的高投入、高消耗、高排放、低效率的粗放型增長方式難以為繼,必須盡快加以扭轉。使用冷彎薄壁型鋼可有效地節約資源和能源。它不僅可減少耗鋼,還能降低加工成本,避免環境污染。是一項有顯著經濟效益和環保意義的工作,所以應及時開展高強冷彎型鋼,尤其是新型高強冷彎薄壁型鋼在國民經濟各領域的應用研究,大力促進能源資源的高效利用和循環利用。

【鋼結構▪探讨】新型高強冷彎薄壁型鋼的研究現狀 2018-10-9 本文被閱讀 1303 次
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