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《鋼結構雜志》2014年第六期

1波紋腹板

H型鋼的合理使用范圍根據波紋腹板H型鋼的特點，其合理的使用范圍應在論證其安全性、耐久性與經濟性的基礎上進行界定。而某國外廠家提供的圖片資料顯示，一些門式剛架梁、柱與吊車梁均采用了波紋腹板H型鋼，一些技術文件還提出其可作為包括起重量為500kN吊車的吊車梁在內的工業、民用建筑的用鋼構件，其環境條件可為7度以上高烈度地震設防區或中等侵蝕介質環境。顯然，這樣寬泛的適用范圍是否符合結構使用安全性、耐久性的要求是值得商榷的。對此可作如下討論分析：1）受壓H型鋼柱的截面優化目標應是選用經濟合理的高寬比和截面特性，而不是截面高度的最大化。波紋腹板H型鋼用作受壓柱構件時，因腹板為無效截面造成截面面積、慣性矩與回轉半徑均有較大折減，承載力也隨之降低，而平腹板H型鋼柱根據GB50017－2003《鋼結構設計規范》規定，即使腹板高厚比較大發生局部屈曲時，也可考慮腹板每側與翼緣相連處的20tw（tw為腹板厚度）截面為有效截面參與整體承載工作，而計算穩定系數時還可按全截面計算。由此可以認為，按技術經濟合理性要求，波紋腹板H型鋼并不宜用作各類軸心或偏心受壓柱構件。2）與柱構件一樣，波紋腹板H型鋼梁的腹板為無效截面時，其慣性矩和截面面積有較大折減，梁的抗彎承載力和剛度也隨之降低。而平腹板梁的腹板高厚比已可放寬到250，同時腹板還可通過設置加勁肋（其用鋼量有限）來提高局部穩定性，一般情況下，還可考慮截面塑性發展系數提高梁的整體抗彎承載力。工程經驗表明，就梁的截面形式而言，對跨度稍大的梁，采用蜂窩梁或實腹變截面梁都有較好的技術經濟效果，也都可能比波紋腹板梁具有更良好的綜合性能。故從概念上講，在一定條件下，波紋腹板H型鋼亦不宜用于受彎的梁系構件。3）鋼－混凝土組合樓蓋梁一般需限制梁高不宜過大，以保證樓層高度的合理凈空。同時在使用階段因梁整體截面的中和軸多在混凝土翼板內，按現行規范規定的塑性設計準則，此時鋼梁已全截面受拉并進入塑性狀態，實際上已形成軸心受拉構件，而波紋腹板同樣是無效截面，承載力也有明顯降低，故波紋腹板H型鋼也不適用于組合樓蓋梁。4）波紋腹板由1．5～6mm薄鋼板冷彎成型，其構件自然具有冷彎薄壁型鋼的屬性，故其設計準則、適用范圍、計算構造、腹板強度設計值等亦應同時符合GB50018－2002《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》的規定，該規范中明確規定冷彎薄壁型鋼結構不考慮用于直接承受動力荷載的承重結構，亦即不應用于吊車梁。5）根據GB50046－2008《工業建筑防腐蝕設計規范》強制性條文規定，在中度侵蝕或強侵蝕環境中，梁、柱等主要受力構件不應采用冷彎薄壁型鋼。亦即厚度4mm及以下波紋腹板H型鋼承重梁、柱構件，只限用于弱侵蝕介質環境中。按GB50018－2002的規定，此類環境對工業區或沿海地區僅限于采暖房屋的室內環境。以上所分析提出的規定與條件應作為確定波紋腹板H型鋼構件合理使用范圍的基本依據。

2波紋腹板

H型鋼的腹板最小厚度與安全壽命2．1腹板最小厚度波紋腹板H型鋼的特性決定了腹板厚度越小時，其經濟性越突出。故相關資料與規程均推薦應用2～4mm較薄的規格。但為了保證結構的安全性與耐久性，我國相關規范對鋼構件的最小厚度有如下規定：1）GB50018－2002規定，構件的壁厚不宜大于6mm也不宜小于1．5mm，用于剛架梁、柱的冷彎薄壁型鋼，其壁厚不應小于2mm。2）CECS102∶2002《門式剛架輕型房屋結構技術規程》（已修訂為國標GB）規定，用于焊接主剛架構件的鋼板厚度不宜小于4mm，當有依據時可不小于3mm。3）GB50046－2008以強制性條文方式規定，侵蝕性介質環境中鋼結構構件的板厚不小于6mm，角鋼截面厚不小于5mm。上述這些規范規定，特別是強制性條文規定應是鋼結構構件板件最小厚度必須遵守的限值。綜合考慮結構的安全壽命要求與工程中防腐涂裝與維護工作的實際情況，即使在微侵蝕介質環境中，主要承重構件所用腹板厚度也不宜小于4mm，確有充分依據時，不應小于3mm。2．2波紋腹板的安全壽命1）鋼構件所用板件過薄時，銹蝕與板厚負公差對結構的安全壽命風險影響顯得更為突出，這也是上述強制性規定限定最小板厚的主要原因。根據國外統計資料，未防護鋼材的年銹蝕速率為：沿海地區與重工業區0．06～0．12mm，一般工業區0．03mm；國內掛板試驗（Q235、Q345）表明城市環境中年銹蝕率為：成都0．026mm，廣州0．025mm，武漢0．015mm，北京0．01mm。按工業區年銹蝕率0．03mm，城市區0．02mm及其長效涂層有效期為10年進行測算，當在使用期內不能保證定期認真維護時，使用20年后其板厚因銹蝕減薄可達0．2～0．3mm，即對2mm板減損率為10％～15％；使用30年后減薄量達0．4～0．6mm，即對2mm板減損率為20％～30％，對3mm板也達到13％～20％，顯然這是結構安全所不允許的。2）薄鋼板厚度的較大負公差是影響結構安全的另一不可忽略因素。鋼板因熱軋、冷軋、鍍層等生產工藝不同，其允許公差值也不同，同時板愈薄或強度愈高，其允許負公差愈大。以熱軋鋼板為例，當板厚為2，3，4，5，6mm時，允許公差分別為±10．5％，±8％，±6．4％，±5．6％，±4．7％（對Q345、Q390鋼板應再增加10％）。亦即2mm薄鋼板開始使用時，厚度已可能有0．2mm的減損，或相當于已可能有10年使用的銹蝕，可見影響之大。而對較厚的10，20mm鋼板的允許偏差為±3．4％，±2．2％，較薄板要小很多，即負公差對中、厚鋼板結構安全的影響程度要小很多。冷軋薄板雖容許公差稍小，但負公差也可達8％～11．2％。由于鋼廠多以較大容許負公差交貨，這一現狀在設計選材與鋼材訂貨時是無法改變的。

3波紋腹板

H型鋼的技術經濟性能廠家宣傳波紋H型鋼可節約鋼材15％～30％，甚至50％，這樣高效的型材至今卻很少應用，令人疑惑不解。現按工程中實用的優化比較方法，對波紋腹板H型鋼與平腹板H型鋼的技術經濟性能進行比較。

3．1受壓柱構件H型鋼柱截面按高寬比為1／2、1／4設定截面尺寸，按Q235軸壓柱計算承載力，穩定系數取為1．0。波紋腹板H型鋼腹板按無效截面計算，平腹板H型鋼按腹板局部屈曲考慮每側20tw（tw為腹板厚度）為有效截面計算，其比較結果列于表1．由表1可知：1）由于波紋腹板無效，而平腹板可考慮2×20tw的有效截面，故二者相比的基本規律是波紋腹板H型鋼的用鋼量高，而承載力和剛度低。在表1比較的條件下，其用鋼量多6％～9％，承載力反而降低19％。2）由于波紋腹板完全無效，在計算截面回轉半徑時，需再折減，同時長細比需按折算長細比計算而加大，C類截面又使相應軸壓系數降低，此幾項累計折減的影響會進一步降低其承載力。綜上可知，波紋腹板H型鋼用作受壓柱構件時性價比較差。

3．2受彎梁系構件梁系構件設計優化的目標是其性價比相對最優。在工程應用中，為達到此目的可以有多種途徑，包括優化梁格的布置，選用變截面實腹梁（包括改變梁高、翼緣寬度、厚度或腹板厚度）或蜂窩梁等。比較時，宜考慮梁整體的綜合性能和用鋼量，而不應限定腹板厚度或梁高變化等條件。表2按兩種梁抗彎承載力相同列出了截面積、每米梁重、慣性矩和撓度等的比較數據。比較梁分為5組，梁為均布荷載簡支梁（Q235鋼），波紋H型鋼梁截面規格在廠家的產品規格范圍內（截面高度250～1250mm，腹板厚度2～4mm）選用，梁高為500，750，1000，1250mm，波紋腹板厚度為2，3，4mm；平腹板梁取高度相同而腹板厚度分別為2，3，4，5mm，高厚比取為250。計算均按相關規范和規程進行。強度計算時，波紋腹板梁不考慮腹板作用及塑性發展系數γx；平腹板梁按腹板屈服后（h0／tw＝250）條件考慮，并按《門式剛架輕型房屋結構技術規程》規定計算有效截面的抗彎承載力，梁整體穩定系數均取為φb＝1．0。撓度計算時，波紋腹板梁除梁的慣性矩僅按翼緣慣性矩計算外，還考慮剪切變形對梁撓度的增大影響；平腹板梁的慣性矩按全截面慣性矩計算。對比表2結果分析說明如下：1）在相關規程和廠家提出的波紋腹板梁適用規格范圍內，選用部分腹板厚2，3mm截面，按梁高和梁抗彎承載力相同的條件進行比較。當梁高為500，750，1000mm時，波紋腹板梁的用鋼量均高于平腹板梁約5％～15％。2）梁高1250mm時，3mm波紋腹板梁的用鋼量與平腹板梁持平，但4mm波紋腹板梁的用鋼量則高出14％；而當梁高1250mm時，梁跨度一般已大于10m，從防腐和保證耐久性考慮，采用4mm厚的腹板應更為合理。3）波紋腹板梁的抗彎剛度較差，因其撓度僅按梁的翼緣慣性矩計算，并考慮腹板剪切變形的撓度增量，故即使其抗彎承載力與平腹板梁相同時，撓度也會增大3％～20％。4）所比較平腹板梁不僅有較好的抗彎強度與剛度，還因腹板較厚可提高構件的抗銹蝕能力與耐久性，其適用范圍更廣，還可避免特薄板件彎折加工和焊接，從而使施工更簡便。綜上可知，波紋腹板H型鋼用作梁系構件時，在其適用梁高與板厚范圍內的多數情況下，其經濟性與綜合性能差于平腹板H型鋼。

4設計計算中的其他問題

1）波紋腹板H型鋼腹板的選材，按GB50018－2002規定，僅限于Q235、Q345，其強度設計值也應按該規范規定偏低采用。當采用Q390或Q420鋼時，無強度設計值指標作為依據。2）波紋腹板H型鋼若用于直接承受動力荷載的構件，其選材應提出對鋼材沖擊功的保證要求，但由于試驗條件所限，當鋼材厚度小于6mm時，一般不提供沖擊功保證指標，而當厚度小于3mm時，已無法進行沖擊功試驗，亦即對薄板鋼材，無法提供其韌性性能的評價指標。3）GB50017－2003規定，計算承受靜荷載受彎構件的正應力時，可考慮截面邊緣發展塑性而提高承載力的塑性發展系數γx（為1．05）、γy（為1．2），其相應的條件是單個翼緣板面積與平腹板面積之比應小于1．0，受壓翼緣板寬（外伸寬度）厚比應不大于13fy／槡235，在此條件下考慮γx時，其梁上下邊緣11．3％～22．6％梁高范圍均已進入塑性狀態，即除梁翼緣外，邊緣部分腹板也進入塑性，波紋腹板顯然不具備此種發展塑性的可能，故計算時，不能考慮γx。4）GB50018－2002明確規定冷彎薄壁型鋼結構不考慮用于直接承受動力荷載的承重結構，亦即不應用于吊車梁。現有關技術規程提出波紋腹板H型鋼可用于吊車梁，且其疲勞計算可完全套用GB50017－2003的有關規定。但GB50017－2003對構件疲勞計算的原則、公式、應力集中系數、殘余應力影響、容許應力幅、焊接連接與構造要求，甚至附加搖擺力荷載作用、輪壓增大系數等的規定，都是在對大量平腹板吊車梁試驗研究和應用經驗總結基礎上作出的，而薄波紋腹板梁在截面特性、工作狀態及焊接連接條件方面都與常規平腹板梁存在較大差異，對其用于吊車梁應持慎重態度。不宜僅以少量梁的試驗作為依據，即規定可套用現行規范的設計準則與規定計算疲勞，而應有充分和嚴謹的論證，限定合理的適用范圍，提出合理的計算方法并正式列為規范條文作為設計依據。此外，關于波紋腹板梁上翼緣有輪壓集中荷載時，引起腹板與上翼緣連接薄焊縫偏扭疲勞等問題，也應進行疲勞試驗研究驗證。因薄腹板焊縫抗彎扭能力很低，工程應用經驗表明此部位焊縫區常是疲勞裂縫多發區。

5焊接與加工

相關規程提出的波紋腹板梁的節點構造與受力連接中大量采用了波紋板與平板、端板的對接焊接或T形接頭焊接，部分焊縫還要求為熔透焊縫，而JGJ81－2002《建筑鋼結構焊接技術規范》明確規定其適用范圍僅限于板厚不小于3mm構件的焊接。亦即當波紋腹板厚度小于3mm時，其焊縫強度，公差與質量標準、檢驗與驗收均無據可依，此外，有的焊接構造也不符合規范的規定。故若無相應的國家或行業補充的專門規定，波紋腹板梁加工組焊的質量是無法認證的。6結論與建議為了科學合理地推廣應用波紋腹板H型鋼構件，尚需按工程實用的安全性、耐久性要求，對其設計規定與相關規范的協調，技術經濟性能的科學評價以及合理的適用范圍等方面進行嚴謹、深化的論證工作。目前雖已有兩本相關技術規程頒布執行，但建議在設計應用時仍結合本文所提出的討論問題進行方案比較和優選為宜。

作者：柴昶單位：中國鋼結構協會