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也谈高强特厚钢板的应用

作者：蔡益燕    
时间：2009-12-22 20:25:58 [收藏]
中国建筑标准设计研究院
    中国建筑标准设计研究院

    由美国SOM公司设计的新保利大厦钢框架柱采用了高强特厚钢板，钢板最大厚度达140mm, 钢材屈服强度达420N/mm2，这在我国钢结构界是个新课题。在此以前，我国八十年代建造的深圳发展中心大厦的框架柱，曾采用过厚度130mm的钢板，但钢材是ASTM A572，其强度为50级，类似我国的Q345。而新保利大厦的框架柱，无论厚度还是强度，都达到国内钢结构的新高。今年3月4日，中国钢结构协会会同精工钢构集团组织国内有关专家和技术人员近百人，参观了施工现场后，又召开了技术座谈会。交流会提出的工程简介表明，目前在超大跨度和超高层建筑钢结构中，高强钢会应用得越来越多，比如2008年奥运工程国家体育场、国家游泳中心和中央电视台塔楼，均部分采用大厚度Q390、Q420、Q460钢板制作构件。会上，与会专家介绍，松花江斜拉桥也采用了舞阳钢厂生产的Q420E钢材。继现行国家标准《钢结构设计规范》GB50017列入Q390和Q420之后，现在这些钢材的应用又提上日程。GB50011仅适应于非抗震钢结构，对这些高强钢材的应用并无具体规定。而新保利大厦建于北京，为8度的强震区，它的应用对钢结构界提出了新课题。
    美国建筑钢结构传统采用厚板，仅从美国70年代林肯焊接基金会出版的《焊接结构设计》中所举的实例就可看出，组合柱的钢板有厚达7.5英寸（190mm）的。特厚板H 型钢框架柱与边长较大但板厚较薄的截面相比，在相同面积时截面模量较小，虽然前者占用的建筑面积较小，但用钢量增加不少。特别是，厚板焊接柱的拼接，为了保证焊接部位的抗震性能，只能用二氧化碳气体保护焊作全熔透焊缝，焊丝直径仅1.2mm, 焊接极其费工, 而且钢板先要预热至150℃, 焊工要面对高温焊件施焊,焊后还要一定的保温时间,否则就可能出现焊接裂缝。中建三局在深圳发展中心大厦钢框架柱施工中，首开130mm厚板焊接之先河,由于箱形柱边长超过1m,一道柱拼接焊缝由两名焊工不间断施焊20多小时才能完成，焊工作业之艰辛可以想见。所以我们并不提倡在钢结构中采用极厚板。在高钢规程JGJ99-98中，规定钢板厚度不宜超过100mm，现在看来仍然是适宜的，只是在不得已的情况下才应考虑用100mm以上的特厚板。
    美国对焊接结构钢抗震设计的要求历来有四点：1）强屈比不小于1.2(1997年改为屈强比不大于0.85); 2) 有明显的屈服台阶; 3)伸长率不小于20%(标距50mm); 4)有良好的可焊性。AISC-2002抗震规程明确规定，不符合上述标准的钢材不得采用。为了在设计地震作用下具有预期的非弹性性能，最低屈服点345N/mm2（50级）的限值必需坚持。随着现代更高强度新钢种的出现，如A913/A913M（50级（345）或65级（450））或A992/A992M，通常认为对抗震框架柱具有可接受的性能，但只能用于仅在柱脚出现屈服的柱，框架的每个节点必需确保强柱弱梁。用于柱脚底板的钢材，应符合A283D级的要求。
    AISC-2002抗震规程规定，在连接计算时，要考虑材料的超强系数 。不同材料的超强系数不等,A36为1.5,A572为1.3,A992为1.1, 故采用美国牌号钢材时应符合相关规定。
    国产钢材已有Q390、Q420和Q460的强度等级，它们在抗震结构中的应用宜参考美国相关规定，结合我国钢材的具体情况，对它的应用作出规定，以确保结构的抗震性能。
    参考文献
    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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