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大通高频焊接H型钢在钢结构建筑中的独特优势

作者：建筑钢结构网    
时间：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （上海大通钢结构有限公司 卢晓南 高光虎 方大培 葛鸿兴）
    [摘 要] 本文介绍上海大通钢结构公司专业生产高频焊接H型钢的优特点，着重指出高频焊接H型钢在钢结构建筑中作屋面梁及墙面檩条应用的独特优势，并通过工程实例作了其独特优势的分析。
    [关键词] 大通 高频焊接H型钢 檩条 独特优势
    一、 大通高频焊接H型钢在国内外应用概述
    具有节能、可持续循环利用的高频焊接薄壁H型钢，是一种符合科学发展观的高效经济和用途广泛的工程建材。1994年，上海大通公司从美国引进专业生产线和日本先进工艺技术，经过在国内多年的市场开发，已经在工业厂房、公共建筑、机场展馆、钢结构住宅、农业大棚等领域广泛应用。

    高频焊接薄壁H型钢在日本、美国、欧洲以及东南亚等国家应用的比较普及，欧美主要是在建筑屋面?及墙面柃条上占了很大的比例。大通公司股东日本住友金属生产的高频焊接薄壁H型钢，年产20万吨，主要应用在民用住宅，钢结构房屋建筑已达到150～200万幢。由于全球热轧型钢的产量达到2000万吨以上，主要消耗在建筑的柱和主梁上。为降低综合用钢量，国内外工程迫切需要一种优势互补性的建材，高频焊接H型钢的独特优势突现出来，市场需求量迅速增长。
    巴特勒、ABC、川琦、BHP等20多家跨国公司进入中国后，大量选用大通高频焊接H型钢作建筑钢结构。近二年，大通公司生产的高频焊接H钢已出口美国、泰国、韩国、印尼以及香港、台湾地区，为国内外推广应用高频焊接薄壁H钢起了示范作用。随着高频焊接轻型H型钢的进一步发展，06年3月，建设部标准委员会对中国建筑工业行业标准（JG/T137-2001）作了进一步修订，从规格、检测、精度作了进一步的提高和拓展。
    二、 大通高频焊接H型钢作屋面檩条的技术独特优势
    高频焊接薄壁H型钢之所以截面性能优越，首先是工艺上的先进性。由于采用高频焊接技术，焊头在腹板与翼缘之间直接供应高频电流进行加热，再通过压焊辊焊接成型，电力集中在焊缝部，由焊接产生的热影响少；由于它是在冷状态下进行焊接加工的，这就避免了翼、腹板厚度不均的问题，所以制成的型钢翼缘内外平整，精度高，外形美观；另外，高频焊接可不经过酸洗清除过程，但仍能保证无杂质夹杂。
    高频焊接H型钢规格经济化。能生产腹板厚度2.2～6.3mm、翼缘厚度2.3～10mm之间的H型钢，翼缘宽度40～250mm，腹板高度60～500mm。高频焊接薄壁H钢生产线可生产多种规格产品，翼缘与腹板焊接可采取不同钢号的材料，特别是能解决其它焊接难以控制的薄规格生产，可大幅节约钢材。

    高频焊接H型钢的生产线加工容易，更换规格方便、迅速，一次生产批量可大可小，因其自重较轻，裁剪与焊接容易，并可任意加工、设计与组合，还可根据用户要求制造特殊尺寸以配合特殊工程之需。
    由于生产过程中受设备条件限制较少，产品规格多，轻、薄，这使得很多结构复杂、规格众多的工程构件可以在工厂预先加工，再到工地实施拼装，缩短现场施工周期。
    由于高频焊工艺的先进必然导致焊接质量的可靠性，高频焊接薄壁H型钢特点简单归纳为二个字：轻、薄。之所以轻、薄是相对热轧H型钢重、厚而言。其特点是热轧和其它焊接型钢无法比拟的，同时，也是其工艺特点所决定的。大通高频焊接轻型H型钢是把纵剪的三条带钢进行连续性的焊接，连续生产能力强，能形成一定的生产规模。特别是能解决其它焊接难以控制形状的薄规格生产。其焊接部位性能和质量表现在：1、以组织熔敷宽度为W，W/TW*100％为熔敷率，确保大于100％；2、腹板材料与翼缘材料的接合线在翼缘板材料一侧咬边，确认组织熔合；3、在焊接部位的腹板方向加力进行拉力试验，确认腹板母材断裂，并显示标准应力以上的断裂应力，即母材断裂而焊处不断，说明焊接质量是十分可靠的。
    其次，高频焊接H型钢与传统的热轧工字钢、热轧钢相比具有合理的截面形式，和优良的力学，使用性能，为承载能力高、截面模量大，在承载能力相同的情况下可节约钢材10～15％，还侧向刚度大，在相同截面积的条件下，其侧向刚度比工字钢大1倍以上。由于高频焊接H型钢生产工艺的特点，截面形式截面尺寸可以由用户需要灵活选用、定做，具有明显的合理性，确定最经济合理的截面尺寸与热轧H型钢相比起到了优化设计，高频焊接H型钢由于诸多的优点，目前已被业主和设计单位广泛应用于钢结构工业厂房和钢结构民用建筑的屋面檩条和其他承重构件中。

    近年来，大通高频焊接轻型H型钢轻、薄及加工方便优特点已在工业厂房、仓库、超市、农业棚架、粮库、立体停车库、综合楼、民用住宅楼领域的应用中体现出明显的优越性。如：可缩短施工周期30－50％、增加使用面积5％以上、减少湿作业，降低建筑综合成本20％等等。因此，国家建筑设计部门认定其技术先进，效益显著，将其列入建设部科技成果重点推广项目；荣获国家级重点新产品证书。
    三、大通高频焊接H钢作建筑工程檩条应用的分析
    1、大通高频焊接H型钢在公共建筑作屋面檩条设计论证
    广州国际会展中心，屋面围护系统的骨架以高频焊接薄壁H型钢为檩条。本工程地处台风泛滥的华南地区，风荷载特别大，这对于屋面檩条的设计来说是一大考验。同时从建筑外观上考虑屋面围护系统的总厚度只允许最大为500mm。而屋面板的总厚度（底板、面板+装饰板的总厚度）最小为258mm；故檩条的最大允许高度为242mm。这种檩条连接方法不仅有效地控制了檩条的总高度，而且使主次檩条同时与屋面板连接，在屋面板与主次檩条间形成一个紧密的整体，有效地解决了H钢次檩条的侧向稳定性问题，提高了屋面围护系统抗风荷能力。
    “世纪之花”??湖南贺龙体育场位于长沙市中心，是全国第五届城市运动会主会场，该会场由湖南省建筑设计院主设计，浙江精工钢结构有限公司负责主体结构设计，是一座造型新颖，功能齐全的现代化体育场。
    在浙江精工钢结构设计人员拿到建筑设计院的设计图时，让设计人员为难的是，屋面檩条方面选择尤其不适宜，多数选择的是C型钢和工字钢，且规格大，含钢量高，C型钢的选择也是需要定制加工的非标材料。设计师在进行复算时，发现该工程的设计存在很大的误区，就是没有做风洞试验，为了确保结构的安全性和可行性，在进行投标时就反复强调结构的可行性，提出采用轻质高强的高频H钢为主檩条，并协助设计院与同济大学进行风洞试验，证明所得结果比较正确。然后根据设计院的意图，再进行三种以上软件的复核，对照JG/T137-2001产品标准，采用3D3S，STS、REA、美国、德国等钢结构软件的复核，得出采用300×150×4×6高频H钢为主檩条十分科学合理，特别是抗风能力，稳定性方面均十分优越可靠，同时又节约材料，比原来的用钢量节约100多吨，为国家节约了开支。

    由高频焊接H型钢作公共建筑屋面檩条，其制作和施工相当简捷，由大通公司为制作方，可以做到定长定尺，也可根据用户需要进行自行组合加工，而且可以做到预冲连接孔，这就大大的方便了施工单位的制作和安装。在施工安装时，原来常用的C型、Z型均容易扭曲和在安装时失稳，但高频H钢不会产生这种现象，且无须用节点板与主钢架连接，这一点将大大节约制作时间和施工速度。如上海浦东国际机场候机楼和新建竣工的广州新白云机场主航站楼钢屋盖檩条及东西两侧的连接楼屋面柃条采用高频焊接H钢，建成后十分美观。
    2、大通高频焊接H钢作工业厂房屋面檩条的选择与施工
    浙江精工钢构公司主厂房30m跨，每跨均有25吨、10吨、16吨桥吊，吊车起吊高度9米，檐口标高14.5米，跨中间均设园弧型卡普隆气楼。柱和屋架均采用组合式格构型柱、梁，檩条全部采用高频焊接H钢，总用钢量3050吨。工程的檩条设计。当初按照德国专家的设计要采用114×120×5×8H钢加60×40×3.2的矩形管制作结构式小梁，每米的重量在35.5kg，且上下均有支撑系统，制作麻烦，施工进度跟不上，而且造价高，精工钢构在设计过程中首先想到了工字钢，且本工程尚有局部开间为15m，若选择工字钢，要50号工字钢，且还需加焊角钢，每米的重量为115kg，且稳定性不好；若选择300×150×6×8的角钢，每米的重量为115kg，且稳定性不好；若选择300×150×6×8的高频焊接H钢，各方面强度、稳定性、刚度、局部稳定等方面均符合要求，每米的重量则降到了32.22kg，而后在设计过程中，为了达到节能的效果，后经优化设计，选择了350×175×3.2×4.5高频焊接H钢作檩条，在进行强度、刚度、整体稳定和局部稳定等方面的复核和校对外，一下子把含钢量降到每米20.93kg，在檩条这一点上为建设方节约用材300多吨。德国设计专家竖起了大拇指，连声说“OK”，并要求把高频焊接H钢的资料带一份回去，连夸该产品具有很好的推广价值和使用价值。

    宝钢集团上海一钢公司不锈钢工程是我国目前最大的冶金技改工程项目。工程主厂房设计为单层排架支多层框架相结合的多跨全钢结构厂房，由于高频焊接H钢截面尺寸的灵活性，截面的高厚比、宽厚比等值在保证局部稳定的前提下设计得更合理一些，而且相应提高单位面积的截面力学参数显示出力学性能。因此主要构件均采用Q345B，高频焊接H型钢主要应用于部分平台楼面，屋面梁等部位，竣工后的一钢不锈钢钢结构厂房工程被评为上海市“金刚奖”。

    在中日合资的小糸车灯工程设计中，由于屋面板下有一定的吊挂荷载不能采用冷弯薄壁柃条，但若采用轧制H型钢其用钢量稍大，经分析比较后，采用了高频焊H型钢作屋面柃条，截面为H300×200×6×8规格，间距离为2.4M，3M。经分析比较后采用高频焊H型钢较为经济合理见下表：

    由表可知，按常规设计采用高频焊H型钢的用钢量比轧制H型钢的用钢量明显减少，如本工程屋面檩条同比可节省近20吨，建成投产后使用效果良好。
    高频焊接H型钢与其他轻钢檩条相比，具有明显的承载能力高，侧向刚度大，抗震性能好，因此在重吨位吊车的工业厂房中起到了很好的应用，上海通用汽车厂工程中50吨吊车厂房都采用了这种檩条，投产后使用效果良好。由于高频焊接H型的特点，目前还将在一些重型厂房轻设计中得到进一步的应用，在上海一批吊车吨位在300吨以上的重型或特重型厂房的轻屋面檩条就采用了高频焊接H檩条。
    四、高频焊接H型钢在钢结构住宅中应用的优越性
    高频焊接H钢与传统型钢单位重量相同时，规格经济化，其断面力矩、断面系数、耐压力、承荷重等技术指标均远高于热轧型钢。而且还可方便地生产出异型H型钢（上、下翼缘不等宽，上下翼缘不等厚），因此，截面形式可以按用户指定的截面尺寸定做，方便设计选用，减少浪费。大通公司H钢由于其截面独特的优越性，被设计单位经常采用于工业房屋及民用建筑的屋面檩条上。
    ‘ 高频焊接H型钢与热轧H型钢和工字钢相比，施工费用低，折算成同样长度时的价格，由于可定尺供货，使用中损耗明显减少；同样承重条件下，高频焊接H钢自重大大轻于热轧型钢，使房屋结构重量减轻，由此建筑物的基础造价也可降低；在同等承重条件下，结构尺寸合理，可增加室内有效使用面积5％以上，减少空间损失，因此比常规建筑降低综合成本约20％。另外，总重量的减轻，使运输、吊装等机械费用也都得以相应降低。

    低、多层钢结构住宅结构以柱、梁为主，高层主要以次梁为主。在钢结构住宅体系中，就产业化而言，高频焊接H钢住宅结构体系相对其他建筑材料构成的体系，具有明显优势。借鉴国内外有关成功经验，近年来，大通公司借助材料的优势与多家企业合作，已经在广东、深圳、新疆、浙江、天津、大连、武汉、上海等地建造起一批以大通高频焊接H型钢为框架结构体系为主的低层、多层住宅200多栋。如上海第一栋钢结构高层住宅其框架梁全部采用大通公司生产的高频焊轻型H型钢，其宽度和厚度可以根据设计的要求任意改变，腹板的厚度可以在满足局部稳定的条件下做的比轧制H型钢薄，这就使得在同样用钢量的前提下，截面惯性矩比轧制H型钢增加20～30％，这对于承受弯矩为主的框架梁来说，就等于是节约了20～30％的用钢量。中福城住宅工程为使构件、节点统一，全部钢梁采用统一规格，断面为H320×150×5×8，这使得整个工程梁节点标准化，方便施工和安装。
    高频焊接H型钢具有宽翼薄腹构件的特征，梁-柱构件是轻钢住宅框架结构体系的基本材料之一。主要受力构件的梁、柱采用高频焊接H型钢的结构体系能充分利用高频焊接H型钢强轴方向的抗侧能力，在强轴方向形成刚性框架；在弱轴方向则利用钢支撑抵抗侧向力，形成支撑一?接框架。

    如由建设部组织实施的钢结构住宅课题，同济大学、浙江宝业钢构、大通公司共同实施攻关的二栋5层钢结构住宅，住宅部分的钢梁全部采用大通公司生产的高频焊轻型H型钢，如前所述，其截面尺寸可按用户要求定制，这使住宅部分的钢梁比轧制H钢节约用钢量约25％。由于本工程住宅部分钢梁与钢柱均采用?接节点，钢梁设计全部采用H钢组合梁断面进行计算，现浇混凝土楼板受压，可节约钢梁的用钢量的15％，同时也降低了钢梁的高度，增加了使用空间。
    高频焊接轻型H型钢承载优越性。在钢结构住宅和低、多层住宅中合理的使用高频焊接H型钢，可充分发挥其优点，在工程中达到节约钢材、降低造价的目的。如由大通H钢材料建造竣工的广东东莞和上海松江钢结构住宅小区其大跨度空间，使户内有效使用面积比相应砖混结构提高5％。为了研究高频焊接轻型H型钢在低多层住宅中的使用，设计方案中分别采用了两种型钢以进行比较。

    表1和表2分别是这两种设计方案中柱和梁的比较表

    从中可以看出，在同样的结构中，同一构件采用热轧H型钢时的用钢量均大于采用高频焊接轻型H型钢时的用钢量，重量比最大时为1.68。
    结束语：
    大通公司是国内最早引进高频焊接H钢生产线，并已有10年专业生产高频焊H钢的专业技术，公司坚持走精品之路，严格生产工艺，使高频焊接H钢的应用领域不断拓展，设计人员必须充分了解该材料的优特点。 随着高频焊接H钢推广的深入，为了满足市场需要，大通的产品规格最新已开发到高度H500，翼缘宽度250mm。近年来，上海浦东国际机场候机楼、广东新白云机场、北京火车站奥运扩建工程、铁道部火车提速配套工程、上海科技城、F1上海国际赛车场、南京地铁工程、广州国际会议中心、郑州会展中心、湖南贺龙体育场、哈尔滨体育中心以及宝钢不锈钢重点工程、宝钢新日铁汽车板1800工程、浙江精工大型厂房、上海外高桥船厂、五钢不锈钢棒材工程、中日合作小车灯厂房、大众汽车三期工程及通用汽车钢结构厂房等许多重要工程85％都应用高频焊接H钢作屋面梁及柃条。
    随着北京2008年奥运会场馆和2010年上海世博会建设高潮迭起，高频焊接H型钢将充分展示其优特点，一定能为我国的钢结构建筑事业的大发展作出更大贡献。
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