结构用管的应用与发展

zhd1998cn

1    我国建筑钢结构行业发展迅速
    我国钢结构总量及预测、统计包括了工业与民用建筑、铁路与公路桥梁、水电与火电建设、城市建设等，所用钢材品种包括：中厚板、热轧H型钢、彩涂板（包括镀锌板）、管材及其他型钢及冷弯型钢，建筑钢材数量、品种、质量基本满足钢结构行业发展的需要。如按国民经济增长的比例计算，钢结构产量每年按10%速度增长，2006年达到1738万t，2007年达到2000万t。按目前经济发展速度2010年钢结构产量达到2600万t的预测将要突破。钢结构发展势头迅猛：2006年浙江萧山地区钢结构达170万t，广播电视微波通信铁塔及桅杆用量50多万t，输变电塔150万t，铁路桥梁达50万t，公路桥梁和设置用钢量增加迅猛，地震灾区重建用钢约250万t。
    钢结构建筑是一种新型的节能环保的建筑体系，被誉为21世纪的“绿色建筑”，具有重量轻、强度高、抗震性能好，节能环保、能循环使用等优点，符合发展省地节能建筑和经济持续健康发展的要求。
    2    钢管结构概况
    自然环境中圆管形状在受压、受扭及多方向受弯下显示出卓越的结构性能，人们正是从风中芦苇、雨中翠竹，支撑人体重量的大腿骨得到启发，将管结构优异的结构性能与极具魅力的建筑外形相结合形成了钢管结构。
    钢管结构是指采用圆管和方管作构件，管与管之间通过相贯焊接连接的结构，按制作方法区分，钢管结构可分为热轧钢管结构、冷轧钢管结构、以及焊接钢管结构。热轧钢管壁厚可以较大、制作成本高，冷轧钢管壁厚相对较薄。钢管结构的最大优点是能将人们对建筑物的功能要求、感观要求以及经济效益要求完美地结合。钢管结构凭借其自身优势，近年来得到飞速发展，应用范围几乎涉及所有结构领域，包括房屋建筑、桥梁、堤坝、海洋平台结构和塔桅等。
    3    钢管结构的分类
    目前工程中使用的钢管结构可按截面形状、结构型式和制作方法进行分类。以构件的截面形式将钢管结构分为3大类：即圆管结构（CHS）、方（矩）形管结构（RHS）和其他形状，圆管结构和方管结构最为常见。按结构形式，钢管结构可分为网架（网壳）、桁架、框架和钢管混凝土结构4种。
    4    圆管和方（矩）形钢管结构的特点
    a.圆管和方（矩）形截面都具有双轴对称、截面形心和剪心重合等特点；
    b.圆管和方管截面，截面惯性矩对各轴相同，作为受弯和受压构件的优势最突出;
    c.截面闭合，抗扭刚度大、板件局部稳定好。尤其是圆管截面，截面的极轴分布均匀抵抗扭矩特别有效。
    d.外观简洁、平滑，杆件可直接焊接于同一点，可不用节点板，以节省钢材。
    e.相比开口截面而言，圆管和方（矩）形截面具有表面平整、无死角以及外表面积小等特点，这样有利于节省防腐和防火涂料，也便于除尘。
    另外，由于钢管截面的风阻力系数小，应用于暴露在流体（如风、水流）中时有着明显优点。钢管结构的内部空间也可利用，填充混凝土（钢管混凝土结构）不仅能提高构件的承载力，而且还能延长构件的耐火极限（平均可达2h）。管内注水，可利用内部水循环进行防火；传输液体，如输油管桥、排雨水管等；管内还可以放预应力索，施加体内预应力。
    对于相同断面面积的管材（圆钢管、方（矩）形钢管和开口截面型材（H型钢、工字钢），前者的外表面积约为后者的0.6倍，这表明钢管构件需要的防火和防腐材料要比开口截面型钢节约大约40%。
    5    钢管结构应用的前景
    近5年，欧洲钢管用量增加了25%。随着美国钢铁工业以底层商业建筑市场为开发目标，钢管结构的需求也呈上升之势，1999年的交货量约为225万t，有成为露天结构材料的替代用材料的趋势，美国结构管材的消耗量每年以5％～10%速度增长。日本在建筑业采用H型钢结构比较多， H型钢产量占型钢总产量的50%～60%。最近几年日本也在大力开发和应用钢管结构，且规格大型化，断面复杂化，现已生产边长为700mm，壁厚16～32mm的大型钢管结构，用于建筑结构柱。
    我国钢结构方矩管的发展空间很大，国内H型钢年产量约500万t，方矩管产量仅50万t，产量比为1：0.10,在发达国家该比值一般为1：1。各类钢管（包括方矩管）已大量用于工程中，按建筑结构对钢管性能的要求选用不同规格、性能的钢管。
    我国钢管结构的应用晚于西欧、北美、日本等国。近10年来，钢管结构在我国也得到快速发展，如长春体育馆、上海体育馆、虹口体育馆、广州体育馆、首都机场新航站楼、成都双流机场新航站楼、广州新白云机场航站楼、济南遥墙国际机场等。其中，长春体育馆是我国首次使用大截面方钢管的国内最大跨度的方钢管网壳工程；广州新白云国际机场航站楼屋盖是国内大型的圆管结构建筑，指廊和高架连廊采用了方管结构。
    据中国钢结构协会17家特级和29家一级钢结构制作厂消耗钢材品种统计显示：钢管消耗量为钢结构产量的6%～9%之间。按2000万t钢结构产量计算，用于工程中结构用钢管约为150万t，远少于热轧H型钢，也远低于日本、欧洲、美国等国用量，表明钢管在我国仍有着较大的发展空间。
    中国模板工程协会初步统计用于脚手架钢管（48mm×3.5mm焊接钢管）拥有量约1000万t，按每年15%的更新，每年需新增150万t钢管，每年总计用量约300万t。
    6 钢管采用的主要标准和技术规范
    主要标准包括：《碳素结构钢》 （GB700）；《低合金高强度结构钢》（GB/T1591）；《建筑结构钢板》（GB19879-2005）；《厚度方向性能钢板》（GB/T5313）；《结构用无缝钢管》 （GB/T8162）；《直缝电焊钢管》（GB/T 13793）；《低压流体输送用焊接钢管》（GB/T3091）；《结构用冷弯空心型钢尺寸、外形、重量及允许偏差 》（GB/T6728)；《双焊缝冷弯方矩钢管》（LW/T02）；《建筑结构用冷弯矩形钢管》（JG/T178）。
    7 建筑结构设计选用钢管的要求和特点
    钢管用钢强度级别在各个应用技术规程均有规定，但均应满足《钢结构设计规范》（GB50017-2003）的要求，一般分Q235、Q345、Q380、Q420。对承重结构的钢材应有抗拉强度、伸长率、屈服强度、和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应保证合格的碳含量。对焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构还应具有冷弯试验的合格保证。钢材强度设计值，应符合设计规范。
    设计者根据钢管在结构中的功能和重要性选用各类钢管，包括：有无缝钢管、直缝焊接管、螺旋形缝焊接管、冷弯方矩管、双焊缝冷弯方矩钢管、低压流体输送用焊接钢管等。遇到设计中采用大直径、厚壁钢管一般由钢结构加工厂专定建筑都采用了钢管结构制作，各类结构也规定了最小截面寸及技术要求。
    管材深加工在建筑结构设计中选用钢管应符合以下规范、规程的要求：（1）钢结构设计规范（GBJ50017-2003）；（2）网架结构设计与施工规程（JCJ7-91）；（3）网壳结构设计规程（JCJ61-2003）；（4）钢-混凝土组合结构设计规程（DL/ 5058-1999）；（5）矩形钢管混凝土结构技术规程（CECS159:2004）；（6）钢管混凝土叠合柱结构技术规程（CECS188：2005）；（7）塔桅钢结构工程施工质量验收规程（CECS80：2006）。
    8 建筑结构设计中选用钢管的工程实例
    8.1 国家游泳中心（水立方）用钢管
    国家游泳中心总建筑面积87283m2。建筑平面尺寸约177m×177m，建筑屋顶标高+30.587m。钢结构工程为新型延性多面体空间钢框架结构，主要包括屋盖及墙体两部分。建筑设计选用圆管（各种形状管）、方矩管。
    8.2 广州新电视塔（GZTV）用钢管
    广州新电视塔地上37层、地下3层，610m （塔身454m +天线桅杆156m）。该工程柱、斜撑、环梁、楼面主梁、次梁、桁架、天线等构件主要采用Q345、Q345GJ和Q390GJ钢材，其质量标准应符合现行国家标准《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-94）、《建筑结构用钢板》(GB/T19879-2005) 的要求, 应保证材料的抗拉强度、伸长率、屈服点、冷弯试验、冲击韧性合格。当有厚度方向性能要求时，尚应符合《厚度方向性能钢板》（GB/T5313-85）的要求，对Q345GJ、Q390GJ建筑结构用钢板应保证碳当量Ceq和焊接裂纹敏感性指数Pcm。设计选用圆钢管、矩形钢管。圆钢管的材质为Q345C、Q345GJC和Q390GJC，主要采用直缝焊接钢管，部分采用热轧、热扩无缝钢管。矩形钢管材质为Q345C和Q345GJC。
    8.3 建筑结构对钢材的要求
    建筑结构用钢材应满足《建筑抗震设计规范》（GB50011）的要求，钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值对Q345钢和Q345GJ钢不应大于0.83，对于Q390钢和Q390GJ钢不应大于0.85；钢材应具有明显的屈服台阶，且伸长率应大于20%； 钢材应具有良好的可焊性和合格的冲击韧性；同时应具有冷弯试验的合格保证。
    钢材对冲击韧性要求：Q345、Q345GJ、Q390GJ均为C级钢，即0°时的冲击功不小于34J。钢板厚度方向性能要求：当设计对钢板厚度方向性能有要求时，厚度40mm≤t≤60mm时，其沿板厚方向截面收缩率及硫、磷等杂质含量应符合国家标准GB/T 5313《厚度方向性能钢板》关于Z15级的规定值
    9 结束语
    钢结构建筑和构筑物不断向着大跨度、超高层、高速发展，承受强烈地震和各种恶劣环境（火、风、重腐蚀等）考验，对钢材性能提出了更高的要求。日前我国建筑结构使用钢管的用量不大，远未达到热轧H型钢的数量；钢管产品质量有时不够稳定，低压流体输送用焊接钢管壁厚负公差超标，无缝钢管壁厚公差较大，满足不了结构计算要求；现行钢管的尺寸、规格（直径、壁厚及外形）满足不了大型工程的需要，缺少热成型焊接方矩管品种。今后将研发冷弯方矩管专用钢材，以提高冷弯钢管力学性能，尽早制订冷成型方矩管结构的设计施工规程、规范；加大科研开发投入，如需要对焊接钢管的力学性能、新型管节点研究，开展冷成型方管中截面圆角效应对节点承载力，残余应力、疲劳破坏和节点的刚度影响的研究试验等。建议大型钢厂建立建筑钢材研发中心，开展建筑结构钢管的开发及应用。（陈禄如）