冷弯成型薄壁方管截面钢屋架在冶金厂房中的应用

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　　摘要：本文把握冷弯成型薄壁方形管截面的特点，结合实际工程设计，从选材要点、杆件布置、内力分析以及节点设计等几方面，详细论述了冷弯成型薄壁方形管屋架的设计。

　　关键词：冷弯成型薄壁方形管,直接相贯型有间隙,“K”形节点,翼缘加强型节点,防腐

　　在传统冶金厂房屋面系统钢结构中，屋架杆件截面通常采用双角钢组合成的“T”型截面，这种截面类型存在着节点板用料多，防腐死角大，耗钢量较高等缺点。在国内某钢铁公司搬迁改造工程中，我公司将未广泛应用的冷弯成型薄壁管结构屋架应用于冶金厂房屋面设计，使得屋面耗钢量显著降低，取得了很好的经济效益。以下结合具体工程设计浅谈一下方形管截面屋架设计的一些特点和体会。

　　1.杆件布置：

　　为了减少上柱的计算长度，屋架端斜杆布置为下承式。屋架仅在跨中与端部设置竖腹杆，其余节间均只设置斜腹杆，这样屋架除了跨中节点外，其余节点均只有三个杆件交于一点，使得节点构造大为简化，方便了节点设计，由于取消了竖腹杆，使得屋架节间变大(本设计约为两个檩距)。由于屋架弦杆承担节间荷载，且弦杆平面外的计算长度大于平面内的计算长度，所以均选用方形管截面。屋架节间划分时应与屋面支撑或系杆的布置、天窗架的布置相配合，考虑到杆件的施焊条件，腹杆与弦杆的角度不宜小于30度。

　　2.选材要点：

　　为了防止管壁的局部屈曲，方形管截面高度(外缘尺寸)与管壁厚之比。现有的设计方法不适用屈服点及屈强比大于0.8的钢材。冷弯成型管壁厚应≤25mm，否则难以冷加工。在本工程中，考虑到上弦杆受压且有节间荷载产生部分弯矩，所以弦杆壁厚选用6~10mm;下弦杆壁厚选用4~6mm;腹杆最薄不小于3mm;对腹杆中受力最大最复杂的端斜杆壁厚不小于4mm。由于杆件壁厚较薄，为了防止现场焊接对杆件造成破坏，在设计安装节点时，所有支撑杆件与屋架连接处，都应使预先在工厂焊好的节点板与之连接，尽可能的保护屋架主材。同一构件中，杆件规格尽量少，一般不超过五种。

　　3.内力分析：

　　在屋架计算平面内，杆件的节间长度与杆件截面高度之比主管≥12、支管≥24时，可忽略节点的刚性，在内力分析时视为铰接，有节间荷载的上弦按压弯构件进行验算。由于弦杆截面连续且节点有一定的刚度，弦杆在桁架平面内计算长度可按节间长度的0.9倍取用，在桁架平面外的计算长度按平面外支撑节间的0.9倍取用;腹杆平面内外的计算长度均按几何长度的0.75倍取用。

　　4.节点设计

　　传统的管屋架节点多采用与双角钢截面相似的插板式节点，此种节点工作可靠，但造价昂贵，加工量大(杆件需要开槽，焊接工作量大);管件需单独设置堵头封闭管件内部，形式笨拙，使管结构的建筑表现力大打折扣。还有一种就是杆件直接焊接的相贯型节点，此种节点主、支管之间传力复杂，由于不同的几何参数与不同的主、支管内力情况下破坏模式不同，相贯节点的承载力往往低于杆件承载力，需要进行大量的节点承载力计算;交变荷载作用下的疲劳问题复杂，仅适用于承受静荷载。管件为方管时节点外形美观、构造简单、制作方便，杆件无需开槽，仅需将支管的端部进行平直加工即可焊接，相贯型节点在民用结构领域应用已相当广泛。综合所述本设计采用了直接焊接的相贯型节点。由于相贯型节点的承载力与节点处主、支管的连接形式、几何尺寸、内力性质等因素有关，所以所有的节点均需进行承载力验算。

　　主、支管的连接焊缝，沿全周连续焊接并平滑过渡，采用角焊缝或部分采用对接焊缝、部分采用角焊缝。支管管壁与主管管壁夹角大于或等于120°时，采用对接焊缝，壁厚大时采用带剖口角焊缝。角焊缝最大焊脚尺寸不大于支管壁厚的2倍。

　　屋架弦杆与腹杆的连接节点采用构造简单的有间隙“K”形节点，该节点腹杆形心线交点对弦杆形心线偏心小，弦杆对腹杆平面内外的约束较强，腹杆加工量少，但节点承载力较低。所以在端部腹杆内力较大的节点处采用了对主、支管连接面加强的翼缘加强型节点。此外，还可以采用高强度的钢材作为弦杆以提高节点承载力。本设计为了材质统一，采用了加强主管的方法。一般情况下，由于上弦杆受压，端斜杆内力大，端斜杆与上弦杆相交处的节点承载力较难满足。若腹杆内力小，腹杆与弦杆可直接顶接;若内力较大时，使用翼缘加强型节点。当腹杆与弦杆边缘间的净距大于30mm且弦杆壁较薄时，宜在腹杆上设置加劲肋加强。腹杆端面加工应采用方形加工或精密切割，使腹杆与弦杆在接触面紧密结合，接触面的间隙不宜大于2mm。使用较厚的加强板加强弦杆与端斜杆的连接面，参数β不宜小于0.6，随着β值的提高，节点承载力增大，当时常发生冲剪破坏，时常因塑性过大而破坏。弦杆截面高度(外缘尺寸)与管壁厚之比宜取20~30，上弦杆应力不宜过高，此时节点承载力较易满足。

　　此外，有间隙“K”形节点中的“间隙”(即两个支管在相贯与主管壁上时的净距离)有较严格的要求，需满足：

　　t1、t2——分别为两支管壁厚;b1、b2——分别为两支管截面高度。

　　若，则需按照“T”、“Y”、“X”形节点进行节点承载力计算，这类节点承载力较有间隙“K”形节点低，在腹杆内力较小的中间节点可考虑“T”、“Y”、“X”形节点，通过增加加强板或使腹杆形心线交点与弦杆形心线产生偏心(偏心容许范围详见《钢结构设计规范》(GB50017-2003)第十章钢管结构)，调整间隙尺寸使其满足有间隙“K”形节点的要求，推荐采用前者。合理的腹杆节间划分、腹杆角度与截面高度的选取可获得较理想的几何参数，使得节点构造简化。

　　5.防腐

　　由于屋面主结构均采用薄壁结构，对锈蚀极为敏感，要能达到预期的使用寿命，防腐要求较为严格。对一部分壁厚的杆件要求喷砂处理，对壁厚小于6mm不适合喷砂的杆件，采用人工或机械动力工具除锈，除锈质量必须保证。所有的现场焊接完成后，要求及时补刷油漆并保证质量。

　　综上所述，冷弯成型薄壁方管截面钢屋架有如下优点：

　　(1)力学性能优异：

　　冷弯成型薄壁方形管截面特性优异，在轴力、扭矩、弯矩作用下有着卓越的结构性能(规格80×3.0——200×10的方形管截面平面内回转半径是相同面积的等边双角钢组合截面的1.3—2倍，平面外的回转半径是其1.1—1.4倍)。

　　(2)用钢量省，经济性好：

　　设计完成后整个屋面系统(不包括屋面板)单位建筑面积耗钢量约30kg/m2，与热轧型钢制作的结构相比，节约钢材20%~50%。

　　(3)节点构造简单，制作容易：

　　绝大多数方管采用相贯型节点，不需节点板，节约钢材，方便其他杆件的连接。

　　(4)防腐性能好：

　　其内部封闭，腐蚀面积小(比相同截面积的开口截面的腐蚀面积小20%—50%);由于是封闭型截面，有证据表明两端封闭后，钢管内部几乎没有锈蚀。易于涂装，很少有难以涂刷的死角，故防腐费用低，维护更加方便。

　　(5)管结构抗扭刚度大，安装时只需少量甚至不需设置临时支撑，施工方便。