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    钢结构之残留应力实务探讨

    2019-01-10   来源:   点击数:21次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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       中国钢管信息港报道记者:活祖暮旄工建筑施工CAZ组合铜板桩的沉接施工汤永根(上海市第匕建筑有限公司200050 1CAZ钢板桩概况上海外高桥造船基地1、2船坞坞室侧墙由CAZ钢板桩构成,其结构为二根*Z*字进口钢板桩连接后再加覆一根*U*型国产槽钢,组成六角形箱体结构。
      
      单根CAZ桩截面长向宽为1260mm、短向宽为850mm,根据坞深不同,钢板厚度有所变化。
      
      由于CAZ钢板桩为外露构件,具有挡土和止水的2001沉桩过程中,对桩身的质量、垂直度、接桩质量等方面进行了严格的控制,桩身检测达到了优良等级。
      
      提出了残留应力的消除方法,以及于规划及设计中应注意之事项C 0刖目一般营建业工程师对钢结构之残留应力比较陌生,残留应力发生的主要原因在于钢料冷却速率的+同。例如厚钢料在轧制过程中,其钢胚(SlaborBloom)加热后之温度均超过1,200*C以上,然后一面辊轧-面冷却,逐渐降到常温20*C至35*C,其冷却的速率以钢料表面最快,而内部最慢。当表面骤然冷却到常温时,钢料内部可能还是热滚滚的高温。故于冷却完成后,钢料表面存着残留压力,而钢料内部则存有残留张力。其应力分布状况犹如地形测量之等高线图。
      
      如所示。
      
      中国钢管信息港报道记者:残留压力暖此外,由于钢胚中容易积存夹渣,及滚压轴辊不协调所衍生的中心线裂,以及钢料中之杂质(如磷、硫等)向高温地区集中所发生的偏析现象(Segregation),都非常容易促成厚钢板的夹层问题(Lamination),此种夹层现象及前述之内部残留张力,使得厚板的中央区域变成脆弱地带。如所示。
      
      个一厚钢板之夹层及偏析现象就热乳型钢而言,比较厚的型钢容易发生残留应力,特别是在翼板与腹板的交界处,其残留张力最大,俗称“核心”脆弱区(Core),如所示。根据。
      
      截面断裂残留应力导致截面开裂之损坏残留应力之消除由于造成残留应力的主要原因为钢料受热后不同冷却速率(CoolingRate)所致。故如果能在施工过程中,设法使钢料之冷却速率尽量一致,则残留应力自然可以消除。因此钢结构之制造与安装规范均明显的规定厚钢料之电焊必须处理焊前预热与焊后后热,电焊后热的目地就是在拖延钢料表面冷却时间,使其外表之冷却速率尽量与内部一致。最常用之后热方式为瓦斯火排加热,并逐渐降低其温度,唯有如此方能消除钢料内部之残留应力。
      
      尚有部份厚钢料之对接(ButtJoint)电焊工作,采m石棉棉被包覆工法,让钢料在焊接后徐徐降温,以消除电焊高温所产生之残留应力。特别是在寒带地区,因为气温太低,虽然钢料之厚度不是很厚,然而在低温的情况下钢料本身的材质已经很脆,如果电焊时父产生额外的残留应力,则龟裂之现象会更严重。
      
      4规划及设计应注意之事项鉴于厚钢料具有较明显的残留应力,故部份钢结构规范亦作如下之规定:钢结构之残留应力实务探讨疝*o固1)厚钢料不宜设计为拉力构件;2)厚钢料之接合不宜采用电焊接合,应尽量采用螺栓接合。本条规定一般企业业主比较难以接受,因为厚钢料采用螺栓接合时,将增加许多之接合用钢板重量及螺栓重量。设计者必须就专业技术论点予以说服。增加之重量视个案之设计性质而有所不同,一般约为钢结构总重量之2%至4%;3)如超厚之型钢用于电焊接合时,务必设法消除其残留应力。消除之方法可上述或类似之原理办理;4)所谓“超厚型钢”,其厚度究应以多厚为准,因涉及各炼钢厂之制程方法,每家产品之残留应力值可能不尽相同。但“美国钢构造协会”AISC则有比较明确之规定,即W14X233至W14X730之型钢与W12X210至W12x336(Group4andGroup5)均被列为超厚型钢。换言之,翼板之厚度在13/4英(82.55mm)以上者均视为超厚型钢,其设计与施工者不可不慎。
      
      5电焊对构件长度之影响钢铁材料于电焊完成后,因电焊过程中有大量之热量输入,冷却后钢料内部存着残留应力,而造成钢构件长度收缩。根据经验统计,组合H型钢在翼板与腹板连续性电焊完成后,其缩短之长度与原构件之长度成正比,约为。3mmxL,如(a)所示。图中L为型钢之长度,单位为米。
      
      如果在组合H型钢或热乳H型钢之腹板上加焊加劲板,则加劲板数量愈多型钢之长度缩短愈厉害。
      
      通常加劲板在3片以下时,构件之长度缩短不明显。
      
      加劲板在3片以上时,每焊一片加劲板,构件长度约缩短0.3mm,如(b)所示。
      
      组合型钢长度缩短量在两块钢板之间用全渗透方式焊接后,其接合后之长度也会明显缩短,其相关之关系式如所示。
      
      钢板对接电焊后之长度缩短量6‘组合H型钢之角变量组合H型钢在台湾使用仍然十分普遍。当翼板与腹板连续性焊接后,除了前述构件长度会缩短外,因残留应力的关系,翼板也会有明显之角变量,且翼板厚度愈薄其角变量愈大,而焊接量愈多时角变量也愈大,根据经验统计其变形角之大小约如所示。
      
      0=变形角(弧度)W=电焊单位长度之焊条重量(g/cm)/=钢板厚度(mm)组合H型钢梁翼板之角变量如果上述角变量超过容许公差,则该组合H型钢必须经过整形才可使用。比较进步的施工方法则采用预弯翼板工法,先将翼板依照估计之角变量预压成反向变形,于连续性电焊后,因为翼板会受到残留应力的影响而变形,自动恢复水平状态。其反向预弯之经验值如0所示。
      
      7高楼钢架焊接之内缩变形高楼钢结构安装时,梁柱接头之工地电焊将使钢梁之长度缩短,且往上逐层内缩,必须设法调整,否则除了安装困难外,结构体将呈现上窄下宽之现象。
      
      而钢柱之电焊对接亦将使柱子高度缩短,且累积愈高其钢柱之缩短愈严重。此等现象均为电焊后之残留应力所致。
      
      中国钢管信息港报道记者:开槽角度45度0翼板预弯角变量统计图立面梁柱系统之焊接收缩情形8结语本文所介绍之内容虽属冶金学或材料学之自然现象,n.许多为经验数值,但影响所及确是结构丁1程之领域。鉴r此"而信m在结构TiK之研究与统计尚十分缺乏,尚请相关专家学荇共N探讨指正。
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