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鋼結構之殘留應力實務探討

2019-11-29 13:03   评论:17 点击:501
  中國鋼管信息港報道記者:活祖暮旄工建築施工CAZ組合銅板樁的沉接施工湯永根(上海市第匕建築有限公司200050 1CAZ鋼板樁概況上海外高橋造船基地1、2船塢塢室側牆由CAZ鋼板樁構成,其結構為二根*Z*字進口鋼板樁連接後再加覆一根*U*型國產槽鋼,構成六角形箱體結構。
  
  單根CAZ樁截麵長向寬為1260mm、短向寬為850mm,根據塢深不同,鋼板厚度有所變化。
  
  由於CAZ鋼板樁為外露構件,具有擋土和止水的2001沉樁過程中,對樁身的質量、垂直度、接樁質量等方麵進行了嚴格的控製,樁身檢測達到了良好等級。
  
  提出了殘留應力的消除方法,和於規劃及設計中應重視之事項C 0刖目一般修建業工程師對鋼結構之殘留應力比較陌生,殘留應力發生的首要啟事在於鋼料冷卻速率的+同。例如厚鋼料在軋製過程中,其鋼胚(SlaborBloom)加熱後之溫度均超過1,200*C以上,然後一麵輥軋-麵冷卻,逐步降到常溫20*C至35*C,其冷卻的速率以鋼料表麵最快,而內部最慢。當表麵忽然冷卻到常溫時,鋼料內部可能還是熱滾滾的高溫 。故於冷卻完成後 ,鋼料表麵存著殘留壓力,而鋼料內部則存有殘留張力。其應力分布狀況如同地形丈量之等高線圖。
  
  如所示。
  
  中國鋼管信息港報道記者:殘留壓力熱此外,由於鋼胚中輕易積存夾渣,及滾壓軸輥不協調所衍生的中間線裂,和鋼料中之雜質(如磷、硫等)向高溫地區集中所發生的偏析現象(Segregation),都非常輕易促成厚鋼板的夾層題目(Lamination),此種夾層現象及前述以內部殘留張力,使得厚板的中心區域變成脆弱地帶。如所示 。
  
  個一厚鋼板之夾層及偏析現象就熱乳型鋼而言,比較厚的型鋼輕易發生殘留應力,特別是在翼板與腹板的交界處,其殘留張力最大,俗稱“核心”脆弱區(Core),如所示。根據。
  
  截麵斷裂殘留應力導致截麵開裂之損壞殘留應力之消除由於造成殘留應力的首要啟事為鋼料受熱後不同冷卻速率(CoolingRate)所致。故假如能在施工過程中,想法使鋼料之冷卻速率盡量一致,則殘留應力自然可以消除。是以鋼結構之製造與安裝規範均明顯的規定厚鋼料之電焊必須處理焊前預熱與焊後後熱,電焊後熱的目地就是在拖延鋼料表麵冷卻時間,使其外表之冷卻速率盡量與內部一致。最常用以後熱方式為瓦斯火排加熱,並逐步降低其溫度,唯有如此方能消除鋼料內部之殘留應力。
  
  尚有部份厚鋼料之對接(ButtJoint)電焊工作,采m石棉棉被包覆工法,讓鋼料在焊接後漸漸降溫,以消除電焊高溫所產生之殘留應力。特別是在冷帶地區 ,由於氣溫太低,固然鋼料之厚度不是很厚,然而在低溫的情況下鋼料本身的材質已很脆,假如電焊時父產生額外的殘留應力,則龜裂之現象會更嚴重。
  
  4規劃及設計應重視之事項鑒於厚鋼料具有較明顯的殘留應力,故部份鋼結構規範亦作如下之規定:鋼結構之殘留應力實務探討疝*o固1)厚鋼料不宜設計為拉力構件;2)厚鋼料之接合不宜采用電焊接合,應盡量采用螺栓接合。本條規定一般企業業主比較難以接受,由於厚鋼料采用螺栓接合時,將增加很多之接適用鋼板重量及螺栓重量 。設計者必須就專業技術論點予以說服。增加之重量視個案之設計性質而有所不同,一般約為鋼結構總重量之2%至4%;3)如超厚之型鋼用於電焊接合時,務必想法消除其殘留應力。消除之方法可上述或類似之道理辦理;4)所謂“超厚型鋼”,其厚度究應以多厚為準,因涉及各煉鋼廠之製程方法,每家產品之殘留應力值可能不盡相同。但“美國鋼構造協會”AISC則有比較明確之規定,即W14X233至W14X730之型鋼與W12X210至W12x336(Group4andGroup5)均被列為超厚型鋼。換言之 ,翼板之厚度在13/4英(82.55mm)以上者均視為超厚型鋼,其設計與施工者不可不慎。
  
  5電焊對構件長度之影響鋼鐵材料於電焊完成後,因電焊過程中有大量之熱量輸進,冷卻後鋼料內部存著殘留應力,而造成鋼構件長度收縮。根據經驗統計,組合H型鋼在翼板與腹板連續性電焊完成後 ,其縮短之長度與原構件之長度成正比 ,約為 。3mmxL,如(a)所示。圖中L為型鋼之長度 ,單位為米。
  
  假如在組合H型鋼或熱乳H型鋼之腹板上加焊加勁板,則加勁板數目愈多型鋼之長度縮短愈厲害。
  
  通常加勁板在3片以下時,構件之長度縮短不明顯。
  
  加勁板在3片以上時,每焊一片加勁板,構件長度約縮短0.3mm,如(b)所示。
  
  組合型鋼長度縮短量在兩塊鋼板之間用全滲透方式焊接後,其接合後之長度也會明顯縮短,其相關之關係式如所示。
  
  鋼板對接電焊後之長度縮短量6‘組合H型鋼之角變量組合H型鋼在台灣使用仍然十分普遍。當翼板與腹板連續性焊接後,除了前述構件長度會縮短外,因殘留應力的關係,翼板也會有明顯之角變量,且翼板厚度愈薄其角變量愈大,而焊接量愈多時角變量也愈大,根據經驗統計其變形角之大小約如所示。
  
  0=變形角(弧度)W=電焊單位長度之焊條重量(g/cm)/=鋼板厚度(mm)組合H型鋼梁翼板之角變量假如上述角變量超過容許公差,則該組合H型鋼必須經過整形才可使用。比較進步的施工方法則采用預彎翼板工法,先將翼板遵循估計之角變量預壓成反向變形,於連續性電焊後 ,由於翼板會受到殘留應力的影響而變形,主動恢複水平狀況 。其反向預彎之經驗值如0所示。
  
  7高樓鋼架焊接以內縮變形高樓鋼結構安裝時,梁柱接頭之工地電焊將使鋼梁之長度縮短,且往上逐層內縮,必須想法調整,否則除了安裝困難外,結構體將呈現上窄下寬之現象。
  
  而鋼柱之電焊對接亦將使柱子高度縮短 ,且累積愈高其鋼柱之縮短愈嚴重。此等現象均為電焊後之殘留應力所致。
  
  中國鋼管信息港報道記者:開槽角度45度0翼板預彎角變量統計圖立麵梁柱係統之焊接收縮情形8結語本文所先容以內容雖屬冶金學或材料學之自然現象,n.很多為經驗數值,但影響所及確是結構丁1程之領域。鑒r此"而信m在結構TiK之研究與統計尚十分缺乏,尚請相關專家學荇共N探討斧正。

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