关于箱型柱的受力特点比较和箱型柱的焊接方法

秦永乐

【摘要】本文结合工程实例，分析了普通轧制H型钢柱与箱型柱的受力特点，介绍了箱型柱的焊接加工方法。由于H型钢柱只有一个强轴，在梁柱连接节点处受力比较复杂的情况下，一是“节点域”不能满足要求，二是按照“强连接弱构件”的原则，在地震作用下按地震组合内力进行弹性设计时，极限承载力验算不能满足。而箱型柱由于在X、Y方向均为强轴，加上节点处的加劲板，形成了较强的节点域，受力状况比轧制H型钢优越。

由于目前人们对箱型柱的认识尚不普遍，本文结合参观工厂焊接箱型柱的加工流程，做简单介绍。

【关键词】节点域；箱型柱；强度；稳定

最近笔者在工作中遇到了一个问题，就是关于箱型柱焊接方法的问题。

由于笔者做的这个工程的具体特点，在设计中中间柱子采用了箱型柱，其它柱子采用了热轧H型钢。

这是一个5层的化工装置的钢结构框架，共9根柱子，跨距为6米x7米，层高分别为6米、6.3米、5.5米、6.7米和5米。每层的设备荷载大都集中在中间位置，顶层一台设备的重量就接近100吨，因而中间柱子的受力最大。

笔者先按9根柱子均采用轧制H型钢试算，经过对各种工况下的计算结果进行分析比较，中间柱子在梁柱节点处受力较大：一是“节点域”不能满足要求，补强后仍无法满足《钢结构设计规范》GB50017-2003第7.4.2条的要求，即节点域的强度和局部稳定不能满足规范要求。二是不能满足《建筑抗震设计规范》GB50011-2001第8.2.8条的要求，即按照“强连接弱构件”的原则，在地震作用下按地震组合内力进行弹性设计时，极限承载力验算不能满足。

经过笔者多次试算，采用国标《热轧H型钢和剖分T型钢》GB/T11263-2005中HW400x400，均不能满足要求，计算结果如下（采用中国建筑科学研究院PKPM系列程序）：

1、该柱左侧梁计算结果：梁编号105两端节点设计结果：

采用钢截面： H型钢 HN700X300 700X300X13.0X24.0

梁 105 右端与柱 5 连接节点 （262） ： 设计不满足

2、该柱右侧梁计算结果：梁编号110两端节点设计结果：（计算从略）

该柱另外两侧的钢梁计算结果也同样不能满足上述之要求（计算从略）。

从既经济又合理的角度考虑，笔者将该柱改为500x500的箱型柱，经过计算

上述两条均能满足（计算结果从略），而且用钢量基本接近，但受力状态却是明显的改善。

这是因为“H型钢柱”，只有一个强轴，该处的柱子节点无论是腹板还是翼缘受力都比较复杂，因而出现上述不满足规范的情况。

而“箱型柱”的受力在四个方向均是强轴，两轴的抵抗矩相等，特别是本工程中间这个柱子，四个方向的力都集中到这个柱子上，钢梁与柱子相连接处的节点受力较大。

但由于箱型柱有它的受力特点，能较好的解决这个问题，因而是比较合理的受力结构体系。

但很多业主甚至是有些工程技术人员对“箱型柱”的了解很少，甚至闻所未闻，更有甚者是很多人不知道箱型柱里面的加劲板（隔板）是如何焊进去的，所以有时不被接受。由于笔者所承担的工程的特点，曾在近10套化工装置中采用过箱型柱，在工程实际中就遇到了这样的问题。

前段时间笔者与一些同行们去工厂参观了箱型柱的加工制作过程：

箱型柱的焊接必须在工厂加工，不能在现场焊接，因为这是一套专门加工制作箱型柱的流水线，该生产线主要由双弧双丝CO2气体保护打底焊机、三弧三丝埋弧焊机、电渣焊机、端面铣床、移动式导轨钻及输送辊道等组成。

3、首先将三面的钢板和里面的加劲板按规定焊接成U型的槽。

4、在有加劲板的侧面位置留上一个槽，以便填充焊料。

5、盖上第四块钢板，将熔嘴（管状长焊条）插入待焊焊口内，调节熔嘴使其处于焊口的中心并接触到引弧板，再将焊嘴提起20～30mm，拧紧夹头，从熔嘴内插入焊丝送入底部与引弧板相接触，这时焊丝与熔嘴长焊管应在焊口的正中心，焊丝再提起10mm左右，拧紧送丝轮和调直轮，最后检查焊机各部位是否拧紧，加人少量引弧剂和少量焊剂。

6、采用较高电压短路引弧，引弧后，刚开始送丝速度要慢，即电流小点，以便造渣，此为弧焊过程，电流波动较大，随着焊剂的熔化，形成有一定深度的熔化渣池，温度逐渐升高，这时电流应适当大些，电弧开始消失而转入电渣過程，电流和电压逐渐趋于稳定，随着电渣过程的稳定，可将电流和电压调至附表所示数值，进入正常电渣焊过程，熔化的焊料将加劲板和第四块板焊接成一体。

7、施焊过程中要密切注意焊机控制箱上电流和电压的变化，根据情况随时调节，并注意熔嘴始终保持在焊口的中心，保证渣池的温度和熔池的形状及深度正常，才能确定焊接质量。

8、焊接试件均经过超声波检验，无裂纹和未熔合等缺陷。

此种焊接工艺称为“熔嘴电渣焊”，已经非常普遍的应用，经过去加工厂参观和对现场已经焊接好的成品进行观察，此种焊接质量非常好。

而如果用“焊接H型钢”，同样也是工厂加工，因为成品的“轧制H型钢”最大的为HW400x400的，在荷载较大的情况下，不能满足设计的需要。如果改为焊接H型钢，受力情况不如箱型柱，而且并不节省钢材。

经过调查，钢结构的施工一般为业主供应材料，然后由施工单位加工，也有的是由施工单位总承包。所以箱型柱的加工费用是包括在施工合同中的，只是到了加工该箱型柱时，为了图省事，施工单位就强调一些加工难度的理由，与业主几乎没有经济联系，但却对业主的施工质量和结构安全度、结构的永久性带来永久性的收益！

鉴于以上受力分析和经济分析，在荷载较大受力情况复杂的情况下设计为“箱型柱”，是经济合理、安全适用的，值得推广。

参考文献：

[1]技术标准：GB50017-2003《钢结构设计规范》

[2]技术标准：GB50011-2010《建筑抗震设计规范》