钢材未能在建筑领域大规模使用的瓶颈分析及解决方案

陈嘉辽，欧晓春

（攀枝花攀钢集团设计研究院有限公司，四川 攀枝花 617000）

钢材用于建筑领域，其形式就是梁、柱、板(墙)，本文仅讨论钢材用于梁、柱的形式。钢材用于梁、柱的断面形式也多种多样，有实腹式、格构式，本文仅讨论实腹式。实腹式断面形式也多种多样，如工字形截面、方矩形钢管截面、T字形截面、角钢、圆管等，本文仅讨论方矩形钢管的截面形式。钢材的材质也是影响使用量的一个主要因素，本文以Q235 为基准，其他材质进行换算而使用。钢材进入建筑领域有两个指标需要计算，其一是强度指标，其二是稳定指标。而稳定指标又分为整体稳定与局部稳定。整体稳定与局部稳定都由计算而定。对局部稳定，只要满足一定条件，可不计算。而现行的钢材加工体系的断面形式大于这个条件，如热轧的工字形截面、T 字形截面、角钢、圆管等，冷轧的方矩形钢管截面，增加了钢材在建筑领域的用量。本文着重讨论这个条件。

1 钢材以方、矩形钢管用于梁的情况

梁在建筑结构中主要承担竖向荷载产生的弯矩、剪力，也有可能承竖向荷载产生的扭矩，也有可能承担轴向的拉压力。

对于扭矩、拉压力、剪力，一般对方、矩形钢管梁不起控制作用，在此不进行分析。对于受弯的实腹方矩形钢管（见图1）翼缘板的宽厚比（b0/tw）满足下列条件，就可以不设加劲肋及不进行局部稳定计算。

式中，fy为钢材的牌号。

腹板的高厚比（b0/tw）满足下列条件，就可以不设加劲肋及不进行局部稳定计算。

对于梁，从式（1）、（2）可以看出，翼缘板局部稳定限值是腹板的1/2，而梁的高宽比一般在2 左右，这样，当梁、高宽比为2 时，对于等厚方矩形钢管翼缘板与腹板的局部稳定限值相同。当梁的高宽比小于2 时，等厚方矩形钢管的壁厚由翼缘板的局部稳定确定，当梁的高宽比大于2 时，等厚方矩形钢管的壁厚由腹板的局部稳定确定。

2 钢材以方、矩形钢管用于柱的情况

柱在建筑结构中主要承担竖向荷载、水平荷载。根据承担荷载的方式，可以把柱归纳为轴向拉压杆件、单向偏心拉压杆件、双向偏心拉压杆件。对于轴向受拉杆件、偏心受拉杆件，不存在局部稳定问题，下面仅讨论轴向受压杆件、单向偏心受压杆件、双向偏心受压杆件。轴向受压杆件的方、矩形钢管，翼缘板的局部稳定限值与腹板的局部稳定限值相同，为式⑴。单向偏心受压杆的方、矩形钢管翼缘板的局部稳定限值同式⑴，腹板的局部稳定限制见下式。

经对式（3）分析，单向偏心受压杆件方、矩形钢管腹板局部稳定限值为：。

当а0＝0 时，单向偏心受压杆件变成了轴压杆件，其腹板的局部稳定限值为这个轴压腹板局部稳定限值与式（1）不同。

当а0＝2 时，单向偏心受压杆件变成了纯弯杆件，其腹板的局部稳定限值为，这个纯弯腹板局部稳定限值与式⑵不同。这说明纯弯、轴向受压、单向偏心受压腹板局部稳定限值公式不能通用，其限值是不连续的。当腹板的局部稳定限值大于翼缘板的局部稳定限值时，就可用矩形钢管了。

单向偏心受压杆的方、矩形管腹板的局部稳定限值是杆件弯矩作用平面内的长细比）和腹板应力比值а0的函数。长细比λ 的取值范围为（30，100），应力比值а0的取值范围为(0，2）。

双向偏心受压方、矩形钢管杆件的局部稳定限值。由于一个方向的翼缘板就是另一个方向的腹板，分别算出各自限值，取小值进行设计。

3 结语

将满足局部稳定限值的一定范围方、矩形钢管截面制成表格，计算出各截面力学特性，供设计选用。再将该方、矩形钢管截面送给冷弯型钢厂进行生产。这样就形成了生产、设计、使用产业链。经工程实践，用该方、矩形钢管比现行的钢管节约钢材用量在10%～30%。经测算，方、矩形壁厚超过10mm 后，该方、矩形钢管钢材用量就开始偏大，当需要大于10mm 壁厚的方、矩形钢管时，实腹式钢管截面形式就不妥当了，就需要考虑使用格构式截面形式了。其一，传统的冷弯型钢转角的回转半径使冷弯型钢截面力学特性偏小。其二，冷弯型钢使转角处的钢材屈服、开裂，影响了冷弯型钢的强度。据说，最近出现了一个冷弯型钢的新技术，消除了前述的两个缺陷，这将促使弯型钢大量进入建筑领域。