冷弯薄壁型钢结构在建筑工程中的应用

　2004年第11期　　　　　　　　　煤　炭　工　程　　　　　　　　　　研究探讨　

冷弯薄壁型钢结构在建筑工程中的应用

曹　宏

(中煤国际工程集团武汉设计研究院,湖北武汉　430070)

　　摘　要:冷弯薄壁型钢作为高效经济型材被广泛用于建筑等领域,常温下加工成型有很大

的灵活性,国内的商业化、系列化、专业化生产得到较快发展,但现场加工制作的水平不高。论文介绍了一个现场制作的冷弯薄壁格构式拱结构实例,旨在推广冷弯薄壁型钢结构在主要承力结构体系中的应用,而不仅局限檩条、龙骨、门窗、墙板等非主要承力构件中;同时,进一步强调大跨度拱结构的整体稳定问题。　　关键词:冷弯薄壁型钢;格构式拱;整体稳定　　中图分类号:TU391　　文献标识码:B　　文章编号:1671-0959(2004)[1**********]　冷弯薄壁型钢结构的发展现状

冷弯薄壁型钢结构在工程中应用的比较普遍,但多作为檩条等次要构件,主要构件或主体采用冷弯薄壁型钢结构的工程实并不多见。这种结构在国外发展较快,我国20世纪60年代中期开始使用并有所发展,1984年在河北建成18m跨度的某仓库采用冷弯薄壁型钢结构,1990年在河北万年煤矿建成的3618m跨度的设备棚也采用了冷弯薄壁型钢结构。20世纪90年代后期,压型钢板类的拱形波纹屋顶在我国普遍应用,一部分是从美国的Mic公司或者韩国K-SPAN公司直接引进,还有一部分是引进国外技术,然后根据我国国情研制开发的金属拱形波纹屋顶。这种屋顶是由彩色镀锌钢板经冷模辊压而成的一种带横向波纹的拱形屋顶结构形式,无檩条承力构件与围护构件一体,实

现了板架合一,技术比较先进,这种结构是典型的冷弯薄壁型钢结构。但是这种结构计算理论虽进行了分析和实验[1],但目前认识尚不足,更没有统一的设计、计算标准。

目前有两种计算方法,一种是按照平面拱理论;另一种运用壳体有限元理论,将拱形屋顶按空间壳体进行分析。两种计算方法对于工程设计师而言都是可以运用的。从结构的整体形式上看近似于筒壳结构,从构件的形式上看结构上有明显的肋骨近似于拱架,将其视为平面拱也有道理。但是在工程应用中,使用时没有严格按照我国有关规范的要求进行设计、验算,普遍存在平面内刚度不足、结构失稳,屋顶塌落事故发生多起。另外,这种结构是由彩色镀锌钢板经冷模辊压成形,受成型机械的限制,肋高有限(118～240mm),钢板的厚度有限(016～115mm),所以在应用上有一定的局限性,用于大跨度屋面时稳定性不易满足。

表1　电容电流的计算

电缆型号

YJV39-3X185VV22-3X120UYPJ-3X150UYPJ-3X95UYPJ-3X50UYPJ-3X35MVV22-3X35MVV22-3X25

《煤矿安全规程》规定:一回电源应能带全部用电负荷,在

合计

[***********][***********]61785

电缆长度/km

[***********]2213

电容电流/

A・km-[***********][***********]633

地面变电所内建二间消弧线圈室,安装两套调匝式自动跟踪补偿消弧装置。

4　结　语

煤矿电网中性点是否采用经消弧线圈接地形式,应根据矿井电容电流及具体实际情况来慎重选择。通过消弧装置接地,能有效抑制铁磁谐振、弧光接地过电压,并使大多数瞬时性接地故障自行消失,即使发生永久性金属接地故障,也仅停止故障电路的供电,切实保证了供电的可靠性。煤矿供电中一级负荷种类多,容量大,其电网中性点应优先采用准确、可靠、直观、误差小的自动跟踪补偿消弧装置,以确保供电的可靠性。

(责任编辑　郑燕凌)

共计

　　收稿日期:2004-05-13

　　作者简介:曹　宏(1966-),男,黑龙江大庆人,高级工程师,毕业于中国矿业大学工民建专业,一直从事建筑结构

设计。

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拔成型。万年矿机厂设备棚的薄壁构件就是在现场制备好台模,用多组千斤顶模压,再用弯板机配合而成。虽然自动化程度不高,但却说明了其加工的容易性、灵活性。现场组织合理的工序,首先将钢板带平直,裁剪按预先规定的尺寸和形状一次完成;进而按设计成型的标准压型;而后进行焊接,缀板或缀条及隔板,组成基本格构拱构件。把整个拱架先按设计分成若干段(5,7,9段),例如:中间顶部编为1号,1号两边对称段编号为2,依次编成3、

4,这些板件的尺寸根据设计事先划分好,计算分割尺寸的

2　冷弯薄壁型钢结构的应用实例

万年煤矿3618m跨度的机厂设备棚采用传统的平面拱结构,不同之处在于主要承力构件的拱和拉杆、次要构件的檩条和支撑均采用冷弯薄壁型钢结构。内力分析与普通平面拱结构相同,设计时考虑满跨荷载、半跨荷载及风荷载(包括水平风压和风的吸力)。拱主要承受轴向压力和平面内的弯矩,对于钢结构压弯构件而言,控制构件的长细比、保证构件的整体稳定和局部稳定非常重要,尤其对于大跨度拱更为突出。拱截面常设计为一个较大的钢管,或用三个小直径钢管形成格构形式。本文所介绍的拱架是用

4mm厚钢板冷弯成两个带卷边的槽形截面,加设缀板或缀

形状,以便压成后焊接。拱架的缀条采用小型角钢,由中部向两侧对称进行,为保证格构式构件的截面几何尺寸2～3m间距设置隔板,构件中心轴误差不大于±1mm。拱架加工好以后进行检测和校正,并进行荷载试验,包括满跨均布荷载和半跨均布荷载两种工况。抽样20%,两榀进行试验,避免平面外稳定影响。在支座、跨中、1/8、1/6、

1/4各个点安装位移表,测量拱的竖向变形,在支座两端

条形成冷弯薄壁型钢格构式拱架,使截面有更大的抵抗矩和回转半径,降低构件的长细比。拉杆的截面也是采用两个较小的冷弯槽形截面通过缀板连接而成,拱及拉杆形成主要受力构件,两拱之间设置薄壁型钢檩条,拱与拉杆之间设置吊杆,拱架之间设置必要撑杆和屋面水平支撑,檩条上铺彩色钢板。这种结构形式的大跨度屋面在我国工程中尚不多见,它却是一种很好的结构形式,对于我国的冷弯薄壁型钢结构技术的应用是一次尝试。遗憾的是冷弯薄壁型钢结构的应用在我国发展仍然较慢,十几年过去了,除了引进国外的波纹拱形屋顶结构技术外,未见到冷弯薄壁型钢结构技术及应用有较大的发展。

冷弯薄壁型钢平面拱结构受力明确,易于控制,主要受力构件就是一个带拉杆的拱。拱是压弯构件,本工程拱截面为双轴对称截面,当弯矩作用于对称平面内时,应按规范规定的公式计算弯矩作用平面内的稳定性:

+

安装千分表测量水平变形,并在拉杆上安装电阻应变片,测量拉杆的变形。通过试验数据整理分析,完全符合设计的假定条件,负荷、强度、稳定及变形均在设计控制内,满足规范要求。

3　结　语

1)冷弯薄壁型钢结构是一种高效经济形结构,主要用

于建筑行业及机械制造、交通、造船、轻工、电力等行业,有良好的发展潜力。

2)影响冷弯薄壁型钢结构在建筑结构中作为主要承载

构件的原因有两个方面。一方面是理论研究尚有不足,另一方面是现场加工设备不足。今后应该加强理论研究、实验和总结;同时组织冷弯薄壁型钢结构的商品化、系列化、专门化的生产。

3)冷弯薄壁型钢格构式拱结构力学模型明确,受力简

βM

(1-)We

N′z

　　对于带拉杆的拱结构,应按构件端部有侧移考虑,等效弯矩系数βm=110;

冷弯型钢是一种高效经济型材,由热(冷)轧钢板或钢带在常温下冷加工成型,冷弯型钢的加工方式多采用辊式机组连续辊轧成型,小批量生产采用压力机模压成型,或由弯板机弯曲成型,某些形状特别复杂的冷弯型钢可由冷

单,截面有较大的抵抗矩和回转半径,能较好地满足结构强度和整体稳定的要求。

4)大跨度拱结构的整体稳定是结构的关键。构件的长

细比、荷载作用形式、支座约束条件及拱的曲率等几何特性是影响结构整体稳定的主要因素,应进一步深入研究,完善理论,制定量化标准。

5)金属拱型薄壁型钢结构(例如MMR型,MIC型)是

一种非常好的结构,根据目前的加工机具能力,肋高不超过250mm,应用跨度不宜大于24m。并应加强这类结构的稳定问题的理论研究,制定国家标准。参考文献:

[1]　张　勇,刘锡良.银河金属拱型波纹屋顶的静力稳定承载

力试验研究[J].建筑结构学报,1997,18(6).

[2]　GB50018-2002,冷弯薄壁型钢结构技术规范.

[3]　张忠权.冷弯薄壁型钢结构设计手册[M].中国建筑工业

出版社,1996.

(责任编辑　马光辉)

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