鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中合理選用材料進(jìn)行了分析與評(píng)述

[ 關(guān)鍵詞：鋼管結(jié)構(gòu) 無(wú)縫鋼管 焊接鋼管 　發(fā)表日期：2022-11-05 11:53:17 ]

　　對(duì)目前鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中合理選用鋼管材料的一些問(wèn)題進(jìn)行了分析與評(píng)述。包括對(duì)鋼管標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)規(guī)范有關(guān)規(guī)定的理解和應(yīng)用，對(duì)不同類別鋼管性能特點(diǎn)的比較分析， 不同成型工藝對(duì)鋼管性能影響及冷作硬化與殘余應(yīng)力影響的分析等。對(duì)工程中合理選用鋼管材料提出了建議。

關(guān)鍵詞　鋼管結(jié)構(gòu)、無(wú)縫鋼管、焊接鋼管、徑厚比、殘余應(yīng)力、延性、成型工藝

引言

　　近年來(lái)，隨著體育場(chǎng)館、航站樓、會(huì)展中心等大量大跨度公共建筑的興建，鋼管結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也日益廣泛， 但限于材料供應(yīng)條件和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)缺失以及設(shè)計(jì)規(guī)范 (程) 缺少相關(guān)選材的指導(dǎo)等原因， 如何合理地選用鋼管材料，一直存在一些誤解與問(wèn)題， 如鋼材牌號(hào)、級(jí)別選用不當(dāng)，鋼材設(shè)計(jì)指標(biāo)選用有誤，將鋼管原板材料性能當(dāng)作鋼管產(chǎn)品性能或?qū)⒘黧w管作為結(jié)構(gòu)管應(yīng)用， 以及選材中未能考慮加工工藝對(duì)材料的影響等。擬結(jié)合正在進(jìn)行的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的編制工作， 對(duì)上述問(wèn)題提出分析意見(jiàn)與建議，供工程應(yīng)用參考。

1 　鋼管材料的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)工程設(shè)計(jì)選材應(yīng)以設(shè)計(jì)規(guī)范與鋼材產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)為基本依據(jù)，但目前工程技術(shù)人員常在較少查閱或不甚了解所用鋼材標(biāo)準(zhǔn)的情況下即行選用鋼材， 易造成選材不當(dāng)。近年來(lái)，《建筑結(jié)構(gòu)用冷彎矩形鋼管》(J G∏ T178 —2005) 、 《直縫焊接鋼管》( GB∏T13793 —2008) 、《結(jié)構(gòu)用無(wú)縫鋼管》( GB∏T8162 —2008) 等一些主要鋼管產(chǎn)品新標(biāo)準(zhǔn)與修訂標(biāo)準(zhǔn)相繼頒布， 《建筑結(jié)構(gòu)用冷成型焊接圓鋼管》也正在編制中，亦即目前按標(biāo)準(zhǔn)合理選材的依據(jù)條件已更為充分。表1 列出了與結(jié)構(gòu)用材相關(guān)的我國(guó)現(xiàn)行鋼管材料標(biāo)準(zhǔn)及其技術(shù)要求要點(diǎn)， 可供設(shè)計(jì)參考。設(shè)計(jì)查閱引用這些標(biāo)準(zhǔn)時(shí)， 需特別注意了解其適用范圍與技術(shù)要求( 鋼材牌號(hào)、性能指標(biāo)、質(zhì)量要求等) 及時(shí)效性，同時(shí)應(yīng)選用按國(guó)標(biāo)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)供貨的鋼管材料。

2 　相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范( 程) 關(guān)于鋼管選材的規(guī)定設(shè)計(jì)規(guī)范是設(shè)計(jì)合理選材的重要依據(jù)， 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50017 —2003) 還將部分選材規(guī)定列為強(qiáng)制性條文，強(qiáng)調(diào)了合理選材的重要性。以下歸納了現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范(程) 關(guān)于鋼管選材的規(guī)定， 并提出了遵循這些規(guī)定時(shí)的注意事項(xiàng)。 211《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50017 —2003) 該規(guī)范除對(duì)結(jié)構(gòu)用鋼材及其選用有基本規(guī)定外， 還在101112 條、101113 條中對(duì)鋼管選材規(guī)定了以下要求:1) 圓鋼管徑厚比( D∏t) 不應(yīng)超過(guò)100(235∏f y ) ;矩形鋼管最大邊長(zhǎng)尺寸與厚度之比( h∏t) 不應(yīng)超過(guò)40 (235∏ f y ) ;2) 熱加工管材與冷成型管材的屈服強(qiáng)度不應(yīng)超過(guò) 345MPa ，屈強(qiáng)比不應(yīng)大于018 ，管壁厚不宜大于25mm。上述第1 項(xiàng)是按局部穩(wěn)定要求， 規(guī)定了所用管材的最大徑厚(邊厚) 比限值。實(shí)際上為了防止過(guò)大的冷加工硬化降低鋼材延性與穩(wěn)定承載力， 設(shè)計(jì)選材時(shí)還應(yīng)注意避免選用徑厚比過(guò)小的冷成型焊接圓鋼管。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定冷卷鋼管最小徑厚比為33(Q345 鋼) ， 該值對(duì)結(jié)構(gòu)用卷管似偏嚴(yán)。目前正在編制的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)用 4 8

　　鋼管標(biāo)準(zhǔn)及其技術(shù)要求 表1 標(biāo)準(zhǔn)名稱 適用范圍 制造工藝及鋼材牌號(hào) 截面形狀《冷彎型鋼》 ( GB∏T6725 —2008) 規(guī)定了冷彎圓、方管材與型材的技術(shù)要求、質(zhì)量檢驗(yàn)要求。適用于冷軋或熱連軋鋼板和鋼帶在連續(xù)冷彎?rùn)C(jī)組上成型的冷彎鋼管與型鋼。制造工藝:在連續(xù)冷彎?rùn)C(jī)組上成型后高頻電阻焊接或氬弧焊接成管。鋼材牌號(hào):Q235 ，Q345 ，Q390(不分等級(jí)) 。力學(xué)性能適用于壁厚不大于19mm的冷彎型鋼。圓管，方、矩形鋼管， C 形鋼， Z 形鋼《結(jié)構(gòu)用冷彎空心型鋼尺寸、外形、重量及允許偏差》( GB∏T6728 — 2002) 規(guī)定了冷彎圓、方管材的規(guī)格與尺寸公差。適用于冷( 熱) 軋鋼板和鋼帶在連續(xù)冷彎?rùn)C(jī)組上成型的冷彎管材。圓管規(guī)格:2113 ×112～610 ×16。方管規(guī)格:20 ×112～500 ×16。矩管規(guī)格:30 ×20 ×115～600 ×400 ×16。圓管、方管、矩形鋼管《建筑結(jié)構(gòu)用冷彎矩形鋼管》 (J G∏T178 —2005) (建設(shè)部產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)) 規(guī)定了冷彎矩形鋼管的技術(shù)要求、質(zhì)量檢驗(yàn)與規(guī)格尺寸公差要求。適用于建筑結(jié)構(gòu)用冷彎焊接矩形鋼管。制造工藝:以冷(熱) 軋鋼帶經(jīng)連續(xù)冷彎及高頻直縫焊接成管。成型方法可為直接成方或先圓后方。鋼材牌號(hào):Q235 ，Q345 ，Q390(不分等級(jí)) 。方、矩形鋼管《直縫電焊鋼管》( GB∏ T13793 —2008) 規(guī)定了直縫焊管的技術(shù)要求、質(zhì)量檢驗(yàn)要求與規(guī)格、尺寸公差。適用于一般用途的，外徑不大于630mm的直縫高頻電阻焊鋼管。制造工藝:以熱(冷) 軋鋼帶連續(xù)冷彎成型電阻焊接成管。鋼材主要牌號(hào): 20 號(hào)鋼， Q235A ， B ， C 鋼、Q345A ， B ， C 鋼。

　　所列力學(xué)性能未按厚度分組。按鋼材牌號(hào)給出了焊縫強(qiáng)度。圓管《結(jié)構(gòu)用無(wú)縫鋼管》 ( GB∏T8162 —2008) 規(guī)定了無(wú)縫鋼管的技術(shù)要求、質(zhì)量檢驗(yàn)要求與規(guī)格尺寸公差。適用于機(jī)械結(jié)構(gòu)、一般結(jié)構(gòu)用無(wú)縫鋼管。制造工藝:熱軋(擴(kuò)) 或冷拔(軋) 成型。鋼材牌號(hào):99 年標(biāo)準(zhǔn)—10 ，20 ，35 ，45 號(hào)鋼，Q345 鋼(不分等級(jí)) ;2008 年標(biāo)準(zhǔn)—新增 25 號(hào)， 20Mn ， 25Mn 鋼及 Q235A～ D ，Q390A～E，Q420A～E，Q460C～E鋼。圓管《低壓流體輸送用焊接鋼 管》( GB∏T3091 — 2008) (不適用于結(jié)構(gòu)) 規(guī)定了直縫焊管的技術(shù)要求與質(zhì)檢要求。適用于水、氣等低壓流體輸送用焊接鋼管。制造工藝: 冷彎直縫高頻電阻焊( ERW) 或直縫埋弧焊 (SAWL) 、螺旋縫埋弧焊(SAWH) 。鋼材牌號(hào):Q215A ，B ，Q235A ，B ，Q345A ，B。圓管《低壓流體輸送管道用螺旋縫埋弧焊鋼管》 ( SY∏T5037 —2000) ( 不適用于結(jié)構(gòu)) 為石油部產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了螺旋焊管的技術(shù)要求(無(wú)力學(xué)性能) 及質(zhì)檢要求， 適用于水、氣等低壓流體輸送管道。

　　制造工藝:采用熱軋鋼帶，經(jīng)過(guò)高溫螺旋成型， 螺旋縫采用自動(dòng)埋弧焊法焊接。鋼材牌號(hào):Q195 ，Q215 ，Q235。也可采用其他焊接性能良好的鋼種。圓管《焊接鋼管尺寸及單位長(zhǎng) 度 重 量 》 ( GB∏ T21835 —2008) 規(guī)定了焊接圓鋼管的公稱尺寸及單位長(zhǎng)度重量。普通鋼管通用系列規(guī)格(D ×t) 可由4813 ×2～2 540 ×65�！稛o(wú)縫鋼管尺寸外形、重量及允許偏》( GB∏ T17395 —2008) 規(guī)定了無(wú)縫圓鋼管的尺寸、外形、重量及允許偏差。普通管熱軋規(guī)格( D ×t) 可由48 ×2～508 ×110 ， 擴(kuò)徑管直徑由 711～1 016mm。壁厚公差按厚徑比與精度等級(jí)分別規(guī)定，允許值在±(715～15) t %范圍內(nèi)。冷成型焊接圓鋼管》所進(jìn)行的試驗(yàn)分析表明， 對(duì)建筑結(jié)構(gòu)用管該限值可放寬為15～20。

　　上述第2 項(xiàng)關(guān)于強(qiáng)度級(jí)別與壁厚的規(guī)定， 主要是因?yàn)樵撘?guī)范中鋼管一章里所列相貫節(jié)點(diǎn)計(jì)算的公式、方法均是以此類鋼材與壁厚條件為對(duì)象試驗(yàn)研究得出的。若并非相貫線節(jié)點(diǎn)直接焊接的桁架或鋼管柱、支撐等構(gòu)件，其鋼管選材可不受此限制。該規(guī)范在正文中未提及不同類別鋼管的選用規(guī)定，但在101111 條的條文說(shuō)明中提出“由于軋制無(wú)縫鋼管價(jià)格較貴， 宜采用冷彎成型的高頻焊接鋼管。方 (矩) 形鋼管多為冷成型高頻焊接鋼管， 由于此類管材通常存在殘余應(yīng)力與冷作硬化現(xiàn)象， 用于低溫地區(qū)的外露結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行專門(mén)的研究”。這一段表述仍可作為設(shè)計(jì)選材中應(yīng)普遍遵守的原則。 212《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》( CECS28 :90) 該規(guī)程因編制年份較早，雖尚未修訂， 但現(xiàn)在仍可作為設(shè)計(jì)參照，可是有關(guān)選材的規(guī)定多數(shù)已明顯滯后， 不再適用。如21112 條規(guī)定“鋼管可采用直縫焊管、螺旋焊管和無(wú)縫鋼管……”，71112 條又規(guī)定鋼管的“…… 卷管方向應(yīng)與鋼板壓延方向一致……”這兩條規(guī)定均有不妥處。首先迄今為止， 尚無(wú)結(jié)構(gòu)用的螺旋焊管產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)可供結(jié)構(gòu)工程選用， 現(xiàn)行流體螺旋鋼管標(biāo)準(zhǔn)并無(wú)力學(xué)性能規(guī)定，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)無(wú)據(jù)可循;再是限定制管方向與鋼板壓延方向一致的規(guī)定亦缺乏技術(shù)依據(jù)，因現(xiàn)冷成型圓鋼管所用卷制( 與板軋制方向一致) 與壓彎(與板軋制方向相垂直) 兩大類成型方法成型后的管材，均可滿足結(jié)構(gòu)用管的使用要求， 設(shè)計(jì)選材時(shí)可不必對(duì)此提出限制。

　　213《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( CECS159 :2004) 該規(guī)程31113 條規(guī)定了“矩形鋼管可采用冷成型的直縫或螺旋焊管或熱軋管……”，按該條條文說(shuō)明可知，冷成型螺旋焊管是指由螺旋焊圓管再次通過(guò)冷軋 5 8 成為矩形(即圓變方) 的鋼管， 而熱軋管是將已成型的圓鋼管，在熱狀態(tài)下再次成型的矩形鋼管。對(duì)此， 應(yīng)注意以下問(wèn)題: 熱軋無(wú)縫鋼管與直縫焊接圓鋼管性能特點(diǎn)比較 表2 標(biāo)準(zhǔn) 《結(jié)構(gòu)用無(wú)縫鋼管》( GB∏T8162 —2008) 《直縫焊接鋼管》( GB∏T13793 —2008) 適合鋼結(jié)構(gòu)的鋼材牌號(hào)可選用 Q235 ， Q345 ， Q390 ， Q420 ， Q460 各牌號(hào)、各等級(jí)鋼，不能選用 GJ 鋼�？蛇x用Q235 ，Q345 ，Q390 ，Q420 ，Q460 各牌號(hào)、各等級(jí)鋼與 GJ 鋼。當(dāng)按本標(biāo)準(zhǔn)供貨時(shí)， 可選Q235A ，B ， C 級(jí)鋼， Q345A ，B ，C級(jí)鋼，其他牌號(hào)可協(xié)議訂貨。規(guī)格 熱軋最大直徑規(guī)格可為508mm。按不同冷成型方式，卷制或壓制管最大直徑可達(dá)215～ 3m或更大， 最大厚度可大于 100mm。可為任意規(guī)格。當(dāng)按本標(biāo)準(zhǔn)供貨時(shí)，最大直徑為610mm�；瘜W(xué)成份與碳當(dāng)量 Q235 鋼硫、磷降低優(yōu)化， 低合金鋼仍按 GB∏ T1591 規(guī)定，但無(wú)碳當(dāng)量保證的規(guī)定�；瘜W(xué)成分與所用原板相同，均可按所要求鋼號(hào)保證， 低合金鋼鋼管可按保證碳當(dāng)量交貨。力學(xué)性能 ( 以 Q345 鋼為例) 屈服強(qiáng)度∏MPa ≥345( t ≤16) ， ≥325( t = 16～30) ， ≥295( t > 30) (按《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》( GB∏T1591) ≥345 ( t ≤16) ， ≥335( t = 16～40) ， ≥305( t = 80～100) 抗拉強(qiáng)度∏MPa ≥490 ≥470～630 伸長(zhǎng)率∏% ≥21 ≥20(Q345 鋼) ， ≥18(Q345 焊管) - 40 ℃沖擊功∏J ≥27 ≥34(Q345 鋼) ， ≥27(Q345 焊管) 按壓桿設(shè)計(jì)時(shí) a 類截面 b 類截面壁厚公差 ±(1215～15) % ±(7～10) %( t ≤15) ， ±(4～6) %( t = 15～20) 價(jià)格 約較直烽焊接鋼管高(15～20) % —

(1) 同前所述， 目前尚無(wú)結(jié)構(gòu)用螺旋焊管產(chǎn)品， 若用流體螺旋焊管， 其性能不能保證符合結(jié)構(gòu)的使用要求。且矩形螺旋管經(jīng)兩次冷加工成型， 其冷作硬化效應(yīng)更為顯著，故目前在工程中不宜選用冷成型螺旋焊矩形鋼管。
(2) 矩形直縫焊接鋼管的冷成型方法可分為圓變方與直接成方兩類。前者因二次冷加工， 成管后殘余應(yīng)力及硬化影響要比后者明顯增高，延性有明顯降低。故承重構(gòu)件選材宜明確提出選用直接成方的矩形鋼管�，F(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)用冷彎矩形鋼管》(J G∏ T178 —2005) 較詳細(xì)地規(guī)定了這兩類產(chǎn)品及其Ⅰ級(jí)、Ⅱ 級(jí)產(chǎn)品的技術(shù)要求、性能指標(biāo)與公差、質(zhì)量要求， 可作為矩形鋼管選材的主要依據(jù)。
(3) 熱軋矩形鋼管為冷成型圓鋼管在加熱狀態(tài)下由圓變方，相當(dāng)于成型過(guò)程中進(jìn)行了熱處理， 因而管材殘余應(yīng)力大幅削減， 延性提高， 焊接性能改善， 綜合性能明顯優(yōu)化。此類管材適于重要結(jié)構(gòu)。因我國(guó)尚無(wú)此類熱成型方矩管材產(chǎn)品，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)少數(shù)工程所用均為進(jìn)口產(chǎn)品， 價(jià)格較高， 故宜經(jīng)比選后采用。其性能、參數(shù)可參照歐洲產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《非合金和細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼的最終熱成型管材》( EN10210 —2006) 。

3 　熱軋無(wú)縫鋼管與直縫焊管的特點(diǎn)與性能比較長(zhǎng)期以來(lái)，人們多以為無(wú)縫鋼管沒(méi)有接縫， 因而質(zhì)量、性能均優(yōu)于直縫焊管，其實(shí)這是一種誤解。由于較早的無(wú)縫鋼管主要用途為石油套管， 故按我國(guó)1999 年《結(jié)構(gòu)用無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)， 其產(chǎn)品鋼材牌號(hào)并無(wú)普通碳素結(jié)構(gòu)鋼(Q235) 和強(qiáng)度較高的( ≥345MPa) 低合金鋼。到2008 年新修訂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)才對(duì)鋼材牌號(hào)做了較全面的補(bǔ)充。但由于頂管成型工藝不如鋼板軋制工藝對(duì)鋼材性能有更大的改善作用，因而與同牌號(hào)、同厚度鋼板和焊管相比，雖其殘余應(yīng)力低，作壓桿時(shí)可按a 類截面計(jì)算，但屈服強(qiáng)度也低， 對(duì)徑厚比大的鋼管， 其沖擊韌性略差。此外， 碳當(dāng)量尚不是交貨的基本條件， 且規(guī)格少，壁厚公差值大，價(jià)格較高。其與焊管二者的性能特點(diǎn)比較見(jiàn)表2。

4 　冷成型鋼管管材性能與其原板性能的差異如前所述，將原板經(jīng)冷彎、冷卷(壓) 制成焊接鋼管后，由于冷作硬化的影響，管材的力學(xué)性能會(huì)較原板強(qiáng)度提高而延性降低。對(duì)冷彎矩形鋼管( 特別在截面的轉(zhuǎn)角處) 和徑厚比較小的圓鋼管，這種變化的幅度更為顯著。但長(zhǎng)期以來(lái)， 工程技術(shù)人員對(duì)此差異及其影響不甚了解，以為只要提出了鋼材牌號(hào)的要求， 管材的性能就可以按鋼材牌號(hào)或原板的材質(zhì)/鋼號(hào)/牌號(hào)/鋼級(jí)性能一樣得到保證。而多年來(lái)在實(shí)際工程中也常以原板的材質(zhì)/鋼號(hào)/牌號(hào)/鋼級(jí)報(bào)告單作為管材的材質(zhì)/鋼號(hào)/牌號(hào)/鋼級(jí)單，提供驗(yàn)收與設(shè)計(jì)、監(jiān)理認(rèn)可。這種做法導(dǎo)致最終構(gòu)件所用管材可能存在較大冷作殘余應(yīng)力，雖強(qiáng)度提高，但屈強(qiáng)比相應(yīng)提高，延性韌性降低， 耐斷裂能力與焊接性能變差， 降低了鋼管構(gòu)件在彈塑性或低溫工作條件下的安全性。故當(dāng)承重結(jié)構(gòu)采用冷成型鋼管時(shí)，特別是在低溫環(huán)境或動(dòng)荷載條件下， 應(yīng)明確提出鋼管管材(不是原板) 的力學(xué)性能與工藝性能要求及依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，施工單位鋼材訂貨及監(jiān)理也應(yīng)以此為依據(jù)進(jìn)行驗(yàn)收與把關(guān)。目前建設(shè)部產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)用冷彎矩形鋼管》(J G∏T178 —2005) 已對(duì)此有明確的規(guī)定，并將產(chǎn)品按保證管材性能或只保證原板性能分為 6 8 Ⅰ級(jí)產(chǎn)品與Ⅱ級(jí)產(chǎn)品，更便于設(shè)計(jì)人員優(yōu)材優(yōu)用、合理選材。表3 列出了冷彎管材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能指標(biāo)與原板性能指標(biāo)的比較，由表可知:

(1) 冷成型管材標(biāo)準(zhǔn)所列的屈服強(qiáng)度均與原板的屈服強(qiáng)度相同。實(shí)際上成管后屈服強(qiáng)度都會(huì)因冷加工強(qiáng)化而提高(增幅可達(dá)30 %以上) ， 只是在鋼管標(biāo)準(zhǔn)中未列出其增值而已，同時(shí)在冷成型鋼管設(shè)計(jì)中， 一般也不考慮此提高影響。而《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》 ( GB50018 —2002) 對(duì)冷彎薄壁型鋼( t ≤6mm) 規(guī)定了可考慮此提高影響， 其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可乘以增大系數(shù)后取值為 f ′。
(2) 抗拉強(qiáng)度基本上無(wú)變化。這意味著鋼管實(shí)際的屈強(qiáng)比會(huì)有所提高，亦即降低了延性， 如表中先圓后方工藝生產(chǎn)的矩形鋼管屈強(qiáng)比限值均放寬到019。
(3) 伸長(zhǎng)率普遍降低。按表中各標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)定的限值比較，對(duì)Q235 鋼材降低10 %～20 %; 對(duì)Q345 ， Q390 均降低10 %～15 %，即塑性、韌性、耐斷裂性均降低。

5 　焊接鋼管成型工藝對(duì)管材性能的影響目前焊管的成型工藝可分為冷成型與熱成型兩大類，前者綜合性能較差，而后者優(yōu)良。表4 列出了不同工藝鋼管特點(diǎn)與性能的比較。

6 　關(guān)于管材中殘余應(yīng)力的問(wèn)題在管材中同樣也存在著殘余應(yīng)力， 作為一種內(nèi)在的缺陷，會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用性能產(chǎn)生不利影響， 也引起設(shè)計(jì)人員的關(guān)注與擔(dān)心。近年來(lái)， 一些重點(diǎn)工程中設(shè)計(jì)要求對(duì)加工成型的厚壁管材進(jìn)行消除殘余應(yīng)力的處理，這將大大增加加工難度與成本， 對(duì)一些大型構(gòu)件還并不可行。對(duì)此可說(shuō)明以下幾點(diǎn): 冷成型焊接鋼管性能與原板性能比較 表3 性能直縫焊接圓鋼管 冷彎矩形鋼管《直縫電焊鋼管》 ( GB∏T13793 —1999) 《直縫電焊鋼管》 ( GB∏T13793 —2008) 《冷彎型鋼》( GB∏T6725 —2008) ( t ≤19) 《建筑結(jié)構(gòu)用冷彎矩形鋼管》(J G∏T178 —2005) Ⅰ級(jí)產(chǎn)品( t = 4～22) 鋼材牌號(hào) Q235A ，B Q235A ，B ，C Q345A ，B ，C Q235 Q345 Q390 Q235 Q345 Q390 屈服強(qiáng)度∏MPa 無(wú)規(guī)定 ≥235 (235∏225) ≥345 (345∏335) ≥235 (235∏225) ≥345 (345∏335) ≥390 (390∏370) ≥235 (235∏225) ≥345 (345∏335) ≥390 (390∏370) 抗拉強(qiáng)度∏MPa ≥{375} [ 390 ] (370～500) ≥375 (370～500) ≥470 (470～630) ≥370 (370～500) ≥470 (470～630) ≥490 (490∏650) ≥375 (370～500) ≥470 (470～630) ≥490 (490∏650) 屈強(qiáng)比 無(wú)規(guī)定 無(wú)規(guī)定 無(wú)規(guī)定 無(wú)規(guī)定 無(wú)規(guī)定 無(wú)規(guī)定直接成方 ≤018 ， 先圓后方 ≤019 直接成方 ≤018 ， 先圓后方 ≤019 直接成方 ≤0185 ， 先圓后方 ≤019 伸長(zhǎng)率∏% ≥{20} [ 9 ] (26) ≥20 (26) ≥18 (20) ≥24 (26) ≥20 (20) ≥17 (20) ≥23 (26) ≥21 (20) ≥19 (20) 碳當(dāng)量∏% 無(wú)規(guī)定 無(wú)規(guī)定 無(wú)規(guī)定 無(wú)規(guī)定 無(wú)規(guī)定 無(wú)規(guī)定 ≤ 0136 ≤0143 ≤0145 　　注: () 為原板的指標(biāo)值，其分子和分母值分別為厚度不大于和大于16mm的值;{}值為軟狀態(tài)鋼管R; [ ]值為低硬狀態(tài)鋼管DY。各類鋼管成型工藝與產(chǎn)品性能特點(diǎn) 表4 鋼管類別

　　成型工藝與產(chǎn)品特點(diǎn) 鋼管性能特點(diǎn)冷成型直縫焊接圓管冷彎矩形鋼管熱成型矩形鋼管單張卷制工藝

1) 將單張鋼板沿其軋制方向在卷管機(jī)上多次卷曲后焊接成管，鋼結(jié)構(gòu)制造廠多用此工藝， 成本較低;
2) 冷卷管卷制最大厚度可達(dá)110mm， 最大管徑可超過(guò)3m;
3) 單管長(zhǎng)度(受設(shè)備條件限制) 較短，

　　一般為鋼板寬度。

1) 成管后用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，主要應(yīng)用原板的橫向性能， 而鋼板的橫向沖擊功較縱向的低;
2) 可加工更大直徑的厚壁管，但管段較短，常需焊接接長(zhǎng)。

單張壓彎工藝

1) 在壓彎制管機(jī)上將鋼板沿垂直于軋制方向以長(zhǎng)壓頭逐點(diǎn)壓制折彎，漸變?yōu)閳A形后焊接成管; 2) 成型管材直徑為400～2 600mm， 最大壁厚100mm， 單管長(zhǎng)度1210m;
3) 一般為專業(yè)制管廠在較先進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)線上檢測(cè)、加工，成本較高。

1) 成管后用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，主要應(yīng)用原板的縱向(軋制方向) 性能，鋼板縱向各力學(xué)性能指標(biāo)均略優(yōu)于橫向的， 特別是沖擊功;
2) 單管長(zhǎng)度較長(zhǎng)， 對(duì)較長(zhǎng)構(gòu)件可減少管段拼焊接頭。連續(xù)冷彎工藝
1) 將鋼帶在多輥冷彎?rùn)C(jī)組上連續(xù)冷彎成型高頻焊成管;
2) 最大規(guī)格( D ×t) 為610 ×16。 1) 鋼帶開(kāi)卷、冷彎、焊接均在連續(xù)冷彎?rùn)C(jī)組上完成， 生產(chǎn)效率高;2) 規(guī)格為直徑、壁厚不大的鋼管。圓變方工藝 1) 在連軋機(jī)上將連續(xù)冷彎焊接的圓鋼管， 再經(jīng)多輥連續(xù)軋制冷成型為矩形鋼管;2) 管材可連續(xù)生產(chǎn)， 效率高， 成本較低，可生產(chǎn)最大規(guī)格為500 ×20。因經(jīng)二次冷彎成型，形成冷作硬化累積效應(yīng)， 成管后屈服強(qiáng)度有較大幅度提高而塑性性能與延性明顯下降。在各拐角處與焊縫處有較高的殘余應(yīng)力，焊接性能變差。直接成方工藝 1) 將鋼板(帶) 在成型機(jī)上以長(zhǎng)壓頭沿4 個(gè)拐角點(diǎn)逐次壓制成直角，再高頻焊成方( 矩) 形管; 2) 管材為單管壓制生產(chǎn)，效率較低，成本較高，最大規(guī)格為500 ×20。為一次冷彎成型，管材平板部分的塑性指標(biāo)( 伸長(zhǎng)率) 較原板降低不多，但各拐角處仍有較高的殘余應(yīng)力， 局部焊接性能差。最終熱成型工藝 1) 先連續(xù)冷彎并焊接為圓鋼管， 再進(jìn)入加熱成型設(shè)備， 在熱狀態(tài)下成型為矩形管;2) 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)可生產(chǎn)最大規(guī)格為500 ×16 ，我國(guó)尚無(wú)生產(chǎn)線， 所用管材均需進(jìn)口， 價(jià)格較高。因最終工序?yàn)闊岢尚�，相�?dāng)于進(jìn)行了熱處理， 殘余應(yīng)力大幅削減，管材性能得到全面改善， 晶粒細(xì)化， 塑性、延性、焊接性能、低溫工作性能、耐斷裂性能等均有較大幅度提高。壓桿設(shè)計(jì)可用a 類截面。 7 8 　　

(1) 在板材、型材與管材中的殘余應(yīng)力， 主要是成型后不均勻冷卻或焊接收縮引起的一種沿截面自平衡附加應(yīng)力。前者可沿鋼材全長(zhǎng)與壁厚分布， 后者主要分布于焊縫區(qū)及其附近。此外冷加工時(shí)， 也會(huì)因較大的塑性變形產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力( 如冷彎型鋼的拐角處) 。相比較而言，熱成型方、矩鋼管的殘余應(yīng)力最低， 熱軋無(wú)縫鋼管殘余應(yīng)力也較低， 故規(guī)范規(guī)定這二類截面作壓桿時(shí)均可按a 類截面計(jì)算， 一般冷彎焊接方、圓鋼管則按b 類截面計(jì)算。
(2) 殘余應(yīng)力的特點(diǎn)是沿截面拉、壓應(yīng)力自相平衡;厚板組合截面殘余應(yīng)力高于薄壁構(gòu)件。熱軋鋼材殘余應(yīng)力的絕對(duì)值與其屈服強(qiáng)度無(wú)關(guān)， 亦即對(duì)更高強(qiáng)度鋼材的構(gòu)件， 殘余應(yīng)力對(duì)其穩(wěn)定性的不利影響會(huì)相對(duì)減小。同時(shí)殘余應(yīng)力還具有隨時(shí)間延長(zhǎng)或振動(dòng)影響而逐漸衰減的特性。 (3) 研究表明，殘余應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與抗疲勞性能等會(huì)產(chǎn)生不利影響， 但現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的計(jì)算方法中均已將其作為初始缺陷予以考慮。如對(duì)軸壓折減系數(shù)的截面分類即包含了此不利影響。
(4) 消除殘余應(yīng)力最有效的方法是對(duì)構(gòu)件最終進(jìn)行熱處理，削減效果好， 但成本高， 對(duì)大型構(gòu)件往往不可行。此外，采用振動(dòng)時(shí)效法也可有限地削減殘余應(yīng)力， 確有必要時(shí)， 可參照機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《焊接構(gòu)件振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)選擇及技術(shù)要求》(JB∏T10375 —2002) 要求進(jìn)行削減處理。綜上所述，對(duì)產(chǎn)品工藝過(guò)程中殘余應(yīng)力的不利影響，在設(shè)計(jì)規(guī)范中已對(duì)典型截面按初始缺陷予以考慮， 而成管焊接在大多數(shù)制造廠都已采用焊接區(qū)預(yù)熱、焊后緩冷及減小接頭約束度等措施， 再考慮殘余應(yīng)力時(shí)效衰減等特點(diǎn)， 一般可提出減小焊接約束度及預(yù)熱緩冷等措施要求，而不必要求對(duì)整體構(gòu)件進(jìn)行消除( 或削減) 殘余應(yīng)力處理。對(duì)低溫度疲勞條件下工作的或特別重要的焊接厚壁管件， 宜在進(jìn)行比較論證后提出此項(xiàng)要求。

7 　關(guān)于鋼管結(jié)構(gòu)合理選材的建議

(1) 結(jié)構(gòu)用鋼管的選材除應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)重要性、荷載特征、環(huán)境條件、鋼材厚度等要素外， 還應(yīng)注意成型方法和冷作硬化對(duì)管材性能的不利影響， 必要時(shí)， 應(yīng)同時(shí)提出成型工藝的要求(如直接成方、卷制或壓彎成型等) 。
(2) 各類承重結(jié)構(gòu)(特別是在低溫環(huán)境或動(dòng)荷載條件下) 選用管材時(shí)，應(yīng)在設(shè)計(jì)文件中同時(shí)明確要求鋼管原板與成管后管材所保證的性能與技術(shù)條件要求， 以及所依據(jù)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。訂貨合同應(yīng)對(duì)此有明確約定， 并作為鋼材到場(chǎng)驗(yàn)收的依據(jù)， 應(yīng)防止以原板材質(zhì)/鋼號(hào)/牌號(hào)/鋼級(jí)代替管材材質(zhì)/鋼號(hào)/牌號(hào)/鋼級(jí)進(jìn)行驗(yàn)收的做法。
(3) 對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范(程) 中有關(guān)鋼管的選材規(guī)定， 應(yīng)注意了解其相關(guān)條文說(shuō)明對(duì)其應(yīng)用條件、范圍與注意事項(xiàng)的解釋。對(duì)明顯滯后或與鋼材標(biāo)準(zhǔn)有矛盾的規(guī)定內(nèi)容，不宜再作為選材的依據(jù)。
(4) 承重結(jié)構(gòu)選用圓鋼管時(shí)宜注意以下幾點(diǎn):1) 一般宜優(yōu)先選用直縫焊接圓鋼管， 其技術(shù)要求與力學(xué)性能可按《冷彎型鋼》( GB∏T6725 —2008) 與《直縫電焊鋼管》( GB∏T13793 —2008) 的規(guī)定作為基本交貨條件，必要時(shí)，可提出附加要求的性能保證，如屈強(qiáng)比、沖擊功等; 2) 選用冷成型直縫焊管規(guī)格時(shí)，壁厚不宜過(guò)厚， 最小徑厚比( D∏t) 不宜小于15 (Q235) ， 20 (Q345) 或25 (Q390 ， Q420) 。對(duì)受動(dòng)力荷載的構(gòu)件及要求高延性的構(gòu)件， 應(yīng)盡量選用大徑厚比的鋼管，其伸長(zhǎng)率應(yīng)不小于20 %，屈強(qiáng)比應(yīng)不大于0185 ，對(duì)需要計(jì)算疲勞的構(gòu)件，宜選用壓彎成型的鋼管;3) 鋼結(jié)構(gòu)工程不宜選用流體用的螺旋焊管;4) 按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的相貫線直接焊接鋼管結(jié)構(gòu)，其鋼管的屈服強(qiáng)度不應(yīng)大于345MPa ， 屈強(qiáng)比不應(yīng)大于018 ， 壁厚不宜大于25mm;5) 有比選依據(jù)時(shí)， 可選用熱軋無(wú)縫鋼管，其厚壁管強(qiáng)度設(shè)計(jì)值宜予以折減， 必要時(shí)可協(xié)議要求按較小壁厚負(fù)公差交貨， 同時(shí)， 不宜選用擴(kuò)徑無(wú)縫鋼管。
(5) 承重結(jié)構(gòu)選用矩形鋼管時(shí)宜注意以下幾點(diǎn):

1) 冷成型矩形鋼管宜按《建筑結(jié)構(gòu)用冷彎矩形鋼管》(J G∏ T178 —2005) 規(guī)定的質(zhì)量與技術(shù)要求選用， 并宜選用直接成方的Ⅰ級(jí)產(chǎn)品鋼管;2) 當(dāng)有更高性能要求時(shí)， 可選用按歐洲標(biāo)準(zhǔn)《非合金和細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼的最終熱成型管材》( EN10210 —2006) 供貨的最終熱成型矩形鋼管;
3) 冷彎矩形鋼管用于直接承受動(dòng)荷載或低溫環(huán)境時(shí)，宜經(jīng)專門(mén)論證后采用。 (上接第99 頁(yè)) 行下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以充分考慮， 需采用有效的簡(jiǎn)化方法在下部結(jié)構(gòu)整體分析中進(jìn)行模擬。
(3) 大跨網(wǎng)殼的支座形式對(duì)其承載力及穩(wěn)定性能有很大影響，周邊整體約束較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)對(duì)溫度工況需足夠重視。