關于箱型柱的受力特點比較和箱型柱的焊接方法

秦永樂

【摘要】本文結合工程實例，分析了普通軋制H型鋼柱與箱型柱的受力特點，介紹了箱型柱的焊接加工方法。由于H型鋼柱只有一個強軸，在梁柱連接節點處受力比較復雜的情況下，一是“節點域”不能滿足要求，二是按照“強連接弱構件”的原則，在地震作用下按地震組合內力進行彈性設計時，極限承載力驗算不能滿足。而箱型柱由于在X、Y方向均為強軸，加上節點處的加勁板，形成了較強的節點域，受力狀況比軋制H型鋼優越。

由于目前人們對箱型柱的認識尚不普遍，本文結合參觀工廠焊接箱型柱的加工流程，做簡單介紹。

【關鍵詞】節點域；箱型柱；強度；穩定

最近筆者在工作中遇到了一個問題，就是關于箱型柱焊接方法的問題。

由于筆者做的這個工程的具體特點，在設計中中間柱子采用了箱型柱，其它柱子采用了熱軋H型鋼。

這是一個5層的化工裝置的鋼結構框架，共9根柱子，跨距為6米x7米，層高分別為6米、6.3米、5.5米、6.7米和5米。每層的設備荷載大都集中在中間位置，頂層一臺設備的重量就接近100噸，因而中間柱子的受力最大。

筆者先按9根柱子均采用軋制H型鋼試算，經過對各種工況下的計算結果進行分析比較，中間柱子在梁柱節點處受力較大：一是“節點域”不能滿足要求，補強后仍無法滿足《鋼結構設計規范》GB50017-2003第7.4.2條的要求，即節點域的強度和局部穩定不能滿足規范要求。二是不能滿足《建筑抗震設計規范》GB50011-2001第8.2.8條的要求，即按照“強連接弱構件”的原則，在地震作用下按地震組合內力進行彈性設計時，極限承載力驗算不能滿足。

經過筆者多次試算，采用國標《熱軋H型鋼和剖分T型鋼》GB/T11263-2005中HW400x400，均不能滿足要求，計算結果如下（采用中國建筑科學研究院PKPM系列程序）：

1、該柱左側梁計算結果：梁編號105兩端節點設計結果：

采用鋼截面： H型鋼 HN700X300 700X300X13.0X24.0

梁 105 右端與柱 5 連接節點 （262） ： 設計不滿足

2、該柱右側梁計算結果：梁編號110兩端節點設計結果：（計算從略）

該柱另外兩側的鋼梁計算結果也同樣不能滿足上述之要求（計算從略）。

從既經濟又合理的角度考慮，筆者將該柱改為500x500的箱型柱，經過計算

上述兩條均能滿足（計算結果從略），而且用鋼量基本接近，但受力狀態卻是明顯的改善。

這是因為“H型鋼柱”，只有一個強軸，該處的柱子節點無論是腹板還是翼緣受力都比較復雜，因而出現上述不滿足規范的情況。

而“箱型柱”的受力在四個方向均是強軸，兩軸的抵抗矩相等，特別是本工程中間這個柱子，四個方向的力都集中到這個柱子上，鋼梁與柱子相連接處的節點受力較大。

但由于箱型柱有它的受力特點，能較好的解決這個問題，因而是比較合理的受力結構體系。

但很多業主甚至是有些工程技術人員對“箱型柱”的了解很少，甚至聞所未聞，更有甚者是很多人不知道箱型柱里面的加勁板（隔板）是如何焊進去的，所以有時不被接受。由于筆者所承擔的工程的特點，曾在近10套化工裝置中采用過箱型柱，在工程實際中就遇到了這樣的問題。

前段時間筆者與一些同行們去工廠參觀了箱型柱的加工制作過程：

箱型柱的焊接必須在工廠加工，不能在現場焊接，因為這是一套專門加工制作箱型柱的流水線，該生產線主要由雙弧雙絲CO2氣體保護打底焊機、三弧三絲埋弧焊機、電渣焊機、端面銑床、移動式導軌鉆及輸送輥道等組成。

3、首先將三面的鋼板和里面的加勁板按規定焊接成U型的槽。

4、在有加勁板的側面位置留上一個槽，以便填充焊料。

5、蓋上第四塊鋼板，將熔嘴（管狀長焊條）插入待焊焊口內，調節熔嘴使其處于焊口的中心并接觸到引弧板，再將焊嘴提起20～30mm，擰緊夾頭，從熔嘴內插入焊絲送入底部與引弧板相接觸，這時焊絲與熔嘴長焊管應在焊口的正中心，焊絲再提起10mm左右，擰緊送絲輪和調直輪，最后檢查焊機各部位是否擰緊，加人少量引弧劑和少量焊劑。

6、采用較高電壓短路引弧，引弧后，剛開始送絲速度要慢，即電流小點，以便造渣，此為弧焊過程，電流波動較大，隨著焊劑的熔化，形成有一定深度的熔化渣池，溫度逐漸升高，這時電流應適當大些，電弧開始消失而轉入電渣過程，電流和電壓逐漸趨于穩定，隨著電渣過程的穩定，可將電流和電壓調至附表所示數值，進入正常電渣焊過程，熔化的焊料將加勁板和第四塊板焊接成一體。

7、施焊過程中要密切注意焊機控制箱上電流和電壓的變化，根據情況隨時調節，并注意熔嘴始終保持在焊口的中心，保證渣池的溫度和熔池的形狀及深度正常，才能確定焊接質量。

8、焊接試件均經過超聲波檢驗，無裂紋和未熔合等缺陷。

此種焊接工藝稱為“熔嘴電渣焊”，已經非常普遍的應用，經過去加工廠參觀和對現場已經焊接好的成品進行觀察，此種焊接質量非常好。

而如果用“焊接H型鋼”，同樣也是工廠加工，因為成品的“軋制H型鋼”最大的為HW400x400的，在荷載較大的情況下，不能滿足設計的需要。如果改為焊接H型鋼，受力情況不如箱型柱，而且并不節省鋼材。

經過調查，鋼結構的施工一般為業主供應材料，然后由施工單位加工，也有的是由施工單位總承包。所以箱型柱的加工費用是包括在施工合同中的，只是到了加工該箱型柱時，為了圖省事，施工單位就強調一些加工難度的理由，與業主幾乎沒有經濟聯系，但卻對業主的施工質量和結構安全度、結構的永久性帶來永久性的收益！

鑒于以上受力分析和經濟分析，在荷載較大受力情況復雜的情況下設計為“箱型柱”，是經濟合理、安全適用的，值得推廣。

參考文獻：

[1]技術標準：GB50017-2003《鋼結構設計規范》

[2]技術標準：GB50011-2010《建筑抗震設計規范》