鋼材未能在建筑領域大規模使用的瓶頸分析及解決方案

陳嘉遼，歐曉春

（攀枝花攀鋼集團設計研究院有限公司，四川 攀枝花 617000）

鋼材用于建筑領域，其形式就是梁、柱、板(墻)，本文僅討論鋼材用于梁、柱的形式。鋼材用于梁、柱的斷面形式也多種多樣，有實腹式、格構式，本文僅討論實腹式。實腹式斷面形式也多種多樣，如工字形截面、方矩形鋼管截面、T字形截面、角鋼、圓管等，本文僅討論方矩形鋼管的截面形式。鋼材的材質也是影響使用量的一個主要因素，本文以Q235 為基準，其他材質進行換算而使用。鋼材進入建筑領域有兩個指標需要計算，其一是強度指標，其二是穩定指標。而穩定指標又分為整體穩定與局部穩定。整體穩定與局部穩定都由計算而定。對局部穩定，只要滿足一定條件，可不計算。而現行的鋼材加工體系的斷面形式大于這個條件，如熱軋的工字形截面、T 字形截面、角鋼、圓管等，冷軋的方矩形鋼管截面，增加了鋼材在建筑領域的用量。本文著重討論這個條件。

1 鋼材以方、矩形鋼管用于梁的情況

梁在建筑結構中主要承擔豎向荷載產生的彎矩、剪力，也有可能承豎向荷載產生的扭矩，也有可能承擔軸向的拉壓力。

對于扭矩、拉壓力、剪力，一般對方、矩形鋼管梁不起控制作用，在此不進行分析。對于受彎的實腹方矩形鋼管（見圖1）翼緣板的寬厚比（b0/tw）滿足下列條件，就可以不設加勁肋及不進行局部穩定計算。

式中，fy為鋼材的牌號。

腹板的高厚比（b0/tw）滿足下列條件，就可以不設加勁肋及不進行局部穩定計算。

對于梁，從式（1）、（2）可以看出，翼緣板局部穩定限值是腹板的1/2，而梁的高寬比一般在2 左右，這樣，當梁、高寬比為2 時，對于等厚方矩形鋼管翼緣板與腹板的局部穩定限值相同。當梁的高寬比小于2 時，等厚方矩形鋼管的壁厚由翼緣板的局部穩定確定，當梁的高寬比大于2 時，等厚方矩形鋼管的壁厚由腹板的局部穩定確定。

2 鋼材以方、矩形鋼管用于柱的情況

柱在建筑結構中主要承擔豎向荷載、水平荷載。根據承擔荷載的方式，可以把柱歸納為軸向拉壓桿件、單向偏心拉壓桿件、雙向偏心拉壓桿件。對于軸向受拉桿件、偏心受拉桿件，不存在局部穩定問題，下面僅討論軸向受壓桿件、單向偏心受壓桿件、雙向偏心受壓桿件。軸向受壓桿件的方、矩形鋼管，翼緣板的局部穩定限值與腹板的局部穩定限值相同，為式⑴。單向偏心受壓桿的方、矩形鋼管翼緣板的局部穩定限值同式⑴，腹板的局部穩定限制見下式。

經對式（3）分析，單向偏心受壓桿件方、矩形鋼管腹板局部穩定限值為：。

當а0＝0 時，單向偏心受壓桿件變成了軸壓桿件，其腹板的局部穩定限值為這個軸壓腹板局部穩定限值與式（1）不同。

當а0＝2 時，單向偏心受壓桿件變成了純彎桿件，其腹板的局部穩定限值為，這個純彎腹板局部穩定限值與式⑵不同。這說明純彎、軸向受壓、單向偏心受壓腹板局部穩定限值公式不能通用，其限值是不連續的。當腹板的局部穩定限值大于翼緣板的局部穩定限值時，就可用矩形鋼管了。

單向偏心受壓桿的方、矩形管腹板的局部穩定限值是桿件彎矩作用平面內的長細比）和腹板應力比值а0的函數。長細比λ 的取值范圍為（30，100），應力比值а0的取值范圍為(0，2）。

雙向偏心受壓方、矩形鋼管桿件的局部穩定限值。由于一個方向的翼緣板就是另一個方向的腹板，分別算出各自限值，取小值進行設計。

3 結語

將滿足局部穩定限值的一定范圍方、矩形鋼管截面制成表格，計算出各截面力學特性，供設計選用。再將該方、矩形鋼管截面送給冷彎型鋼廠進行生產。這樣就形成了生產、設計、使用產業鏈。經工程實踐，用該方、矩形鋼管比現行的鋼管節約鋼材用量在10%～30%。經測算，方、矩形壁厚超過10mm 后，該方、矩形鋼管鋼材用量就開始偏大，當需要大于10mm 壁厚的方、矩形鋼管時，實腹式鋼管截面形式就不妥當了，就需要考慮使用格構式截面形式了。其一，傳統的冷彎型鋼轉角的回轉半徑使冷彎型鋼截面力學特性偏小。其二，冷彎型鋼使轉角處的鋼材屈服、開裂，影響了冷彎型鋼的強度。據說，最近出現了一個冷彎型鋼的新技術，消除了前述的兩個缺陷，這將促使彎型鋼大量進入建筑領域。