T型鋼及鋼管在桁架類構件中的應用

葉修喜 余安勝

中機第一設計研究院有限公司（230601）

0 前言

單層鋼結構廠房中有大量的桁架類構件。常見的桁架類構件有:屋架、托架、吊車輔助桁架、吊車制動桁架等。傳統做法一般采用雙角鋼制作桁架上下弦桿，采用單角鋼或雙角鋼制作桁架腹桿。文章介紹了采用T型鋼制作桁架上下弦桿、鋼管制作桁架腹桿。T型鋼及鋼管加工制作的桁架，節點構造簡單，焊縫數量少，經濟性好，整體方案更合理。

1 技術特點

1.1 桿件截面

T型鋼按生產工藝有熱軋T型鋼、剖分T型鋼、冷拉T型鋼、焊接T型鋼4種。熱軋T型鋼是把鋼坯加熱，再用軋機軋制成型，由于是一次成型，產品整體性好，但規格范圍有限制，目前國內僅限于100 mm×100 mm以下小規格。剖分T型鋼是用現有熱軋H型鋼沿縱向切開而成，受原材料的限制，有一定的規格范圍。冷拉T型鋼是通過冷拉設備將毛坯料經模具拉拔而成，其表面光滑精度高，一般用于電梯配件及滑軌，受條件限制，100 mm×100 mm以內規格較為常見。焊接T型鋼是用鋼板拼裝焊接而成，可根據桿件受力特點選擇合適的鋼板寬度和厚度組合，其不受規格限制，能充分發揮鋼材的力學性能。

通過上述分析可知，熱軋T型鋼和冷拉T型鋼截面規格均較小，一般不適合作為桁架構件的弦桿。焊接T型鋼不受規格限制，可設計出最經濟合理的截面，但焊接T型鋼焊接殘余應力較大，一般推薦采用剖分T型鋼制作桁架上下弦桿。

用圓鋼管和方鋼管制作桁架類構件腹桿，鋼管可采用不小于4 mm的厚度。鋼管與角鋼相比，同等截面面積，鋼管截面回轉半徑，形心與重心重合，截面抗扭性能好，抗彎剛度大，桿件的穩定性好。

1.2 連接節點

節點的作用是連接桁架各桿件，桿件內力主要通過節點板進行傳遞。節點的安全直接影響桁架結構的壽命。

T型鋼弦桿的腹板兼作節點板，可以不用或少用節點板，構造簡單、傳力直接。腹桿與節點板連接的角焊縫長度由受力計算確定，角焊縫的焊腳尺寸同鋼管壁厚。焊縫長度除滿足計算要求外，最小焊縫長度不小于腹桿截面邊長，以保證連接的最小承載力。連接節點處，T型鋼腹板高度不足時，附加的節點板與T型鋼腹板采用單面或雙面剖口全溶透對接焊縫連接。為保證腹桿的順利安裝，對接焊縫焊接完畢后應磨平[1]。為避免焊接應力集中，附加的節點板高度不小于50 mm，附加節點板邊緣距腹桿最小距離不小于20 mm。

1.3 防腐性能

據資料顯示，我國每年被腐蝕的鋼材約占鋼材總產量的1/10，因為金屬腐蝕而造成的損失占到國民生產總值的2%～4%。在腐蝕環境中應用的鋼結構，桿件與節點的構造應便于涂裝作業及檢查維護，應避免或減少易于積塵、積潮的局部空間，構件截面應避免有難以檢查、維護的縫隙與死角，組合構件中零件之間需維護涂裝的空隙不宜小于120 mm[2]。

雙角鋼相并之間的縫隙，灰塵和潮氣易于聚集，油漆脫落或失效后無法補涂，雙角鋼組合截面防腐蝕性能較弱。環境腐蝕等級為強、中時，不宜采用雙角鋼組成的T形截面[3]。T型鋼無雙角鋼相并之間的縫隙，鋼管桿件焊接后將端部封閉，鋼管內部與空氣隔絕，其內部幾乎不生銹，鋼管表面便于油漆的涂刷，故采用T型鋼和鋼管制作成的構件耐腐蝕性能較好。

2 實例分析

為滿足廠房局部或整體擴大柱距的需求，通常需要沿廠房縱向柱列設置托架或托梁，用以支承柱間的屋架或屋面梁。文章以15 m跨托架為例，在同種荷載情況下，對采用兩種不同方案設計的桁架進行分析比較。方案一采用雙角鋼制作桁架所有桿件，方案二采用剖分T型鋼制作桁架上下弦桿、方鋼管制作桁架腹桿，托架采用PKPM V5.1版進行結構計算。

圖1 15 m跨托架桿件編號及荷載簡圖

圖2 15 m跨托架幾何尺寸及內力圖

表1 方案一桿件信息表

按方案一設計的桁架，理論用鋼量為1 343 kg。桁架桿件按實際長度計算，并考慮雙角鋼之間填板和節點板的用鋼量，一榀桁架的實際總用鋼量約為1 441 kg。實際用鋼量比理論用鋼量高7.3%。

表2 方案二桿件信息表

按方案二設計的桁架，理論用鋼量為1 301 kg。桁架桿件按實際長度計算，并考慮節點板的用鋼量，一榀桁架的實際總用鋼量約為1 347 kg。實際用鋼量比理論用鋼量高3.5%。

3 結語

通過實例分析可知，方案二的理論用鋼量比方案一低3.2%，考慮節點板和填板的用鋼量后，方案二的實際用鋼量比方案一低7.0%。節點板和填板用量減少的同時，焊接工作量減少，桁架制作用工時也相應減少。方案二的經濟性明顯優于方案一。另外，T型鋼和鋼管組成的桁架防腐蝕性能優于雙角鋼組成的桁架。

目前，國內由T型鋼和鋼管組成的桁架應用還較少，特別是針對焊接T型鋼與鋼管組成節點的研究很少。在承載力極限狀態下，桁架連接節點的破壞特點尚不明確，需要進一步研究。希望科研機構和設計部門共同努力，推廣T型鋼及鋼管在桁架類構件中的應用。