H型钢的种类 根据使用要求及断面设计特性,通常H型钢分为两大类:一类是作为梁型建筑构件用的H型钢;另一类是作为柱型(或桩型)建筑构件的H型钢。作为梁型构件的H型钢,其高度与腿宽之比为2∶1~3∶1,其规格一般从100mm×50mm~900mm×300mm。作为柱型构件的H型钢,其高度与腿宽之比为1∶1,其规格一般从100mm×100mm~400mm×400mm。H型钢高度80~1100mm,腿宽46~454mm,腰厚2.9~78mm,单重6~1086kg/m。 H型钢的生产工艺 H型钢的轧制方法按历史的顺序,可大致分为以下3类: (1)利用普通二辊或三辊式型钢轧机的轧制法; (2)利用一架轧机的轧制法; (3)利用多机架轧机的轧制法。 现代化H型钢生产方法 用多机架轧机轧制H型钢,这种方法在世界上已获得普遍采用,具体方法有格林法、萨克法、杰·普泼法等。 格林法 格林法的主要特点是采用开口式孔型,腰和腿部的加工是在开口式孔型中同时进行的。为有效地控制腿高和腿部加工的质量,格林认为立压必须作用在腿端,故把腿高的压缩放在与机架一起连轧的二辊式机架中进行。目前世界各国的轧边机多采用格林法。 采用格林法轧制H型钢其工艺大致如下:用初轧机或二辊式开坯机把钢锭轧成异形坯,然后把异形坯送往粗轧机和轧边机进行往复连轧,并在精轧机和轧边机上往复连轧成成品。格林法在进行立压时只是用水平辊与轧件腿端接触(腰部与水平辊不接触),这可使轧件腿端始终保持平直。这种方法其立辊多为圆柱形,而水平辊两侧略有斜度,在荒轧机组中,水平辊侧面有约9%的斜度。在精轧机组中水平辊侧面有2%~5%的斜度,不过精轧机组水平辊侧面斜度应尽量小,才能轧出平行的腿部。 1908年在美国伯利恒公司建的轧钢厂就是采用上述工艺流程,它由一架异形坯初轧机和两架紧接其后间距为90m的轧机所组成。每一架轧机包括一架机架和一架轧边机。 现代化的H型钢厂也广泛采用格林法设计。 萨克法 萨克法采用闭口式孔型,在此孔型中腿是倾斜配置的,为能后轧出平直腿部,必须在后一道中安置圆柱立辊的机架。萨克法的立压与格林法不同,它是把压力作用在腿宽方向上,而这容易引起轧件的移动,尤其是在闭口孔型中常常会因来料尺寸的波动,造成腿端凸出部分容易往外挤出形成耳子,影响成品质量。 在萨克法中的粗轧孔型,其水平辊侧面可采用较大斜度,这样可减少水平辊的磨耗,同时由于立辊是采用带锥度的,故可对腰腿同时进行延伸系数很大的压缩。这样可减少轧制道次和机架数量,有利于节约设备投资。 萨克法的主要工艺流程是:采用一架二辊式开坯机,将钢锭轧成具有工字形断面的异形坯,然后将异形坯送到由四辊机架和二辊立压机架所组成的可逆式连轧机组中进行粗轧,后在一架机架上轧出成品。荒轧机组水平辊侧面斜度为8%,中间机组水平辊侧面斜度为4%,在精轧机架中才将轧件腿部轧成平直,成品工字钢腿部斜度为1.5%左右。 杰·普泼法 杰·普泼法综合了格林法和萨克法的优点,即吸收了萨克法斜配孔型一次可获得较大延伸和格林法采用立压孔型便于控制腿宽的加工这两大优点。杰·普泼法的主要特点是荒轧采用萨克法斜配孔型,精轧采用格林法开口式孔型,在精轧轧机上首先用圆柱立辊和水平辊把腿部压平直,然后立辊离开,仅用水平辊压腿端,后在第二架精轧轧机上用水平辊和立辊对轧件进行全面加工。其工艺流程是:采用一架二辊可逆开坯机与两架串列布置的机架进行轧制,这架机架的水平辊带有7%的斜度,立辊锥度也为7%。在精轧轧机中,因工字钢品种的不同,孔型斜度也不一样,一般为1.5%~9%。在轧件通过第二个机架道次时,首先用柱形立辊把轧件腿部轧平直,然后在返回道次中立辊离开,仅用水平辊直压腿端。在后一架轧机上用水平辊和立辊对轧件进行全面加工成形。
H型钢孔型设计的基本原则 H型钢是一种凸缘型钢,因此其孔型设计也要遵循凸缘型钢孔型设计的基本原则。 对于大号工字钢,因其腰部面积大于腿部面积,故其腰部对腿部的拉伸能力大。为获得标准所要求的成品腿高,在全部孔型设计中都应使腿部的延伸系数大于腰部的延伸系数,为此必须采用异形坯,而小号工字钢,虽然其腰部面积小于腿部面积,但为保证腿部正确充满,也应遵循腿部延伸系数大于腰部延伸系数的原则。 上述孔型设计的基本原则,对采用轧机轧制的H型钢也一样适用,即应使轧件腰部与腿部的延伸相等。若腰部延伸系数比腿部延伸系数大,则腰部会出现波浪。在实际设计时为保证腿长,往往让腿部延伸系数稍大于腰部延伸系数,即相对压下量腿部要略大于腰部2%~4%。若腿部延伸系数比腰部延伸系数过大,会造成撕裂。在轧机中,为保证H型钢轧制过程正常,应使腰部面积和腿部面积相对变化相同。 H型钢坯料尺寸确定与不同工艺之间的关系 日本钢管公司等有关公司的研究表明,高度大于400mm的大型H型钢,其成品尺寸与钢坯尺寸有如下关系: (1)用矩形坯直接轧制时,其钢坯宽度与成品宽度之比为1.2∶1.4,钢坯高度与成品高度之比为1.8∶2.4。 (2)采用初轧异形坯轧制时,钢坯高度与成品高度之比为1.6∶2.0。 (3)采用连铸异形坯轧制时,钢坯高度与成品高度之比为1.0∶1.2。 (4)采用板坯轧制H型钢时,钢坯高度与成品高度之比为0.5∶1.0,宽厚比为1.4∶2.0。 采用多机架连轧H型钢时其连轧常数的确定 目前,为提高产量H型钢的生产多采用连轧方式。为保证产品质量和生产的正常进行,首先要对各道次轧件断面变化进行准确计算,合理确定延伸系数与轧机转速,否则会使轧件在机架间产生过大的张力或推力,这不仅会引起轧件尺寸变化,也会造成堆钢或拉钢事故。因此,要实现H型钢连轧,就必须遵循连轧的基本原则。 (1)为保证轧制正常,必须满足轧件在轧线上通过每一轧机的秒流量体积不变这一条件。若这一条件被破坏,就会造成拉钢或堆钢。 (2)还必须保持轧件在前一机架的出口速度等于后一机架的速度。若这一条件被破坏,也必然产生张力或推力。 (3)要求在轧制过程中应保持使前机架的前张力等于后机架的后张力,即应保持恒张力。 实际生产过程是处在一种动态平衡状态中,尤其是高速下的连轧生产要完全在一种平衡状态下生产是困难的,平衡是相对的,有条件的,而不平衡则是的,因为无论是外扰量还是调节量的微小变动,都会导致平衡的破坏。 由于H型钢在轧制过程中其张力测定装置不如带钢的张力测定装置那样容易安装和调整,为实现H型钢连轧,并保持轧件在机架间为无张力或微张力,就需有一合理的控制方法。现在常用的控制方法有两种:一种是用数字计算机或模拟数字计算机在线控制;一种是采用简单电参数控制。前一种方法准确、迅速、合格率高,但投资大、管理复杂。后一种方法简单可行,但控制精度低。 目前不少厂采用后一种控制方法,即用电流储存方法控制(AMTC法)。其基本原理是不直接测张力,而是直接测定轧机电机的电流值,根据电流的变化确定张力,反过来再据张力变化,控制调节轧制速度。据日本川崎公司水岛厂经验,当机架间轧件上产生的张力为40MPa时,H型钢腿尖就会出现圆弧状;当张力为2~3MPa时,腿宽和腿厚皆产生变窄变薄的倾向,故为保证产品质量,张力不宜大,一般应控制在0.5MPa以下。
H型钢断面设计原理 通常我们在进行H型钢断面设计时要考虑两个主要因素:一个是断面的安全性;另一个是断面的经济性。为了断面安全,我们要求H型钢的腰厚与高度之比应不小于1/45。对作柱用的H型钢,是用扭转半径与其质量之比来表示其经济性。弹性理论用来计算静态结构,如仓库、房屋、桥梁等是可行的,但对运动构件如车轮等就不太适用,这时人们往往采用塑性理论。塑性理论的研究可追溯到1914年。1975年欧洲设计会制定了一个塑性设计规范,它主要用于静载荷平面梁和受到弯曲应力的框架结构,其要求如下: σb/σs≥1.2;δ≥15% 对于高层建筑,还需要进行更细致的计算。塑性设计方法在动载荷情况下,通常是按许用应力不小于动载荷再乘以许用应力的安全系数的方法进行许用应力的计算。在一个轴受弯曲的情况下,可用公式a=W动W许进行计算。用塑性方法代替弹性方法计算强度,可以提高构件的承载能力14%。 H型钢在高层建筑上的应用 随着世界经济的发展、人口的激增、城市面积的不断扩大,原本已很昂贵的地价倍增。为更有效地利用土地空间,从1930年开始出现了不少高度超100m的高层及超高层建筑。这些高层建筑地基多采用H型钢或钢管做桩,打入地下几十米深。其地面上建筑多采用钢结构或钢与钢筋混凝土复合结构,其采用的钢材承重柱多用柱型H型钢(以400mm×400mm系列居多),其梁多采用轻型H型钢或蜂窝孔梁(蜂窝孔梁是将H型钢的腰部切出一个个六角形的空洞以减轻质量)。从国外高层及超高层建筑用钢看,H型钢(包括T型钢、蜂窝孔梁等)大约占所用钢材量的40%~63%。 H型钢在工业建筑上的应用 据国外资料介绍,H型钢用于建造工厂厂房时,同样规模下比采用焊接工艺可节约金属3%,比采用铆接工艺可节约金属10%。由于H型钢具有质量轻、抗弯模数大的优势,所以它是用于火力发电站重型锅炉的承重结构的断面理想的钢材。在日本,26.5万kW以上的火力发电站,多采用H型钢做承重骨架。 石油精炼厂及石油化工厂中的厂房结构、储油罐等,包括各种输送管道的支架,也多采用H型钢,它不仅加工制作方便,而且造型美观。 冶金工厂的厂房和主体设备基础大多也采用H型钢作为其钢结构的主要材料。如炼钢厂厂房、轧钢主跨厂房等多采用400mm×400mm系列柱型H型钢,也有相当数量是采用高600~1000mm的H型钢。冶金工厂的主体设备地基也往往打入H型钢,以加强其承受重载荷的能力,这方面用得特别多的是高炉、焦炉基础,大多采用桩型H型钢。桩型H型钢具有高的承载能力,它可比其他断面型钢减少打桩数量,既可节约费用,又可缩短施工周期。 H型钢在造船和港口建设中的应用 造船所需骨架材料主要是球扁钢,但对于万吨以上的大型船舶,球扁钢断面模数过小,需要使用具有更大抗弯模数的材料。国际上通常采用T型钢及L型钢。T型钢是H型钢经热纵切或冷切制成的,而L型钢是用平行腿槽钢经热纵切或冷切制成的。这两种断面的钢材只有在具有轧机的轧钢车间才能生产,它们是H型钢的又一个子系列。其常用尺寸规格以125mm×36mm~300mm×62mm居多。 海边码头要常年承受海浪的冲击和台风,为了船舶的安全,大多采用桩型H型钢建设码头。首先将H型钢打到海底岩层,然后再用以H型钢制成的衍架把桩体相互连接起来,上面铺上混凝土,这样一个坚固耐用的码头就建成了。建一个万吨级码头,需要用200mm×200mm~400mm×400mm的H型钢约150t。 H型钢在地下支护工程中的应用 H型钢以其断面安全性和施工经济性的优势在地下工程中获得广泛采用,如建设地下铁路、煤矿巷井、海底隧道等。在日本新干线铁路和名古屋—神户间高速公路的隧道建设中大量使用H型钢作为防止土层塌落的护壁。在地下铁路施工中,采用H型钢可以减小水泥墙厚度和提高地下挖掘进度,尤其是地质结构复杂地段的施工,更显示出H型钢安全可靠和便于更换的优越性。在地下支护工程中,主要采用100mm×100mm~250mm×250mm尺寸的H型钢,其钢种要求抗张强度为400~500MPa,伸长率不小于17%,这样才能保证H型钢具有地下支护工程所要求的良好的冷弯性能和焊接性能。 H型钢在桥梁建设中的使用情况 据我国有关部门介绍,目前我国铁路桥所用H形部件均采用钢板、工字钢和角钢铆焊而成,它占桥梁构件的80%~90%。如64m跨的铁路桥,所用的460mm×460mm H形构件占总量的60%~70%,所用的1200mm×240mm H形构件占全桥总重的20%。若采用轧制H型钢可以节约钢材20%~30%,节约焊条2%,节约工时40%~60%,比铆接构件节约铆钉5%。公路桥主梁也希望采用H型钢,其规格为300mm×200mm~900mm×300mm。 随着我国经济的飞速发展,交通事业的发展也在加快,高速公路、高速铁路、轻轨铁路、地下铁路等快速简捷的运输方式正在纳入我国各地的发展计划,尤其是一些跨江跨海大桥今后还将要建设至少十几座。据介绍,我国仅在长江流域至少还要再建设13~16座长江大桥,同时还要建设跨海峡大桥4座。
H型钢是一种截面面积分配更加优化、强重比更加合理的经济断面型材,因其断面与英文字母“H”相同而得名。由于H型钢的各个部位均以直角排布,因此H型钢在各个方向上都具有抗弯能力强、施工简单、节约成本和结构重量轻等优点,已被广泛应用。 H型钢适用范围 H型钢主要用于工业与民用结构中的梁、柱构件。 ◆工业构筑物的钢结构承重支架 ◆地下工程的钢桩及支护结构 ◆石油化工及电力等工业设备结构 ◆大跨度钢桥构件 ◆船舶、机械制造框架结构 ◆火车、汽车、拖拉机大梁支架 ◆港口传送带、高速挡板支架 H型钢是一种经济型断面钢材,广泛用于工业、建筑、桥梁、石油钻井平台等方面,据预测2005年我国H型钢需求量约250万吨,2010年需求量500万吨,但目前我国H型钢年生产能力为120万吨,市场需求量非常巨 H型钢介绍 H型钢分为热轧H型钢 和焊接H型钢(H)两种,热轧H型钢又分为宽翼缘H型钢(HW) 中翼缘H型钢(HM)和窄翼缘H型钢(HN)三种。。 HW 是H型钢高度和翼缘宽度基本相等;主要用于钢筋砼框架结构柱中钢芯柱,也称劲性钢柱;在钢结构中主要用于柱 HM 是H型钢高度和翼缘宽度比例大致为1.33~~1.75 主要在钢结构中:用做钢框架柱在承受动力荷载的框架结构中用做框架梁;例如:设备平台 HN 是H型钢高度和翼缘宽度比例大于等于2,主要用于梁;工字钢的用途相当于HN型钢; H型钢的主要材质有Q235B、SM490、SS400、Q345 、Q345B等. 结构介绍 H型钢是一种新型经济建筑用钢。H型钢截面形状经济合理,力学性能好,轧制时截面上各点延伸较均匀、内应力小,与普通工字钢比较,具有截面模数大、重量轻、节省金属的优点,可使建筑结构减轻30-40%;又因其腿内外侧平行,腿端是直角,拼装组合成构件,可节约焊接、铆接工作量达25%。常用于要求承截能力大,截面稳定性好的大型建筑(如厂房、高层建筑等),以及桥梁、船舶、起重运输机械、设备基础、支架、基础桩等。 H型钢是由工字型钢优化发展而成的一种断面力学性能更为优良的经济型断面钢材,尤其断面与英文字母“H”相同而得名。其特点如下: ◆翼缘宽,侧向刚度大。抗弯能力强,比工字钢大约5%-10%。 ◆翼缘两表面相互平行使得连接、加工、安装简便。 ◆与焊接工字钢相比,成本低,精度高,残余应力小,无需昂贵的焊接材料和焊缝检测,节约钢结构制作成本30%左右。 ◆相同截面负荷下.热轧H钢结构比传统钢结构重量减轻15%-20%。 ◆与砼结构相比,热轧H钢结构可6%的使用面积,而结构自重减轻20%一30%,减少结构设计内力。 ◆H型钢可加工成T型钢,蜂窝梁可经组合形成各种截面形式,极大满足工程设计与制作需求。 H型钢与工字钢的区别 01 工字型钢不论是普通型还是轻型的,由于截面尺寸均相对较高、较窄,故对截面两个主袖的惯性矩相差较大,因此,一般仅能直接用于在其腹板平面内受弯的构件或将其组成格构式受力构件。对轴心受压构件或在垂直于腹板平面还有弯曲的构件均不宜采用,这就使其在应用范围上有着很大的局限。 02 H型钢属于经济裁面型材(其它还有冷弯薄壁型钢、压型钢板等),由于截面形状合理,它们能使钢材更高地发挥效能,提高承载能力。不同于普通工字型的是h型钢的翼缘进行了加宽,且内、外表面通常是平行的,这样可便于用高强度螺栓和其他构件连接。其尺寸构成系列合理,型号齐全,便于设计选用。 03 H型钢的翼缘都是等厚度的,有轧制截面,也有由3块板焊接组成的组合截面。工字钢都是轧制截面,由于生产工艺差,翼缘内边有1:10坡度。H型钢的轧制不同于普通工字钢仅用一套水平轧辊,由于其翼缘较宽且无斜度(或斜度很小),故须增设一组立式轧辊同时进行辊轧,因此,其轧制工艺和设备都比普通轧机复杂。国内可生产的大轧制h型钢高度为800mm,超过了只能是焊接组合截面。 我国热轧H型钢国标(GB/T11263-1998)将H型钢分为窄翼缘、宽翼缘和钢桩三类,其代号分别为hz、hk和hu。窄翼缘H型钢适用于梁或压弯构件,而宽翼缘h型钢和h型钢桩则适用于轴心受压构件或压弯构件。工字钢与H型钢相比,等重量前提下,w、 ix、 iy都不如h型钢。 型钢特点分析 1 结构强度高:同工字钢相比,截面模数大,在承载条件相同时,可节约金属10-15%。 2 设计风格灵活、丰富:在梁高相同的情况下,钢结构的开间可比混凝土结构的开间大50% ,从而使建筑布置更加灵活。 3 结构自重轻:与混凝土结构自重相比轻,结构自重的降低,减少了结构设计内力,可使建筑结构基础处理要求低,施工简便,造价降低。 4 结构稳定性高:以热轧H型钢为主的钢结构,其结构科学合理,塑性和柔韧性好,结构稳定性高,适用于承受振动和冲击载荷大的建筑结构,抗自然灾害能力强,特别适用于一些多地震发生带的建筑结构。据统计,在世界上发生7级以上毁灭性大地震灾害中,以H型钢为主的钢结构建筑受害程度小。 5 增加结构有效使用面积:与混凝土结构相比,钢结构柱截面面积小,从而可增加建筑有效使用面积,视建筑不同形式,能增加有效使用面积4-6%。 6 省工省料:与焊接H型钢相比,能明显地省工省料,减少原材料、能源和人工的消耗,残余应力低,外观和表面质量好。 7 便于机械加工:易于结构连接和安装,还易于拆除和再用。 8 环保:采用H型钢可以有效保护环境,具体表现在三个方面:一是和混凝土相比,可采用干式施工,产生的噪音小,粉尘少;二是由于自重减轻,基础施工取土量少,对土地资源破坏小,此外大量减少混凝土用量,减少开山挖石量,有利于生态环境的保护;三是建筑结构使用寿命到期后,结构拆除后,产生的固体垃圾量小,废钢资源回收价值高。 9 工业化制作程度高:以热轧H型钢为主的钢结构工业化制作程度高,便于机械制造,集约化生产,精度高,安装方便,质量易于保证,可以建成真正的房屋制作工厂、桥梁制作工厂、工业厂房制作工厂等。发展钢结构,创造和带动了数以百计的新兴产业发展。 0 工程施工速度快:占地面积小,且适合于全天候施工,受气候条件影响小。用热轧H型钢制作的钢结构的施工速度约为混凝土结构施工速度的2-3倍,率成倍提高,降低财务费用,从而节省投资。
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