Контент
Полые стальные профили, часто называемые полыми конструкционными профилями (HSS) в Северной Америке и полыми профилями в Европе, представляют собой стальные элементы закрытого поперечного сечения, производимые квадратной, прямоугольной и круглой формы. Они встречаются в фермах мостов, колоннах зданий, крановых конструкциях, опорах электропередач, временных сооружениях и модульных стальных мостах. Самый простой способ увидеть их преимущество: квадратная полая секция той же высоты и той же массы стали, что и горячекатаная колонна HEA или IPE, обычно обеспечивает радиус вращения примерно на 20–30 процентов больше, что напрямую снижает риск коробления и повышает полезную осевую нагрузку без добавления стали. Эти цифры взяты из открыто опубликованных таблиц свойств сечений, таких как те, которые используются в примерах проектирования Еврокода 3 и стандартных каталогах заводов. В этой статье объясняются реальные различия между квадратными, прямоугольными и круглыми полыми профилями, как производственный маршрут меняет механическое поведение, какие стандарты материалов применяются, как читать свойства сечения, как полые профили используются в модульных стальных мостовых изделиях, как определяется защита от коррозии и что должно быть в контрольном списке закупок, прежде чем разместить заказ.
Прямой ответ на самый распространенный вопрос таков: выбирайте квадратное полое сечение, когда вам нужна предсказуемая жесткость на изгиб и чистые соединения, выбирайте прямоугольное полое сечение, когда одно направление доминирует над нагрузкой, выбирайте круглое полое сечение, когда нагрузки могут приходить с любого направления, и всегда подтверждайте маршрут производства и марку материала, прежде чем сравнивать цены. Маршрут производства влияет на остаточное напряжение, ударную вязкость и кривую потери устойчивости, используемую при проектировании, поэтому это не просто производственная деталь.
Полые стальные профили формируют из плоской стальной полосы или нагретой круглой заготовки в замкнутое сечение без свободных кромок. Три стандартных семейства — это квадратные полые профили (СВС), прямоугольные полые профили (правая шкала) и круглые полые профили (ЧС). Каждое семейство имеет свой собственный несущий характер, поэтому первым шагом любого процесса выбора является соответствие формы поперечного сечения доминирующему типу нагрузки.
| Семья | Форма | Типичный диапазон размеров | Основные структурные применения |
|---|---|---|---|
| SHS | Площадь | От 40 х 40 х 3 мм до 400 х 400 х 20 мм. | Колонны, моментные рамы, пояса, связи |
| RHS | Прямоугольный | От 50 х 30 х 3 мм до 500 х 300 х 16 мм. | Балки, колонны, элементы ферм, мостовые балки |
| CHS | Круговой | Внешний диаметр от 21,3 x 3,2 мм до 610 x 16 мм. | Фермы, морские сваи, пространственные рамы, натяжные элементы |
Полый профиль обозначается семейством, внешними размерами или размерами и толщиной стенки, например SHS 150 x 150 x 8 или RHS 200 x 100 x 6,3. В европейской практике требования к изготовлению и допускам приведены в EN 10210 для горячедеформированных профилей и EN 10219 для холоднодеформированных сварных профилей. В североамериканской практике АСТМ А500 по-прежнему является наиболее распространенной спецификацией для сварных полых конструкционных профилей из углеродистой стали, тогда как АСТМ А1085 все чаще применяется там, где необходимы более жесткие допуски и постоянная прочность. В Китае ГБ/Т 6728 распространяется на многие сварные полые профили, полученные холодной штамповкой. Знать, по какому стандарту будет проверяться ваш проект, так же важно, как и знать марку стали.
Маршрут изготовления изменяет внутреннее напряженное состояние, расположение сварного шва, геометрию угла, поведение материала при сжатии и усталости. Два профиля с одинаковыми внешними размерами могут вести себя по-разному, если один из них подвергнут горячей обработке, а другой - холодной, поэтому это не чисто академическое различие.
Для компонента моста, который будет выдерживать повторяющиеся временные нагрузки, горячеобработанная или нормализованная секция часто является более безопасной отправной точкой, поскольку усталостные характеристики сильно зависят от сварного шва и концентрации напряжений в углах. Для временных работ, опалубочных работ, этапов и неусталостных конструкций обычно подходит и более экономичен холоднокатаный профиль. Разница в цене между холоднодеформированными и горячекатаными секциями одного и того же размера обычно находится в диапазоне от 5 до 10 процентов в зависимости от рынка и толщины стенки, но разница в характеристиках усталостно-нагруженного соединения может быть намного больше, чем это число.
В таблице ниже приведены стандарты, обычно используемые для полых стальных профилей, и семейства марок материалов, прикрепленных к ним. Наиболее частое инженерное решение принимается между S235, S275 и S355 в Европе и между ASTM A500 класса B и класса C в Северной Америке.
| Стандартный | Производственный маршрут | Примеры оценок | Типичный контекст проекта |
|---|---|---|---|
| ЭН 10210-1 | Горячая обработка | С235ДЖРХ, С275ДЖ0Х, С355ДЖ2Х | Элементы мостов, конструкции, нагруженные усталостью |
| ЭН 10219-1 | Холоднодеформированные сварные | С235ДЖРХ, С275ДЖ0Х, С355ДЖ2Х | Каркасы зданий, стойки, второстепенные элементы |
| ASTM A500 | Холоднодеформированные сварные | Класс А, Б, С | Общестроительные конструкции, стойки, колонны |
| ASTM А1085 | Холоднодеформированные сварные | A1085 | Сейсмостойкие каркасы, конструкции, требующие жестких допусков |
| GB/T 6728 | Холоднодеформированные сварные | К235Б, К355Б | Общие стальные конструкции в Китае и экспортные проекты |
Сравнивая предложения разных заводов, убедитесь, что стандарт, класс прочности и требования к ударной нагрузке указаны в одной строке. Распространенной ошибкой является сравнение профиля S275, полученного холодной штамповкой, с профилем S355, обработанного горячим способом, только по цене. Холоднокатаная секция может быть дешевле за тонну, но секция с горячей отделкой может позволить использовать более тонкую стенку и более легкий элемент в конструкции колонны, что часто делает конечную изготовленную конструкцию дешевле, если сравнивать стоимость за метр установленной конструкции, а не за тонну сырья.
Когда вы открываете каталог полых профилей, значения имеют не только внешние размеры. Приведенные ниже свойства используются инженером-строителем для проверки прочности, жесткости и устойчивости. Их следует сравнивать только между участками одного и того же производственного маршрута и марки материала.
| Недвижимость | Символ | Дизайн Проверьте, что это влияет |
|---|---|---|
| Площадь поперечного сечения | A | Сопротивление осевому растяжению и сжатию |
| Второй момент площади | I | Жесткость на изгиб и прогиб |
| Модуль упругого/пластического сечения | W эль / Вт пожалуйста | Сопротивление изгибу в эластичном или пластическом диапазоне |
| Радиус вращения | i | Гибкость и устойчивость к изгибу |
| Постоянная кручения | I t | Торсионная жесткость и контроль поворота |
Особого внимания заслуживает радиус инерции. Для фиксированной площади поперечного сечения квадратное или круглое полое сечение распределяет материал дальше от центроида, чем открытое двутавровое сечение той же площади, что увеличивает радиус инерции и снижает коэффициент гибкости для заданной длины элемента. Проще говоря, полая колонна может быть длиннее или тоньше, чем колонна с открытым сечением, прежде чем конструкция будет определяться короблением. Вот почему полые стальные профили доминируют в высотных каркасах, решетчатых башнях и модульных мостовых системах, которые необходимо транспортировать в виде крупных сборных компонентов и монтировать с минимальными трудозатратами на строительной площадке.
Кручение – второе практическое преимущество. Открытый двутавр распределяет скручивающее напряжение неэффективно и часто требует дополнительных распорок или закрытого короба, изготовленного путем сварки пластин. Квадратная или прямоугольная полая секция противостоит скручиванию непосредственно через закрытую стенку. Для платформы для строительства моста, консольной опорной рамы или любой конструкции, которая воспринимает ветер с изменяющихся направлений, такое поведение закрытой секции уменьшает количество необходимой дополнительной стальной связи.
Модульные стальные мосты являются ярким примером того, как на практике используются полые стальные профили. Типичный мост Бейли или модульный мост панельного типа опирается на высокопрочные ферменные панели, соединенные штифтами, в качестве основных балок, но окружающая конструктивная система использует большое количество полых секций для поперечных балок, боковых связей, ветровых поясов, парапетов, поручней и соединительных элементов. Основные элементы фермы часто не представляют собой полые секции, поскольку для быстрой сборки их необходимо закрепить и стандартизировать. Однако второстепенные элементы и вся несущая рама модульного моста часто изготавливаются из профилей SHS и RHS, поскольку они противостоят боковым силам и скручивающим моментам, возникающим при проезде по мосту тяжелых транспортных средств.
В серии CB-100 в системе используются стандартизированные модульные панели, которые можно собирать в однополосные, двухполосные и усиленные конфигурации. Конструкция сквозных балок создает классический профиль фермы, в то время как поперечные связи и вертикальные стойки используют закрытые секции, чтобы снизить сопротивление ветра и избежать местного коробления, которому подвергаются тонкие открытые каналы при повторяющихся тяжелых нагрузках. Если вы сравните модульный мост, построенный с вторичными связями закрытого сечения, со старой конструкцией, построенной с открытыми каналами, версия с закрытым сечением обычно показывает меньшую внеплоскостную вибрацию и требует меньшего обслуживания с течением времени, главным образом потому, что нет открытых краев, где скапливается вода и дорожные соли.
CB 100 (321) Поставщик модульной системы Bailey Bridge Мост Бейли CB 100 (321) сочетает в себе стандартизированные панели с поперечными связями закрытого сечения для снижения сопротивления ветра и внеплоскостной вибрации, что делает его надежным вариантом для однополосных, двухполосных и усиленных временных мостов. Посмотреть продукт → Взаимосвязь между полыми секциями и модульными мостами работает в обоих направлениях. С одной стороны, сама мостовая система использует закрытые профили для своей несущей конструкции и тяжелых элементов, поэтому модульные мосты высокой грузоподъемности измеряются не только глубиной фермы, но также поперечными связями закрытого сечения и элементами распределения нагрузки. С другой стороны, полые стальные профили являются сырьем для многих сборных компонентов мостов, включая пешеходные мосты, опорные мосты для трубопроводов, временные пандусы и стальные подъездные мосты. Если мост должен быть устойчивым к коррозии и простым в транспортировке, закрытое поперечное сечение уменьшает площадь внешней поверхности на единицу прочности, поэтому для достижения той же производительности требуется меньше краски или цинкования. Для обзора того, как технические характеристики и данные нагрузки обрабатываются в стандартном модульном мосту, полезной отправной точкой является руководство по грузоподъемности и примечания по сравнению систем, прежде чем вы определитесь с размером секции. Для более крупных пересечений серия CB-200 увеличивает прочность панелей и позволяет увеличить пролеты, а четырехрядные усиленные версии показывают, как модульные системы сочетают в себе те же принципы крепления полых сечений с более высокой несущей способностью ферм.
Технические характеристики моста Бейли и руководство по грузоподъемностиВ более крупных конструкциях мостов полые профили несут ветровые распорки нижнего пролета и верхней боковой системы. Для элементов поясов решетчатых балок часто применяют прямоугольное полое сечение, поскольку плоские профили упрощают сварные соединения. Правила проектирования решетчатых мостов рассматривают закрытую секцию более благосклонно, чем открытый угол или швеллер, когда элемент подвергается сжатию и изгибу в двух направлениях. В некоторых тяжелых мостовых конструкциях в качестве колонн используются заполненные бетоном круглые полые профили, сочетающие в себе высокое сопротивление бетона при сжатии с удерживающим эффектом стальной трубы, что увеличивает прочность бетона на сжатие при осевой нагрузке примерно на 10–20 процентов по сравнению с тем же бетоном в неармированной колонне. Это улучшение зафиксировано в международных положениях по проектированию композитных колонн.
Правильное использование полого сечения означает понимание четырех областей проектирования: класс поперечного сечения, выбор кривой потери устойчивости, поведение соединения и воздействие местной нагрузки. Ошибка в любом из этих пунктов может превратить эффективное полое сечение в небезопасное.
Толщина стенки полого профиля определяет класс его сечения. В секции класса 1 может развиться пластический шарнир, в секции класса 2 может развиться пластический момент, в секции класса 3 достигается текучесть, но не пластический момент, а в секции класса 4 наблюдается локальное выпучивание до достижения предела текучести, поэтому необходимо использовать эффективную площадь или эффективный момент сечения. Границы обычно выражаются как ограничение на соотношение ширины и толщины плоской стенки. Как правило, квадратная полая секция с толщиной стенки около 5 процентов от внешнего размера остается вполне компактной для стали S355. Для тонкостенного прямоугольного сечения предельное соотношение ширины плоскости определяется длиной более длинной плоской стенки, а не средним значением двух направлений.
Маршрут производства влияет на кривую устойчивости, используемую при проектировании. Полые профили, обработанные горячим способом, обычно имеют более благоприятную кривую потери устойчивости, чем профили, полученные холодной штамповкой, с той же номинальной прочностью, поскольку процесс формовки изменяет форму распределения остаточных напряжений и предел текучести в углах. Эта разница имеет наибольшее значение для колонн средней гибкости, где сопротивление изгибу на 5–15 процентов выше для элемента, обработанного горячим способом. В длинных модульных пролетах использование горячеобработанных секций может уменьшить требуемую толщину стен ровно настолько, чтобы снизить как стоимость материала, так и вес транспортировки.
В ферме, состоящей из квадратных или прямоугольных полых профилей, прочность соединения обычно определяется сдвигом при продавливании стенки пояса, а не сварным швом. Элемент раскоса, приходящий под умеренным углом, создает овальную зону напряжения на поверхности пояса. Проверка конструкции должна подтвердить, что поверхность пояса может воспринимать местную силу. В круглом полом сечении та же проблема возникает при более равномерном потоке напряжений, поэтому соединения CHS иногда легче проектировать для высоких осевых нагрузок, даже несмотря на то, что резка и установка круглых труб обходятся дороже при изготовлении. Для модульных распорок мостов, изготовленных из полых профилей, использование новейшего метода проектирования соединений позволяет уменьшить количество косынок и упростить изготовление.
Полая секция может подвергаться большой сосредоточенной нагрузке от подшипника, пальца или другого элемента. Закрытая стенка локально деформируется, когда нагрузка прикладывается на слишком маленькую площадь. При больших несущих силах сечение следует проверить на местную податливость и при необходимости усилить внутренними диафрагмами или более толстой стенкой в зоне соединения. Именно здесь CB-450 и системы для тяжелых грузов показывают свое преимущество: более тяжелые элементы закрытого сечения и усиленные панели предназначены для восприятия сосредоточенных сил от нагруженной оси грузовика или живой нагрузки крана.
Когда полая секция заполняется бетоном, значительно улучшаются как огнестойкость, так и местная несущая способность. Бетонное ядро удерживает стальную стену от прогиба внутрь, а стальная труба удерживает бетон, обеспечивая гораздо более высокую осевую нагрузку композитной колонны, чем сумма ее частей. Заполненные колонны CHS являются стандартными в высотном строительстве и становятся все более распространенными в опорах тяжелых мостов и временных опорных башнях. Во временных опорных конструкциях моста заполненная бетоном полая секция может быть повторно использована после слива бетона, хотя на практике заполненная колонна обычно остается на месте, поскольку резка стали для удаления бетона неэкономична.
CB 200 Bailey Bridge для гибких комбинаций пролетов Мост CB 200 Bailey Bridge адаптируется к пролетам от 21 до 60 метров посредством модульных комбинаций, соответствует стандартам GB, ANSI и EN и может многократно демонтироваться для повторного использования, что подходит для аварийных и полупостоянных мостов. Посмотреть продукт → Полый стальной профиль подвергается коррозии снаружи, а если концы не загерметизированы, то и изнутри. Наиболее распространенной системой защиты наружных мостов и тяжелых конструкций является горячее цинкование, при котором изготовленный элемент очищается, покрывается флюсом и погружается в расплавленный цинк. Цинковое покрытие образует металлургически связанный слой, который обеспечивает как барьерную защиту, так и катодную защиту от царапин и порезов. Согласно широко используемой спецификации цинкования ISO 1461, минимальная средняя толщина покрытия для стали толщиной более 6 мм составляет около 85 микрометров, а типичный элемент моста с толщиной стенок от 8 до 10 мм получает от 85 до 115 микрометров цинкового покрытия. В морской среде дуплексная система цинкования плюс верхнее покрытие краски продлевают интервал технического обслуживания примерно в два-три раза по сравнению с использованием только краски.
Постоянно ведутся споры о том, следует ли гальванизировать до или после изготовления. Для многих конструкций полых профилей правильным ответом будет гальванизация после сварки и сверления, поскольку каждая кромка среза, просверленное отверстие и сварной шов покрываются цинком. Если секция оцинкована до изготовления, места сварки теряют цинк и требуют ремонта густой краской с высоким содержанием цинка. Полая секция также нуждается в вентиляционных отверстиях, когда она оцинкована: внутреннее и внешнее давление должно уравняться, чтобы горячий газ внутри не вытеснял цинк и не создавал опасность взрыва. Распространенной деталью являются два небольших отверстия на концах закрытой секции, расположенные так, чтобы дождь не мог попасть и собраться внутри трубы.
Для случаев, когда цинкование нецелесообразно из-за размера, температуры или стоимости, альтернативой является двухкомпонентная окрасочная система с грунтовкой, богатой цинком. Поверхность должна быть подготовлена по высоким стандартам, например, подвергнута абразивоструйной очистке до чистоты Sa2,5 и шероховатости поверхности примерно от 40 до 80 микрометров. Общая толщина лакокрасочной системы для атмосферных условий C3 или C4 обычно находится в диапазоне от 160 до 240 микрометров, в зависимости от поставщика покрытия и ожидаемого срока службы. В средах с высокой коррозией, таких как прибрежные мосты или туннели, еще одним вариантом является атмосферостойкая сталь, но сварные закрытые секции, изготовленные из атмосферостойкой стали, требуют пристального внимания к присадочному металлу и деталям водоотделителя, поскольку захваченная вода вызывает наихудший тип коррозии внутри закрытого профиля.
Для сборных мостовых конструкций по умолчанию часто используются оцинкованные полые профили. Оцинкованная отделка защищает элемент во время транспортировки, хранения на площадке и монтажа, а именно тогда, когда голая сталь больше всего страдает от повреждений при обращении и появления пятен ржавчины. Цинковое покрытие, нанесенное на заводе, также означает, что на объекте требуется только подкраска болтовых соединений. Оцинкованная версия модульного моста и индивидуальные решения оцинкованного моста демонстрируют, как закрытые профили из нержавеющей стали или оцинкованные полые секции могут быть объединены в полный пакет моста с целевым сроком службы 50 и более лет. Один практический момент: когда оцинкованный полый профиль необходимо сваривать на месте, зона сварки теряет цинковую защиту, поэтому сразу после сварки этот участок следует очистить и заново покрыть краской с высоким содержанием цинка.
Оцинкованный мост Бейли по индивидуальному заказу для сборки на месте Этот горячеоцинкованный мост Бейли специально разработан и предварительно собран на заводе для упрощения монтажа на месте, имеет антикоррозийное покрытие, подходящее для сложных природных условий, и стандартизированные компоненты, обеспечивающие надежную работу. Посмотреть продукт → Наиболее распространенной ошибкой при закупке полых стальных профилей является заказ стандартного прокатного изделия без фиксации деталей, контролирующих характеристики конструкции. Приведенный ниже контрольный список охватывает моменты, которые следует включить в любую спецификацию покупки полых стальных профилей.
В контексте моста также убедитесь, что размеры профиля соответствуют используемой вами модульной системе. Внешний пояс шириной на 5 мм может нарушить геометрию соединения всей линии панели. Самый безопасный подход — выбрать размеры полого сечения из документации мостовой системы, где расстояние между соединениями и диаметры штифтов уже фиксированы.
SHS — это квадратный профиль одинаковой ширины и высоты, RHS — прямоугольный профиль с двумя разными внешними размерами, а CHS — круглый профиль. SHS предпочтителен для колонн и моментных соединений, RHS предпочтителен для балок и элементов с сильной осью, а CHS предпочтителен для колонн, нагруженных с любого направления, морских свай и открытых архитектурных конструкций. Выбор влияет на стоимость соединения, эффективность изгиба и сопротивление кручению.
Полые профили обычно стоят дороже за тонну, чем горячекатаные двутавровые профили, поскольку процесс формования потребляет дополнительную энергию. Однако для колонны или элемента, нагруженного в двух направлениях, полая секция той же мощности может весить на 10–30 процентов меньше, поэтому общая стоимость изготовления может быть ниже. Сравнение стоимости всегда должно производиться на основе стоимости установленного элемента, включая изготовление, транспортировку, обработку поверхности и соединения.
Да. Прямоугольное полое сечение является очень хорошей балкой, когда нагрузка направлена преимущественно в одном направлении, поскольку форма глубокого сечения обеспечивает высокое сопротивление моменту, а закрытая стенка обеспечивает устойчивость к скручиванию. Квадратные и круглые сечения также используются в качестве балок в решетчатых фермах и рамах, но их эффективность изгиба ниже, чем у эквивалентно широкой РЛС, поскольку материал находится не так далеко от нейтральной оси в направлении изгиба.
Класс поперечного сечения — это система классификации, которая определяет, насколько далеко может пройти элемент, прежде чем в его стенках появится местное выпучивание. Класс 1 допускает пластический анализ и пластиковые петли, класс 2 допускает сопротивление пластическому моменту, класс 3 допускает только сопротивление упругому моменту, а класс 4 требует расчета эффективной площади. Класс определяется главным образом соотношением ширины и толщины плоских стенок и пределом текучести стали. Проще говоря, чем толще стенка по отношению к ширине, тем выше класс и тем большую способность к изгибу можно использовать.
Для типичной квадратной колонны в здании толщина стены часто составляет от 4 до 8 процентов от внешнего размера. Для прямоугольной балки толщина стенки обычно составляет от 3 до 6 процентов от большего размера. Допускается использование более тонкой стенки, если секция относится к классу 3 или 4, но конструкция становится менее эффективной из-за уменьшения эффективной ширины. Толщина стенки менее 3 мм редко используется в конструкциях первичного моста, поскольку она подвержена локальным повреждениям и геометрическим дефектам во время сварки.
Да, если секция подвержена воздействию погодных условий. Герметичная полая секция задерживает конденсат и воду, проникающую через сломанные швы или неправильно загерметизированные сварные швы. Внутренняя вода вызывает коррозию изнутри и может расколоть трубку при замерзании. Дренажные отверстия диаметром от 10 до 15 мм в нижних точках позволяют воде выходить, сводя к минимуму потерю площади сечения. Когда полый профиль используется в качестве элемента, подвергающегося внешнему воздействию при цинковании, вентиляционные отверстия также необходимы во время самого процесса цинкования.
Да. В модульных панельных мостах широко используются закрытые профили для второстепенных элементов, распорок, парапетов и опорных рам. Высокое сопротивление кручению закрытого профиля ценно для противодействия боковым ветровым нагрузкам и эксцентриситету нагрузки. Кроме того, закрытые секции уменьшают площадь поверхности и, следовательно, стоимость покрытия, что имеет значение для большого сборного мостового комплекса. Основные пояса ферм стандартного моста Бейли не представляют собой полые профили, поскольку конструкция штифтового соединения основана на прессованных стальных панелях, но в опорных элементах и более тяжелых несущих вариантах используются закрытые профили для достижения более высоких нагрузок. Руководство по грузоподъемности моста Бейли объясняет, как система адаптируется к требованиям по пролету и нагрузке.
Полые стальные профили — это не отдельный продукт, а семейство структурных решений, которые необходимо выбирать, определять и защищать с той же тщательностью, что и любой другой инженерный компонент. Маршрут производства, марка материала, толщина стенок и обработка поверхности влияют на конечную производительность, долговечность и стоимость установки. Для колонны прямоугольная или квадратная полая секция обеспечивает лучшее сопротивление изгибу, чем открытая секция той же массы. В ферме полые секции уменьшают ветровую зону и упрощают соединения. Для моста, подверженного воздействию погодных условий и повторяющихся нагрузок, оцинкованные закрытые секции противостоят коррозии и усталости лучше, чем большинство открытых секций. Когда вы указываете полый стальной профиль, начните со сценария проектирования, подтвердите маршрут производства и марку, а затем сравните стоимость установки на функциональную единицу. Эта последовательность дает стабильные результаты для зданий, временных сооружений, тяжелых опорных конструкций и модульных мостов.