鋼管結(jié)構(gòu)設計中合理選用材料進行了分析與評述

[ 關鍵詞：鋼管結(jié)構(gòu) 無縫鋼管 焊接鋼管 　發(fā)表日期：2022-11-05 11:53:17 ]

　　對目前鋼管結(jié)構(gòu)設計中合理選用鋼管材料的一些問題進行了分析與評述。包括對鋼管標準與設計規(guī)范有關規(guī)定的理解和應用，對不同類別鋼管性能特點的比較分析， 不同成型工藝對鋼管性能影響及冷作硬化與殘余應力影響的分析等。對工程中合理選用鋼管材料提出了建議。

關鍵詞　鋼管結(jié)構(gòu)、無縫鋼管、焊接鋼管、徑厚比、殘余應力、延性、成型工藝

引言

　　近年來，隨著體育場館、航站樓、會展中心等大量大跨度公共建筑的興建，鋼管結(jié)構(gòu)的應用也日益廣泛， 但限于材料供應條件和產(chǎn)品標準缺失以及設計規(guī)范 (程) 缺少相關選材的指導等原因， 如何合理地選用鋼管材料，一直存在一些誤解與問題， 如鋼材牌號、級別選用不當，鋼材設計指標選用有誤，將鋼管原板材料性能當作鋼管產(chǎn)品性能或?qū)⒘黧w管作為結(jié)構(gòu)管應用， 以及選材中未能考慮加工工藝對材料的影響等。擬結(jié)合正在進行的相關技術(shù)標準的編制工作， 對上述問題提出分析意見與建議，供工程應用參考。

1 　鋼管材料的產(chǎn)品標準工程設計選材應以設計規(guī)范與鋼材產(chǎn)品標準為基本依據(jù)，但目前工程技術(shù)人員常在較少查閱或不甚了解所用鋼材標準的情況下即行選用鋼材， 易造成選材不當。近年來，《建筑結(jié)構(gòu)用冷彎矩形鋼管》(J G∏ T178 —2005) 、 《直縫焊接鋼管》( GB∏T13793 —2008) 、《結(jié)構(gòu)用無縫鋼管》( GB∏T8162 —2008) 等一些主要鋼管產(chǎn)品新標準與修訂標準相繼頒布， 《建筑結(jié)構(gòu)用冷成型焊接圓鋼管》也正在編制中，亦即目前按標準合理選材的依據(jù)條件已更為充分。表1 列出了與結(jié)構(gòu)用材相關的我國現(xiàn)行鋼管材料標準及其技術(shù)要求要點， 可供設計參考。設計查閱引用這些標準時， 需特別注意了解其適用范圍與技術(shù)要求( 鋼材牌號、性能指標、質(zhì)量要求等) 及時效性，同時應選用按國標或行業(yè)標準供貨的鋼管材料。

2 　相關設計規(guī)范( 程) 關于鋼管選材的規(guī)定設計規(guī)范是設計合理選材的重要依據(jù)， 《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》( GB50017 —2003) 還將部分選材規(guī)定列為強制性條文，強調(diào)了合理選材的重要性。以下歸納了現(xiàn)行設計規(guī)范(程) 關于鋼管選材的規(guī)定， 并提出了遵循這些規(guī)定時的注意事項。 211《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》( GB50017 —2003) 該規(guī)范除對結(jié)構(gòu)用鋼材及其選用有基本規(guī)定外， 還在101112 條、101113 條中對鋼管選材規(guī)定了以下要求:1) 圓鋼管徑厚比( D∏t) 不應超過100(235∏f y ) ;矩形鋼管最大邊長尺寸與厚度之比( h∏t) 不應超過40 (235∏ f y ) ;2) 熱加工管材與冷成型管材的屈服強度不應超過 345MPa ，屈強比不應大于018 ，管壁厚不宜大于25mm。上述第1 項是按局部穩(wěn)定要求， 規(guī)定了所用管材的最大徑厚(邊厚) 比限值。實際上為了防止過大的冷加工硬化降低鋼材延性與穩(wěn)定承載力， 設計選材時還應注意避免選用徑厚比過小的冷成型焊接圓鋼管。電力行業(yè)標準《壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》規(guī)定冷卷鋼管最小徑厚比為33(Q345 鋼) ， 該值對結(jié)構(gòu)用卷管似偏嚴。目前正在編制的行業(yè)標準《建筑結(jié)構(gòu)用 4 8

　　鋼管標準及其技術(shù)要求 表1 標準名稱 適用范圍 制造工藝及鋼材牌號 截面形狀《冷彎型鋼》 ( GB∏T6725 —2008) 規(guī)定了冷彎圓、方管材與型材的技術(shù)要求、質(zhì)量檢驗要求。適用于冷軋或熱連軋鋼板和鋼帶在連續(xù)冷彎機組上成型的冷彎鋼管與型鋼。制造工藝:在連續(xù)冷彎機組上成型后高頻電阻焊接或氬弧焊接成管。鋼材牌號:Q235 ，Q345 ，Q390(不分等級) 。力學性能適用于壁厚不大于19mm的冷彎型鋼。圓管，方、矩形鋼管， C 形鋼， Z 形鋼《結(jié)構(gòu)用冷彎空心型鋼尺寸、外形、重量及允許偏差》( GB∏T6728 — 2002) 規(guī)定了冷彎圓、方管材的規(guī)格與尺寸公差。適用于冷( 熱) 軋鋼板和鋼帶在連續(xù)冷彎機組上成型的冷彎管材。圓管規(guī)格:2113 ×112～610 ×16。方管規(guī)格:20 ×112～500 ×16。矩管規(guī)格:30 ×20 ×115～600 ×400 ×16。圓管、方管、矩形鋼管《建筑結(jié)構(gòu)用冷彎矩形鋼管》 (J G∏T178 —2005) (建設部產(chǎn)品標準) 規(guī)定了冷彎矩形鋼管的技術(shù)要求、質(zhì)量檢驗與規(guī)格尺寸公差要求。適用于建筑結(jié)構(gòu)用冷彎焊接矩形鋼管。制造工藝:以冷(熱) 軋鋼帶經(jīng)連續(xù)冷彎及高頻直縫焊接成管。成型方法可為直接成方或先圓后方。鋼材牌號:Q235 ，Q345 ，Q390(不分等級) 。方、矩形鋼管《直縫電焊鋼管》( GB∏ T13793 —2008) 規(guī)定了直縫焊管的技術(shù)要求、質(zhì)量檢驗要求與規(guī)格、尺寸公差。適用于一般用途的，外徑不大于630mm的直縫高頻電阻焊鋼管。制造工藝:以熱(冷) 軋鋼帶連續(xù)冷彎成型電阻焊接成管。鋼材主要牌號: 20 號鋼， Q235A ， B ， C 鋼、Q345A ， B ， C 鋼。

　　所列力學性能未按厚度分組。按鋼材牌號給出了焊縫強度。圓管《結(jié)構(gòu)用無縫鋼管》 ( GB∏T8162 —2008) 規(guī)定了無縫鋼管的技術(shù)要求、質(zhì)量檢驗要求與規(guī)格尺寸公差。適用于機械結(jié)構(gòu)、一般結(jié)構(gòu)用無縫鋼管。制造工藝:熱軋(擴) 或冷拔(軋) 成型。鋼材牌號:99 年標準—10 ，20 ，35 ，45 號鋼，Q345 鋼(不分等級) ;2008 年標準—新增 25 號， 20Mn ， 25Mn 鋼及 Q235A～ D ，Q390A～E，Q420A～E，Q460C～E鋼。圓管《低壓流體輸送用焊接鋼 管》( GB∏T3091 — 2008) (不適用于結(jié)構(gòu)) 規(guī)定了直縫焊管的技術(shù)要求與質(zhì)檢要求。適用于水、氣等低壓流體輸送用焊接鋼管。制造工藝: 冷彎直縫高頻電阻焊( ERW) 或直縫埋弧焊 (SAWL) 、螺旋縫埋弧焊(SAWH) 。鋼材牌號:Q215A ，B ，Q235A ，B ，Q345A ，B。圓管《低壓流體輸送管道用螺旋縫埋弧焊鋼管》 ( SY∏T5037 —2000) ( 不適用于結(jié)構(gòu)) 為石油部產(chǎn)品標準，規(guī)定了螺旋焊管的技術(shù)要求(無力學性能) 及質(zhì)檢要求， 適用于水、氣等低壓流體輸送管道。

　　制造工藝:采用熱軋鋼帶，經(jīng)過高溫螺旋成型， 螺旋縫采用自動埋弧焊法焊接。鋼材牌號:Q195 ，Q215 ，Q235。也可采用其他焊接性能良好的鋼種。圓管《焊接鋼管尺寸及單位長 度 重 量 》 ( GB∏ T21835 —2008) 規(guī)定了焊接圓鋼管的公稱尺寸及單位長度重量。普通鋼管通用系列規(guī)格(D ×t) 可由4813 ×2～2 540 ×65。《無縫鋼管尺寸外形、重量及允許偏》( GB∏ T17395 —2008) 規(guī)定了無縫圓鋼管的尺寸、外形、重量及允許偏差。普通管熱軋規(guī)格( D ×t) 可由48 ×2～508 ×110 ， 擴徑管直徑由 711～1 016mm。壁厚公差按厚徑比與精度等級分別規(guī)定，允許值在±(715～15) t %范圍內(nèi)。冷成型焊接圓鋼管》所進行的試驗分析表明， 對建筑結(jié)構(gòu)用管該限值可放寬為15～20。

　　上述第2 項關于強度級別與壁厚的規(guī)定， 主要是因為該規(guī)范中鋼管一章里所列相貫節(jié)點計算的公式、方法均是以此類鋼材與壁厚條件為對象試驗研究得出的。若并非相貫線節(jié)點直接焊接的桁架或鋼管柱、支撐等構(gòu)件，其鋼管選材可不受此限制。該規(guī)范在正文中未提及不同類別鋼管的選用規(guī)定，但在101111 條的條文說明中提出“由于軋制無縫鋼管價格較貴， 宜采用冷彎成型的高頻焊接鋼管。方 (矩) 形鋼管多為冷成型高頻焊接鋼管， 由于此類管材通常存在殘余應力與冷作硬化現(xiàn)象， 用于低溫地區(qū)的外露結(jié)構(gòu)時，應進行專門的研究”。這一段表述仍可作為設計選材中應普遍遵守的原則。 212《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程》( CECS28 :90) 該規(guī)程因編制年份較早，雖尚未修訂， 但現(xiàn)在仍可作為設計參照，可是有關選材的規(guī)定多數(shù)已明顯滯后， 不再適用。如21112 條規(guī)定“鋼管可采用直縫焊管、螺旋焊管和無縫鋼管……”，71112 條又規(guī)定鋼管的“…… 卷管方向應與鋼板壓延方向一致……”這兩條規(guī)定均有不妥處。首先迄今為止， 尚無結(jié)構(gòu)用的螺旋焊管產(chǎn)品與標準可供結(jié)構(gòu)工程選用， 現(xiàn)行流體螺旋鋼管標準并無力學性能規(guī)定，結(jié)構(gòu)設計應用時無據(jù)可循;再是限定制管方向與鋼板壓延方向一致的規(guī)定亦缺乏技術(shù)依據(jù)，因現(xiàn)冷成型圓鋼管所用卷制( 與板軋制方向一致) 與壓彎(與板軋制方向相垂直) 兩大類成型方法成型后的管材，均可滿足結(jié)構(gòu)用管的使用要求， 設計選材時可不必對此提出限制。

　　213《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( CECS159 :2004) 該規(guī)程31113 條規(guī)定了“矩形鋼管可采用冷成型的直縫或螺旋焊管或熱軋管……”，按該條條文說明可知，冷成型螺旋焊管是指由螺旋焊圓管再次通過冷軋 5 8 成為矩形(即圓變方) 的鋼管， 而熱軋管是將已成型的圓鋼管，在熱狀態(tài)下再次成型的矩形鋼管。對此， 應注意以下問題: 熱軋無縫鋼管與直縫焊接圓鋼管性能特點比較 表2 標準 《結(jié)構(gòu)用無縫鋼管》( GB∏T8162 —2008) 《直縫焊接鋼管》( GB∏T13793 —2008) 適合鋼結(jié)構(gòu)的鋼材牌號可選用 Q235 ， Q345 ， Q390 ， Q420 ， Q460 各牌號、各等級鋼，不能選用 GJ 鋼。可選用Q235 ，Q345 ，Q390 ，Q420 ，Q460 各牌號、各等級鋼與 GJ 鋼。當按本標準供貨時， 可選Q235A ，B ， C 級鋼， Q345A ，B ，C級鋼，其他牌號可協(xié)議訂貨。規(guī)格 熱軋最大直徑規(guī)格可為508mm。按不同冷成型方式，卷制或壓制管最大直徑可達215～ 3m或更大， 最大厚度可大于 100mm。可為任意規(guī)格。當按本標準供貨時，最大直徑為610mm。化學成份與碳當量 Q235 鋼硫、磷降低優(yōu)化， 低合金鋼仍按 GB∏ T1591 規(guī)定，但無碳當量保證的規(guī)定。化學成分與所用原板相同，均可按所要求鋼號保證， 低合金鋼鋼管可按保證碳當量交貨。力學性能 ( 以 Q345 鋼為例) 屈服強度∏MPa ≥345( t ≤16) ， ≥325( t = 16～30) ， ≥295( t > 30) (按《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》( GB∏T1591) ≥345 ( t ≤16) ， ≥335( t = 16～40) ， ≥305( t = 80～100) 抗拉強度∏MPa ≥490 ≥470～630 伸長率∏% ≥21 ≥20(Q345 鋼) ， ≥18(Q345 焊管) - 40 ℃沖擊功∏J ≥27 ≥34(Q345 鋼) ， ≥27(Q345 焊管) 按壓桿設計時 a 類截面 b 類截面壁厚公差 ±(1215～15) % ±(7～10) %( t ≤15) ， ±(4～6) %( t = 15～20) 價格 約較直烽焊接鋼管高(15～20) % —

(1) 同前所述， 目前尚無結(jié)構(gòu)用螺旋焊管產(chǎn)品， 若用流體螺旋焊管， 其性能不能保證符合結(jié)構(gòu)的使用要求。且矩形螺旋管經(jīng)兩次冷加工成型， 其冷作硬化效應更為顯著，故目前在工程中不宜選用冷成型螺旋焊矩形鋼管。
(2) 矩形直縫焊接鋼管的冷成型方法可分為圓變方與直接成方兩類。前者因二次冷加工， 成管后殘余應力及硬化影響要比后者明顯增高，延性有明顯降低。故承重構(gòu)件選材宜明確提出選用直接成方的矩形鋼管。現(xiàn)行行業(yè)標準《建筑結(jié)構(gòu)用冷彎矩形鋼管》(J G∏ T178 —2005) 較詳細地規(guī)定了這兩類產(chǎn)品及其Ⅰ級、Ⅱ 級產(chǎn)品的技術(shù)要求、性能指標與公差、質(zhì)量要求， 可作為矩形鋼管選材的主要依據(jù)。
(3) 熱軋矩形鋼管為冷成型圓鋼管在加熱狀態(tài)下由圓變方，相當于成型過程中進行了熱處理， 因而管材殘余應力大幅削減， 延性提高， 焊接性能改善， 綜合性能明顯優(yōu)化。此類管材適于重要結(jié)構(gòu)。因我國尚無此類熱成型方矩管材產(chǎn)品，近年來，國內(nèi)少數(shù)工程所用均為進口產(chǎn)品， 價格較高， 故宜經(jīng)比選后采用。其性能、參數(shù)可參照歐洲產(chǎn)品標準《非合金和細晶粒結(jié)構(gòu)鋼的最終熱成型管材》( EN10210 —2006) 。

3 　熱軋無縫鋼管與直縫焊管的特點與性能比較長期以來，人們多以為無縫鋼管沒有接縫， 因而質(zhì)量、性能均優(yōu)于直縫焊管，其實這是一種誤解。由于較早的無縫鋼管主要用途為石油套管， 故按我國1999 年《結(jié)構(gòu)用無縫鋼管》標準， 其產(chǎn)品鋼材牌號并無普通碳素結(jié)構(gòu)鋼(Q235) 和強度較高的( ≥345MPa) 低合金鋼。到2008 年新修訂標準時才對鋼材牌號做了較全面的補充。但由于頂管成型工藝不如鋼板軋制工藝對鋼材性能有更大的改善作用，因而與同牌號、同厚度鋼板和焊管相比，雖其殘余應力低，作壓桿時可按a 類截面計算，但屈服強度也低， 對徑厚比大的鋼管， 其沖擊韌性略差。此外， 碳當量尚不是交貨的基本條件， 且規(guī)格少，壁厚公差值大，價格較高。其與焊管二者的性能特點比較見表2。

4 　冷成型鋼管管材性能與其原板性能的差異如前所述，將原板經(jīng)冷彎、冷卷(壓) 制成焊接鋼管后，由于冷作硬化的影響，管材的力學性能會較原板強度提高而延性降低。對冷彎矩形鋼管( 特別在截面的轉(zhuǎn)角處) 和徑厚比較小的圓鋼管，這種變化的幅度更為顯著。但長期以來， 工程技術(shù)人員對此差異及其影響不甚了解，以為只要提出了鋼材牌號的要求， 管材的性能就可以按鋼材牌號或原板的材質(zhì)/鋼號/牌號/鋼級性能一樣得到保證。而多年來在實際工程中也常以原板的材質(zhì)/鋼號/牌號/鋼級報告單作為管材的材質(zhì)/鋼號/牌號/鋼級單，提供驗收與設計、監(jiān)理認可。這種做法導致最終構(gòu)件所用管材可能存在較大冷作殘余應力，雖強度提高，但屈強比相應提高，延性韌性降低， 耐斷裂能力與焊接性能變差， 降低了鋼管構(gòu)件在彈塑性或低溫工作條件下的安全性。故當承重結(jié)構(gòu)采用冷成型鋼管時，特別是在低溫環(huán)境或動荷載條件下， 應明確提出鋼管管材(不是原板) 的力學性能與工藝性能要求及依據(jù)標準，施工單位鋼材訂貨及監(jiān)理也應以此為依據(jù)進行驗收與把關。目前建設部產(chǎn)品標準《建筑結(jié)構(gòu)用冷彎矩形鋼管》(J G∏T178 —2005) 已對此有明確的規(guī)定，并將產(chǎn)品按保證管材性能或只保證原板性能分為 6 8 Ⅰ級產(chǎn)品與Ⅱ級產(chǎn)品，更便于設計人員優(yōu)材優(yōu)用、合理選材。表3 列出了冷彎管材標準規(guī)定的性能指標與原板性能指標的比較，由表可知:

(1) 冷成型管材標準所列的屈服強度均與原板的屈服強度相同。實際上成管后屈服強度都會因冷加工強化而提高(增幅可達30 %以上) ， 只是在鋼管標準中未列出其增值而已，同時在冷成型鋼管設計中， 一般也不考慮此提高影響。而《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》 ( GB50018 —2002) 對冷彎薄壁型鋼( t ≤6mm) 規(guī)定了可考慮此提高影響， 其強度設計值可乘以增大系數(shù)后取值為 f ′。
(2) 抗拉強度基本上無變化。這意味著鋼管實際的屈強比會有所提高，亦即降低了延性， 如表中先圓后方工藝生產(chǎn)的矩形鋼管屈強比限值均放寬到019。
(3) 伸長率普遍降低。按表中各標準現(xiàn)定的限值比較，對Q235 鋼材降低10 %～20 %; 對Q345 ， Q390 均降低10 %～15 %，即塑性、韌性、耐斷裂性均降低。

5 　焊接鋼管成型工藝對管材性能的影響目前焊管的成型工藝可分為冷成型與熱成型兩大類，前者綜合性能較差，而后者優(yōu)良。表4 列出了不同工藝鋼管特點與性能的比較。

6 　關于管材中殘余應力的問題在管材中同樣也存在著殘余應力， 作為一種內(nèi)在的缺陷，會對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用性能產(chǎn)生不利影響， 也引起設計人員的關注與擔心。近年來， 一些重點工程中設計要求對加工成型的厚壁管材進行消除殘余應力的處理，這將大大增加加工難度與成本， 對一些大型構(gòu)件還并不可行。對此可說明以下幾點: 冷成型焊接鋼管性能與原板性能比較 表3 性能直縫焊接圓鋼管 冷彎矩形鋼管《直縫電焊鋼管》 ( GB∏T13793 —1999) 《直縫電焊鋼管》 ( GB∏T13793 —2008) 《冷彎型鋼》( GB∏T6725 —2008) ( t ≤19) 《建筑結(jié)構(gòu)用冷彎矩形鋼管》(J G∏T178 —2005) Ⅰ級產(chǎn)品( t = 4～22) 鋼材牌號 Q235A ，B Q235A ，B ，C Q345A ，B ，C Q235 Q345 Q390 Q235 Q345 Q390 屈服強度∏MPa 無規(guī)定 ≥235 (235∏225) ≥345 (345∏335) ≥235 (235∏225) ≥345 (345∏335) ≥390 (390∏370) ≥235 (235∏225) ≥345 (345∏335) ≥390 (390∏370) 抗拉強度∏MPa ≥{375} [ 390 ] (370～500) ≥375 (370～500) ≥470 (470～630) ≥370 (370～500) ≥470 (470～630) ≥490 (490∏650) ≥375 (370～500) ≥470 (470～630) ≥490 (490∏650) 屈強比 無規(guī)定 無規(guī)定 無規(guī)定 無規(guī)定 無規(guī)定 無規(guī)定直接成方 ≤018 ， 先圓后方 ≤019 直接成方 ≤018 ， 先圓后方 ≤019 直接成方 ≤0185 ， 先圓后方 ≤019 伸長率∏% ≥{20} [ 9 ] (26) ≥20 (26) ≥18 (20) ≥24 (26) ≥20 (20) ≥17 (20) ≥23 (26) ≥21 (20) ≥19 (20) 碳當量∏% 無規(guī)定 無規(guī)定 無規(guī)定 無規(guī)定 無規(guī)定 無規(guī)定 ≤ 0136 ≤0143 ≤0145 　　注: () 為原板的指標值，其分子和分母值分別為厚度不大于和大于16mm的值;{}值為軟狀態(tài)鋼管R; [ ]值為低硬狀態(tài)鋼管DY。各類鋼管成型工藝與產(chǎn)品性能特點 表4 鋼管類別

　　成型工藝與產(chǎn)品特點 鋼管性能特點冷成型直縫焊接圓管冷彎矩形鋼管熱成型矩形鋼管單張卷制工藝

1) 將單張鋼板沿其軋制方向在卷管機上多次卷曲后焊接成管，鋼結(jié)構(gòu)制造廠多用此工藝， 成本較低;
2) 冷卷管卷制最大厚度可達110mm， 最大管徑可超過3m;
3) 單管長度(受設備條件限制) 較短，

　　一般為鋼板寬度。

1) 成管后用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件時，主要應用原板的橫向性能， 而鋼板的橫向沖擊功較縱向的低;
2) 可加工更大直徑的厚壁管，但管段較短，常需焊接接長。

單張壓彎工藝

1) 在壓彎制管機上將鋼板沿垂直于軋制方向以長壓頭逐點壓制折彎，漸變?yōu)閳A形后焊接成管; 2) 成型管材直徑為400～2 600mm， 最大壁厚100mm， 單管長度1210m;
3) 一般為專業(yè)制管廠在較先進設備生產(chǎn)線上檢測、加工，成本較高。

1) 成管后用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件時，主要應用原板的縱向(軋制方向) 性能，鋼板縱向各力學性能指標均略優(yōu)于橫向的， 特別是沖擊功;
2) 單管長度較長， 對較長構(gòu)件可減少管段拼焊接頭。連續(xù)冷彎工藝
1) 將鋼帶在多輥冷彎機組上連續(xù)冷彎成型高頻焊成管;
2) 最大規(guī)格( D ×t) 為610 ×16。 1) 鋼帶開卷、冷彎、焊接均在連續(xù)冷彎機組上完成， 生產(chǎn)效率高;2) 規(guī)格為直徑、壁厚不大的鋼管。圓變方工藝 1) 在連軋機上將連續(xù)冷彎焊接的圓鋼管， 再經(jīng)多輥連續(xù)軋制冷成型為矩形鋼管;2) 管材可連續(xù)生產(chǎn)， 效率高， 成本較低，可生產(chǎn)最大規(guī)格為500 ×20。因經(jīng)二次冷彎成型，形成冷作硬化累積效應， 成管后屈服強度有較大幅度提高而塑性性能與延性明顯下降。在各拐角處與焊縫處有較高的殘余應力，焊接性能變差。直接成方工藝 1) 將鋼板(帶) 在成型機上以長壓頭沿4 個拐角點逐次壓制成直角，再高頻焊成方( 矩) 形管; 2) 管材為單管壓制生產(chǎn)，效率較低，成本較高，最大規(guī)格為500 ×20。為一次冷彎成型，管材平板部分的塑性指標( 伸長率) 較原板降低不多，但各拐角處仍有較高的殘余應力， 局部焊接性能差。最終熱成型工藝 1) 先連續(xù)冷彎并焊接為圓鋼管， 再進入加熱成型設備， 在熱狀態(tài)下成型為矩形管;2) 國外標準可生產(chǎn)最大規(guī)格為500 ×16 ，我國尚無生產(chǎn)線， 所用管材均需進口， 價格較高。因最終工序為熱成型，相當于進行了熱處理， 殘余應力大幅削減，管材性能得到全面改善， 晶粒細化， 塑性、延性、焊接性能、低溫工作性能、耐斷裂性能等均有較大幅度提高。壓桿設計可用a 類截面。 7 8 　　

(1) 在板材、型材與管材中的殘余應力， 主要是成型后不均勻冷卻或焊接收縮引起的一種沿截面自平衡附加應力。前者可沿鋼材全長與壁厚分布， 后者主要分布于焊縫區(qū)及其附近。此外冷加工時， 也會因較大的塑性變形產(chǎn)生較大的殘余應力( 如冷彎型鋼的拐角處) 。相比較而言，熱成型方、矩鋼管的殘余應力最低， 熱軋無縫鋼管殘余應力也較低， 故規(guī)范規(guī)定這二類截面作壓桿時均可按a 類截面計算， 一般冷彎焊接方、圓鋼管則按b 類截面計算。
(2) 殘余應力的特點是沿截面拉、壓應力自相平衡;厚板組合截面殘余應力高于薄壁構(gòu)件。熱軋鋼材殘余應力的絕對值與其屈服強度無關， 亦即對更高強度鋼材的構(gòu)件， 殘余應力對其穩(wěn)定性的不利影響會相對減小。同時殘余應力還具有隨時間延長或振動影響而逐漸衰減的特性。 (3) 研究表明，殘余應力對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與抗疲勞性能等會產(chǎn)生不利影響， 但現(xiàn)行設計規(guī)范的計算方法中均已將其作為初始缺陷予以考慮。如對軸壓折減系數(shù)的截面分類即包含了此不利影響。
(4) 消除殘余應力最有效的方法是對構(gòu)件最終進行熱處理，削減效果好， 但成本高， 對大型構(gòu)件往往不可行。此外，采用振動時效法也可有限地削減殘余應力， 確有必要時， 可參照機械行業(yè)標準《焊接構(gòu)件振動時效工藝參數(shù)選擇及技術(shù)要求》(JB∏T10375 —2002) 要求進行削減處理。綜上所述，對產(chǎn)品工藝過程中殘余應力的不利影響，在設計規(guī)范中已對典型截面按初始缺陷予以考慮， 而成管焊接在大多數(shù)制造廠都已采用焊接區(qū)預熱、焊后緩冷及減小接頭約束度等措施， 再考慮殘余應力時效衰減等特點， 一般可提出減小焊接約束度及預熱緩冷等措施要求，而不必要求對整體構(gòu)件進行消除( 或削減) 殘余應力處理。對低溫度疲勞條件下工作的或特別重要的焊接厚壁管件， 宜在進行比較論證后提出此項要求。

7 　關于鋼管結(jié)構(gòu)合理選材的建議

(1) 結(jié)構(gòu)用鋼管的選材除應綜合考慮結(jié)構(gòu)重要性、荷載特征、環(huán)境條件、鋼材厚度等要素外， 還應注意成型方法和冷作硬化對管材性能的不利影響， 必要時， 應同時提出成型工藝的要求(如直接成方、卷制或壓彎成型等) 。
(2) 各類承重結(jié)構(gòu)(特別是在低溫環(huán)境或動荷載條件下) 選用管材時，應在設計文件中同時明確要求鋼管原板與成管后管材所保證的性能與技術(shù)條件要求， 以及所依據(jù)的產(chǎn)品標準。訂貨合同應對此有明確約定， 并作為鋼材到場驗收的依據(jù)， 應防止以原板材質(zhì)/鋼號/牌號/鋼級代替管材材質(zhì)/鋼號/牌號/鋼級進行驗收的做法。
(3) 對相關設計規(guī)范(程) 中有關鋼管的選材規(guī)定， 應注意了解其相關條文說明對其應用條件、范圍與注意事項的解釋。對明顯滯后或與鋼材標準有矛盾的規(guī)定內(nèi)容，不宜再作為選材的依據(jù)。
(4) 承重結(jié)構(gòu)選用圓鋼管時宜注意以下幾點:1) 一般宜優(yōu)先選用直縫焊接圓鋼管， 其技術(shù)要求與力學性能可按《冷彎型鋼》( GB∏T6725 —2008) 與《直縫電焊鋼管》( GB∏T13793 —2008) 的規(guī)定作為基本交貨條件，必要時，可提出附加要求的性能保證，如屈強比、沖擊功等; 2) 選用冷成型直縫焊管規(guī)格時，壁厚不宜過厚， 最小徑厚比( D∏t) 不宜小于15 (Q235) ， 20 (Q345) 或25 (Q390 ， Q420) 。對受動力荷載的構(gòu)件及要求高延性的構(gòu)件， 應盡量選用大徑厚比的鋼管，其伸長率應不小于20 %，屈強比應不大于0185 ，對需要計算疲勞的構(gòu)件，宜選用壓彎成型的鋼管;3) 鋼結(jié)構(gòu)工程不宜選用流體用的螺旋焊管;4) 按現(xiàn)行規(guī)范設計的相貫線直接焊接鋼管結(jié)構(gòu)，其鋼管的屈服強度不應大于345MPa ， 屈強比不應大于018 ， 壁厚不宜大于25mm;5) 有比選依據(jù)時， 可選用熱軋無縫鋼管，其厚壁管強度設計值宜予以折減， 必要時可協(xié)議要求按較小壁厚負公差交貨， 同時， 不宜選用擴徑無縫鋼管。
(5) 承重結(jié)構(gòu)選用矩形鋼管時宜注意以下幾點:

1) 冷成型矩形鋼管宜按《建筑結(jié)構(gòu)用冷彎矩形鋼管》(J G∏ T178 —2005) 規(guī)定的質(zhì)量與技術(shù)要求選用， 并宜選用直接成方的Ⅰ級產(chǎn)品鋼管;2) 當有更高性能要求時， 可選用按歐洲標準《非合金和細晶粒結(jié)構(gòu)鋼的最終熱成型管材》( EN10210 —2006) 供貨的最終熱成型矩形鋼管;
3) 冷彎矩形鋼管用于直接承受動荷載或低溫環(huán)境時，宜經(jīng)專門論證后采用。 (上接第99 頁) 行下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計時應予以充分考慮， 需采用有效的簡化方法在下部結(jié)構(gòu)整體分析中進行模擬。
(3) 大跨網(wǎng)殼的支座形式對其承載力及穩(wěn)定性能有很大影響，周邊整體約束較強的結(jié)構(gòu)對溫度工況需足夠重視。