Стальные коробчатые колонны, также называемые сварными коробчатыми секциями или закрытыми-сборными секциями, изготавливаются путем сварки четырех пластин в полую квадратную или прямоугольную призму. Их закрытая геометрия обеспечивает симметричную жесткость по обеим осям, высокое сопротивление кручению и отличные характеристики при тяжелых осевых нагрузках, что делает их стандартным выбором для высотных-сердечников, мостов с длинными-пролетами и промышленных рам. Вопрос, с которым сталкивается каждая проектная группа на раннем этапе: какого размера должен быть столбец? Ответ приходит из структурного проектирования, а не из каталога, и в этом руководстве объясняются факторы и проверки, которые его определяют.
Что такое стальная коробчатая колонна?
Стальная коробчатая колонна – это закрытый полый элемент конструкции, который обычно изготавливается путем сварки четырех стальных пластин вместе с образованием квадратного или прямоугольного-поперечного сечения. По сравнению с открытыми секциями, такими как двутавровые или двутавровые балки, коробчатая секция обеспечивает:
Симметричная двухосная жесткость:нет сильной или слабой оси, поэтому колонна одинаково сопротивляется изгибу во всех направлениях.
Высокое сопротивление кручению:закрытая ячейка сопротивляется крутящему моменту гораздо эффективнее, чем открытые секции.
Высокая эффективность сжатия:материал распределяется вдали от центроида, что обеспечивает большой радиус вращения сечения.
Превосходный локальный контроль коробления:Четыре пластинчатые стенки могут быть подобраны так, чтобы соответствовать ограничениям компактности, установленным руководящими нормами.
Коробчатые колонны широко используются в качестве колонн в-высотных каркасах, в качестве опор и пилонов мостов, а также в качестве основных элементов в промышленных и общественных зданиях.
Факторы, определяющие размер колонки Box
Расчетные нагрузки
Поперечное-сечение должно выдерживать учтенную осевую нагрузку, изгибающие моменты от силы тяжести и боковых нагрузок, а также сдвиг, объединенные в соответствии с нормативными документами. Должны соблюдаться как предельные состояния по прочности, так и по эксплуатационной пригодности.
Нераскрепленная высота и эффективная длина
Более длинные несвязанные длины увеличивают гибкость колонны и уменьшают ее способность к сжатию. Эффективная длина представляет собой произведение фактической длины и коэффициента K-, который отражает концевые ограничения: фиксированные, штифтовые или частично закрепленные соединения вверху и внизу элемента.
Конечные ограничения и граничные условия
Фиксированные основания и вершины,-соединяемые моментом, уменьшают эффективный коэффициент длины, тогда как закрепленные основания и простые соединения увеличивают его. Условия поддержки должны моделироваться точно, поскольку они непосредственно влияют на проверку устойчивости.
Марка стали
Более высокие-классы прочности, такие как S355 (EN 10025-2), ASTM A572, класс 50 или Q355B (GB/T 1591), позволяют получить более компактную секцию для той же нагрузки за счет более высокой цены за единицу и более строгих требований к сварке и изготовлению. Марку следует выбирать с учетом расчетной прочности и производственных возможностей.
Отношение ширины-к-толщине (местное выпучивание)
Пластинчатые стенки коробчатой колонны должны быть подобраны таким образом, чтобы предотвратить локальное выпучивание до того, как секция достигнет полной прочности. Нормы определяют пределы компактности с точки зрения соотношения ширины-к-толщине; например, AISC 360 устанавливает предельное соотношение ширины-к-толщине для тонких элементов при равномерном сжатии, а GB 50017 и EN 1993-1-1 предусматривают эквивалентные требования к локальному изгибу. При проектировании необходимо убедиться, что выбранная толщина пластины соответствует применимому пределу.
Проверка проектирования для столбцов-коробок
Изменение размера столбца поля — это итеративный процесс принятия раздела, его проверки и корректировки. Основные проверки, выполняемые с использованием руководящего кода (например, AISC 360, EN 1993-1-1 или GB 50017):
Осевая прочность:расчетная прочность на сжатие представляет собой номинальную прочность, уменьшенную на соответствующий коэффициент сопротивления, где номинальная прочность учитывает изгиб при изгибе вокруг критической оси и основана на эффективной гибкости KL/r.
Комбинированные осевые и гибочные:элементы, находящиеся под осевой нагрузкой плюс моменты, проверяются с помощью уравнений взаимодействия кода, которые объединяют коэффициенты использования осевой силы и момента.
Пределы гибкости:элементы сжатия обычно ограничиваются максимальным коэффициентом гибкости (например, KL/r не превышает 200 для основных элементов сжатия по стандарту AISC 360; эквивалентное ограничение в GB 50017 применяется к основным элементам сжатия).
Местное коробление:соотношение ширины-к-толщины пластины проверяется на соответствие пределам компактности, указанным в нормах, чтобы секция могла развить свою пластическую или упругую способность, как это предусмотрено в проекте.
Ремонтопригодность:Боковой снос, осевое укорочение и вибрация проверяются на соответствие проектным ограничениям.
Поскольку геометрия влияет на проверку прочности, окончательный размер лучше всего подтвердить квалифицированным инженером-строителем с использованием признанного программного обеспечения для проектирования и рабочих чертежей, подготовленных на основе утвержденных расчетов.
Практическое руководство по выбору размера в зависимости от применения
| Приложение | Относительный класс сечения | Рекомендуемые примеры оценок | Ключевые факторы выбора |
|---|---|---|---|
| Каркасы жилых и легких коммерческих помещений | Компактные секции, умеренная толщина стенок | Q235B (GB/T 1591) или S235JR (EN 10025-2) | Экономия места, экономичность, простота подключения |
| Промышленные заводы и склады | Средние секции с достаточной жесткостью | Q355B (GB/T 1591) или S355JR (EN 10025-2) | Крановые нагрузки, удары и вибрация, контроль сноса |
| Высотные-высотные и коммерческие башни | Большие секции, более толстые стенки | Q355B, Q420 (GB/T 1591) или ASTM A572, класс 50/60 | Высокая осевая грузоподъемность, строгий контроль компактности, сейсмическая детализация. |
| Мосты и инфраструктура | Глубокие разрезы, тяжелые пластины, усталостные детали. | S355K2 (EN 10025-2) или ASTM A572 класс 50 | Динамические нагрузки, усталость, припуск на коррозию |
| Временные опорные конструкции | Среднее сечение, болтовые соединения | Q355B (ГБ/Т 1591) или S355 | Многоразовость, транспортабельность, быстрый монтаж и демонтаж. |
Таблица носит лишь ориентировочный характер: определяющий вариант нагрузки, эффективная длина и требования норм всегда имеют приоритет, а точные размеры должны быть получены на основе расчетов конструкции.
Производство и контроль качества
Сварные коробчатые колонны требуют дисциплинированного изготовления, поскольку закрытая секция делает внутренние сварные швы недоступными после сборки:
Сварка:четыре угловых шва обычно свариваются дуговой сваркой под флюсом (SAW) с контролируемой последовательностью; процедуры сварки должны соответствовать требованиям AWS D1.1, EN 1090 или применимым нормам.
Внутреннее усиление:поперечные диафрагмы в точках приложения нагрузки и, при необходимости, продольные ребра жесткости контролируют местный изгиб и распределяют сосредоточенные силы.
Не-неразрушающий контроль:критические сварные швы проверяются ультразвуковым контролем (UT), магнитопорошковым контролем (MT) или радиографическим контролем (RT), если этого требуют спецификации.
Отслеживаемость материалов:сертификаты заводских испытаний в соответствии с EN 10204 (тип 3.1) документируют химический состав и механические свойства листа.
Защита от коррозии:поверхности подвергаются пескоструйной очистке до степени Sa 2,5 и покрываются слоем ISO 12944 для соответствующей категории воздействия или подвергаются горячему-оцинковке, если указано.
Пробная сборка:Колонны сложной конструкции или с высокими допусками собираются пробно-в цеху для проверки выравнивания и геометрии отверстий перед отправкой.
Часто задаваемые вопросы
Вопрос: Какие формы столбцов коробки доступны?
Наиболее распространены квадратные и прямоугольные полые профили; Конические и ступенчатые коробчатые колонны изготавливаются, когда архитектурные требования или требования к нагрузке требуют различного сечения по высоте.
Вопрос: Какую марку стали выбрать для коробчатой колонны?
Для умеренных нагрузок экономичны Q235B (GB/T 1591) или S235JR (EN 10025-2). Для высотных зданий, мостов и тяжелой промышленности обычно используются Q355B/Q420 (GB/T 1591), S355 (EN 10025-2) или ASTM A572 класса 50/60. Марка выбирается вместе с расчетной прочностью и требованиями к изготовлению.
Вопрос: Как определяется толщина стенки?
Толщина стенки определяется проверками на осевую прочность и прочность на изгиб, местными ограничениями на изгиб (от-ширины-толщины), предусмотренными нормами, а также любыми допусками на коррозию, необходимыми для окружающей среды. Более толстые стенки используются там, где важна гибкость или местный изгиб.
Вопрос. Каково оптимальное соотношение ширины-к-толщине прямоугольного столбца?
Единого фиксированного значения не существует. Соотношение предельной ширины-к-толщине определяется нормативными документами (например, пределы компактности в AISC 360, GB 50017 или EN 1993-1-1) и зависит от предела текучести стали и уровня напряжения стены. При проектировании необходимо проверить соответствие раздела применимому пределу.
Вопрос: Можно ли соединить колонны коробок на месте?
Да. Соединения на месте выполняются с помощью соединительных пластин с болтовым креплением или сварных швов с пазами полного-провара, детализированных и проверенных в соответствии с нормами. Заводская-подготовка концов и пробная сборка помогают гарантировать выравнивание в месте соединения.
Вопрос: Какая документация сопровождает изготовленные коробчатые колонны?
Типичная документация включает сертификаты заводских испытаний (EN 10204 тип 3.1), аттестацию процедуры сварки и записи сварщика, отчеты неразрушающего контроля, отчеты о проверке размеров и утвержденные заводские чертежи.