Эволюция проектирования стальных конструкций произвела революцию в строительной отрасли, внеся существенный вклад в строительство более эффективных, прочных и высоких зданий. Среди основных факторов, которые делают такие достижения возможными, — коробчатая колонна — важный элемент как обычных систем стальных конструкций, так и сборных сборных стальных конструкций. В этой статье представлена подробная информация о коробчатых колоннах, например, о преимуществах конструкции, изготовлении, конструктивных особенностях и использовании в современных конструкциях.
Что такое коробчатая колонна?
Коробчатая колонна — это почти квадратный или прямоугольный элемент конструкции, образованный сваркой стальных пластин на форме заключенного сечения. В отличие от колонны открытого сечения, представленной двутавровыми балками или колоннами H, коробчатые колонны обладают изотропной прочностью во всех направлениях и, следовательно, обладают более высокой склонностью к обеспечению высокой прочности на изгиб, изгиб и кручение. По этой причине коробчатые колонны становятся материалом первого выбора для каркаса высотных зданий, мостов и заводских установок.
Основные характеристики коробчатых колонн:
- Здание с закрытым сечением — обеспечивает высокую жесткость на кручение и нагрузку.
- Высокое отношение прочности к весу — непревзойденная поддержка при сниженном использовании материала.
- Модульное здание — легко встраивается в сборные стальные строительные системы.
- Эстетическое разнообразие — может быть выставлено для грубого промышленного вида или скрыто за стенами.
Преимущества коробчатых колонн в стальных конструкциях
1. Лучшая несущая способность
Коробчатые колонны обладают хорошей несущей способностью при больших осевых и боковых нагрузках, и они больше всего подходят для небоскребов и большепролетных конструкций. Закрытая коробчатая структура позволяет избежать локального выпучивания и обеспечивает устойчивость даже при интенсивном напряжении.
2. Максимальное использование материала
В стальных конструкциях коробчатые колонны сокращают отходы материала за счет концентрации поддержки по периметру полой колонны. Это помогает снизить общий вес без ущерба для прочности, экономя материалы и транспортные расходы.
3. Повышенная сейсмическая и динамическая устойчивость к нагрузкам
Благодаря симметричной геометрии коробчатые колонны подходят для сейсмоопасных зон. Поскольку они могут выдерживать нагрузки в различных направлениях, их включают в сейсмостойкие стальные каркасы конструкций.
4. Защита от пожара и коррозии
Бетонный заполнитель коробчатых колонн создает композитные колонны, тем самым повышая огнестойкость. Кроме того, высокотехнологичные покрытия, такие как оцинковка или эпоксидные краски, защищают их от ржавчины, увеличивая их долговечность в таких неблагоприятных условиях.
5. Архитектурная гибкость
Архитекторы любят коробчатые колонны, потому что у них четкие линии и очень тонкий профиль. Их можно легко интегрировать с современными фасадами или скрыть за стенами, обеспечивая структурную прочность и гибкость дизайна.
Процедура изготовления коробчатых колонн
Изготовление коробчатой колонны является неотъемлемым этапом производства готовых стальных конструкций. Процесс включает в себя следующие этапы точности:
1. Резка и выбор материала
Тяжелые стальные пластины (обычно ASTM A572 или A992) выбираются на основе требований проекта. Лазерная, плазменная или водоструйная резка — это точные процессы резки, применяемые для получения точных измерений и чистых срезов.
2. Сборка и сварка
Стальные пластины роботизированным способом свариваются GMAW или SAW, образуя прямоугольную или квадратную закрытую коробчатую секцию. Они свариваются роботизированным способом, чтобы обеспечить большую согласованность и меньше человеческих ошибок.
3. Добавление ребер жесткости (при необходимости)
Внутренние ребра жесткости привариваются внутри коробчатой секции для нагруженных или более высоких колонн, чтобы предотвратить выпучивание и более равномерно распределить нагрузки.
4. Контроль качества и проверка
Неразрушающие методы испытаний, такие как ультразвуковой контроль или радиографический контроль, гарантируют прочность сварного шва. Проверка размеров может гарантировать соответствие спецификации проекта.
5. Обработка поверхности и отделка
Коробчатая колонна обрабатывается соответствующим образом:
- Пескоструйная обработка — ржавчина и прокатная окалина удаляются.
- Грунтовка и покраска — защита от коррозии может быть обеспечена.
- Заполнение бетоном необязательно, но может улучшить прочность на сжатие и огнестойкость.
Проектные соображения для коробчатых колонн
При проектировании стальной конструкции с коробчатыми колоннами проектировщики должны учитывать следующее:
1. Требования к нагрузкам
- Осевые нагрузки (вертикальная нагрузка).
- Боковые нагрузки (ветровые, сейсмические).
- Эксцентричные нагрузки (внецентральные).
2. Коэффициент гибкости
Коэффициент гибкости колонны (длина по отношению к толщине) влияет на прочность на изгиб. Коробчатые колонны с более толстыми стенками или внутренними ребрами жесткости лучше подходят для тонких конфигураций.
3. Подробности соединения
Коробчатые колонны должны быть хорошо соединены с фундаментами и балками. Ниже приведены распространенные практики по этой методологии:
- Прямые сварные соединения — прочнее, но склонны к неточному выравниванию.
- Болтовые соединения торцевых пластин — проще собирать на месте при работе со сборными стальными конструкциями.
- Опорные плиты с анкерными болтами — обеспечивают устойчивость на уровне основания.
4. Тепловое расширение и сжатие
Сталь расширяется при нагревании, поэтому для больших конструкций могут потребоваться компенсаторы или гибкие соединения.
Применение коробчатых колонн в строительстве зданий
1. Небоскребы и высотные здания
Инженеры широко используют коробчатые колонны в небоскребах из-за их тонкого профиля и высокой несущей способности, что позволяет максимально эффективно использовать пространство здания. Например, в Бурдж-Халифе и Шанхайской башне для устойчивости используются коробчатые сталебетонные композитные колонны.
2. Промышленные и складские здания
Склады со стальным каркасом имеют коробчатые колонны, которые несут тяжелые открытые пространства без опор между ними, что гарантирует эффективность хранения и логистики.
3. Мосты и инфраструктура
Использование стальных коробчатых колонн в качестве пилонов и опор связано с тем, что коробчатые балочные мосты в основном будут использовать их из-за жесткости на кручение при динамических нагрузках от движения.
4. Морские и морские сооружения
Коробчатые колонны используются в строительстве из-за их устойчивости к коррозии при надлежащей обработке, в судостроении, портах и на нефтяных вышках.
5. Модульные и сборные здания
Коробчатые колонны лучше всего подходят для модульных зданий, поскольку их легко собирать и разбирать, что позволяет минимизировать время строительства.
Будущие тенденции коробчатых колонн
1. Усовершенствованные высокопрочные стали (AHSS)
Новые стальные сплавы с более высоким пределом текучести позволяют сделать коробчатую колонну еще легче и тоньше без ущерба для производительности.
2. Стальные узлы, напечатанные на 3D-принтере
Аддитивное производство исследует создание улучшенных узлов соединения с уменьшенным количеством сварки в оптимальных узлах соединения для коробчатых колонн.
3. Интеллектуальные системы мониторинга
Внутренние датчики в коробчатой колонне могут измерять напряжение, температуру и коррозию в режиме реального времени, улучшая мониторинг состояния конструкции.
Заключение
Коробчатые колонны стали основой современных стальных конструкций и сборных стальных систем конструкций благодаря непревзойденной прочности, эффективности и универсальности. Будь то небоскреб, касающийся неба, или гигантские промышленные комплексы, инженерные преимущества делают их обязательными в современных конструкциях.
С развитием все более продвинутых методов изготовления и открытием новых материалов коробчатые колонны останутся в авангарде производства прочных, устойчивых и эстетически привлекательных конструкций. Поэтому знание того, как освоить эффективность коробчатых колонн, является наиболее надежным методом для архитекторов, инженеров и подрядчиков, чтобы достичь наилучших проектов для застроенной среды будущего.
