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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年欧洲设计委员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万能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袭击，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型钢常见的精整缺陷 (1)矫裂。 H型钢矫裂主要出现在腰部。造成矫裂的原因：其一是矫直压力过大或重复矫次数过多；其二是被矫钢材存在表面缺陷(如裂纹、结疤)或内部缺陷(如成分偏析、夹杂)，使其局部强度降低，一经矫直即造成开裂。 (2)矫痕。 H型钢矫痕是指由于矫正圈上贴有氧化铁或其他金属异物，在矫直时这些氧化铁或异物在钢材表面形成等间距出现的凹坑。 (3)扭转。 H型钢扭转是指其断面沿某一轴线发生旋转，造成其形状歪扭。造成扭转的原因：一是精轧成品孔出口侧导卫板高度调整不当，使轧件受到导卫板一对力偶的作用而发生扭转；二是矫直机各辊轴向错位，这样也可形成力偶而使钢材发生扭转。 (4)弯曲。 H型钢弯曲主要有两种类型：一种是水平方向的弯曲，俗称镰刀弯；另一种是垂直方向的弯曲，也叫上下弯或翘弯。弯曲主要是由矫直机零度不准，各辊压力选择不当而造成的。 (5)内并外扩。 H型钢的内并外扩是指其腿部与腰部不垂直，破坏了其断面形状，通常呈上腿并下腿扩，或下腿并上腿扩状态。内并外扩是因成品孔出口导卫板调整不当造成的，以后虽经矫直，但很难矫过来，尤其是上腿并下腿扩这种情况，矫直机很难矫，因为矫直机多采用下压力矫直。 H型钢断面选择的基本原则 为便于说明H型钢(IPE梁型、IPB柱型)与普通工字钢INP在断面力学性能上的差异，我们选具有相同高度(200mm)的IPB、IPE及INP断面进行比较，这三种断面代表了轧制钢梁的历史和技术的发展过程。 在同一受力条件下，比较一下INP和IPE，尽管IPE具有低的弹性断面模数，但它的单位质量弹性断面模数WxG是优越的。在型钢横向受力时，对于弹性模数WyG，IPE更为有利。因此我们可以得到如下两个结论： (1)在一个梁仅仅受纯弯曲应力的情况下，采用IPE断面是经济的。 (2)在一个柱子同时受到x及y两个方向的负荷作用时，则采用IPB更合理。 在上述两种情况下，具有平行腿的IPE及IPB比INP(普通工字钢)具有更大的优势。从材料力学理论出发，在选择一个仅受弯曲的梁时，应主要看它的抗弯弹性断面模数Wx，也要看其抗弯惯性矩Ix，Wx与Ix是相辅相成的。对于一个受压缩的柱，弯曲抗力与曲率半径成正比。在承受小负荷的情况下，应采用IPE；在承受中等负荷的情况下，应采用IPBL系列断面(它具有大的弹性模数)；在承受大应力与应变条件下，应采用IPB及IPBV(柱型H型钢)系列的H型钢。 经过计算，在各种许用弯矩下，H型钢(IPE)比普通工字钢(INP)平均单重轻10％，这对于起重设备和运输设备的结构设计有很大意义。提高H型钢性能的方法 H型钢作为结构用材料，广泛应用于高层建筑、工业厂房、码头、桥梁、地下巷道等大型工程。根据这些工程结构设计的要求，H型钢应具备如下性能： (1)良好的可焊性； (2)高的抗张强度和屈服强度； (3)高的抗疲劳强度； (4)良好的抗断裂韧性； (5)均匀的材料强度与塑性。 有关金属材料的研究告诉人们，提高H型钢性能的冶金途径主要有以下八条： (1)关于提高H型钢的强度，可以通过增加碳含量使珠光体量增加，从而达到提高材料抗张强度的目的。但为使材料不因碳含量提高而损害材料的可焊性和抗断裂强度，一般其碳含量上限不超过0．2％。 (2)向钢中添加合金元素，如硅、锰、铬、镍等，利用合金元素在铁素体中的固溶强化作用，也可显著提高金属材料的强度。但合金元素的加入也会使材料的可焊性变差，一般认为加入的合金元素总量应限定在1．5％以下。 (3)通过热处理，借助马氏体转变，可提高金属材料的强度和硬度。 (4)通过冷加工变形，提高金属晶体的位错密度，从而提高强度。 (5)铌、钒、钛等合金元素的沉淀硬化作用对铁素体晶粒直径的影响与终轧温度有关，终轧温度越低，晶粒直径越小，沉淀硬化作用越大，尤其是铌和钒。而且沉淀硬化可使金属材料的屈服强度提高，同时可以降低金属的脆性转变温度。金属的韧性很大程度上取决于其硫的含量和硫化物夹杂的种类。欲使钢材具有良好的韧性，其硫含量应控制在0．0029％以下，同时要控制硫化物和氧化物形状。 (6)通过晶粒再结晶，尤其是加入有利于晶粒细化的元素，如铌、钛、钒等，均可促使晶粒细化，使屈服强度提高，韧性改善。对铌而言，其大加入量为0．03％～0．04％。 (7)对H型钢而言，控制轧制是提高其性能的主要手段。世界各国的有关研究指出，对于普通碳素钢及低合金钢钢材，其性能主要取决于终轧温度、变形程度和晶粒尺寸。低的终轧温度可以提高其抗断裂强度。实验表明，终轧温度每低10℃，屈服强度可以增加13MPa，抗张强度增加10MPa。增加金属的变形程度有利于其韧性的提高。而微量合金元素的作用则是通过晶粒细化和沉淀硬化来使钢材强韧化。在H型钢轧制过程中，控制冷却是提高钢材性能的简单易行的办法。通常是控制万能精轧机前的冷却，使从万能粗轧机过来的轧件温度从大约1050～1100℃降到850℃，然后再送入万能精轧机轧制。从1050℃降到850℃，大约需要120s。通常采用气水冷却，喷雾时间与空冷时间为1∶3。冷却装置安放在万能粗轧机后的工作辊道旁，喷嘴在高度和宽度上可以调整。在万能精轧机后的冷却，对H型钢残余应力水平的控制更为关键。H型钢这时要从850℃降到80℃，大约需要110s。为使整个断面温度均匀降低，还要对H型钢的腿部进行冷却。通常也是采用喷雾冷却，同时在冷床上采用空冷，使其腰、腿温差变小。如控制不当，常常会出现腰部波浪或腿部波浪，或很大的残余内应力。总之，要使H型钢具有良好的外形和性能，就必须严格轧制工艺中的塑性形变，选择佳终轧温度和冷却速度。当以连铸坯为原料时，H型钢的性能将受到塑性变形程度、夹杂物分布、加热温度、终轧温度、冷却强度等因素的影响。 (8)用于建筑业的H型钢，通常采用低碳或超低碳合金钢。具体钢种则根据终用途而定。 马钢万能轧钢厂的生产工艺与设备 该轧钢厂以H型钢为主要产品，一期工程年产60万t，其中H型钢42万t。二期工程年产100万t；其中H型钢为82万t。全厂是采用世界H型钢新工艺组织生产，主要设备是从德国曼内斯曼·德马克·萨克公司、西门子公司和美国依太姆公司引进的。马钢万能轧钢厂这条H型钢生产线是中国目前生产H型钢装备水平好、自动化程度高的生产线。 这条生产线以连铸异形坯为原料，采用步进式加热炉加热，选择了二辊式大行程开坯机、万能粗轧机组可逆轧制和万能精轧成形工艺流程。在万能轧机上装有AGC辊缝自动控制系统和快速换辊装置。热锯采用计算机精确定位。冷床为液压步进式冷床，并预留了今后进行长尺冷却的位置。矫直机采用9辊式辊距可调悬臂矫直机。检查台后还专门配备了自动堆垛和打捆设备。全厂生产管理采用计算机三级控制。该厂无论工艺设备还是自动化程度均是当今世界上第一流的。 该厂的工艺装备特点是： 其坯料采用连铸异形坯和连铸矩形坯，采用连铸异形坯轧制H型钢是轧制H型钢的新工艺，它大大减少了轧制道次，变形均匀，轧制尺寸精度高。 该厂主体设备如轧机、热锯、矫直机等均是由德国德马克公司设计制造的，主辅传动电机和自动化控制系统是由德国西门子公司供应的，这些主体设备性能优良、操作方便。另外，该厂还从国外引进了相应技术软件，如辊缝零位自动调整技术(德国德马克公司专利)、UBS万能型钢轧制模拟系统软件和交流传动的矢量控制技术等，保证该厂从轧机调整、孔型设计到主辅传动各方面都处于世界一流水平。 该厂的先进计算机系统实现了从原料入厂到成品发货生产全过程的自动化管理。其三级计算机系统，保证了全厂经营管理、生产过程控制和工序操作始终处于受控佳状态，为提高企业效益提供了可靠保证。 莱钢H型钢厂的生产工艺与设备 该厂设备由日本新日铁和东芝公司提供。工艺操作设备总重11000t，其中轧线设备7560t。电气设备装机总容量为23176kW。该车间年生产能力为50万t，其中H型钢35万t。该车间总投资约为88821万元。 该车间采用短流程型钢生产工艺，从连铸开始，经热装、连轧、冷却、矫直、锯切、检查、堆垛、打捆等工序，是目前我国一条水平较高的型钢生产作业线。
