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钢结构特点和应用范围钢结构的特点和应用一、钢结构的特点钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的。和其它材料的结构相比,钢结构有如下一些特点:(一)材料的强度高,塑性和韧性好钢材和其它建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比,强度要高得多。因此,特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。钢材还具有塑性和韧性好的特点。塑性好,结构在一般条件下不会因超载而突然断裂;韧性好,结构对动力荷载的适应性强。良好的吸能能力和延性还使钢结构具有优越的抗震性能。另一方面,由于钢材的强度高,做成的构件截面小而壁薄,受压时需要满足稳定的要求,强度有时不能充分发挥。图!?!?!给出同样断面的拉杆和压杆受力性能的比较:拉杆的极限承载能力高于压杆。这和混凝土抗压强度远远高于抗拉强度形成鲜明的对比。(二)材质均匀,和力学计算的假定比较符合钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性体,而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此,钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以严格控制,材质波动的范围小。(三)钢结构制造简便,施工周期短钢结构所用的材料单纯而且是成材,加工比较简便,并能使用机械操作。因此,大量的钢结构一般在专业化的金属结构厂做成构件,精确度较高。构件在工地拼装,可以采用安设简便的普通螺栓和高强度螺栓,有时还可以在地面拼装和焊接成较大的单元再行吊装,以缩短施工周期。小量的钢结构和轻钢屋架,也可以在现场就地制造,随即用简便机具吊装。此外,对已建成的钢结构也比较容易进行改建和加固,用螺栓连接的结构还可以根据需要进行拆迁。(四)钢结构的质量轻钢材的密度虽比混凝土等建筑材料大,但钢结构却比钢筋混凝土结构轻,原因是钢材的强度与密度之比要比混凝土大得多。以同样的跨度承受同样荷载,钢屋架的质量最多不过钢筋混凝土屋架的!#至!$,冷弯薄壁型钢屋架甚至接近%!&,为吊装提供了方便条件。对于需要远距离运输的结构,如建造在交通不便的山区和边远地区的工程,质量轻也是一个重要的有利条件。屋盖结构的质量轻,对抵抗地震作用有利。另一方面,质轻的屋盖结构对可变荷载的变动比较敏感,荷载超额的不利影响比较大。受有积灰荷载的结构如不注意及时清灰,可能会造成事故。风吸力可能造成钢屋架的拉、压杆反号,设计时不能忽视。这在钢筋混凝土屋盖结构中是不会出现的。(五)钢材耐腐蚀性差钢材耐腐蚀的性能比较差,必须对结构注意防护。这使维护费用比钢筋混凝土结构高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中,构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆,锈蚀问题并不严重。近年来出现的耐大气腐蚀的钢材具有较好的抗锈性能,已经逐步推广应用。(六)钢材耐热但不耐火钢材长期经受!&&’辐射热时,强度没有多大变化,具有一定的耐热性能,但温度达!&’以上时,就须用隔热层加以保护。钢材不耐火,重要的结构必须注意采取防火措施。例如,利用蛭石板、蛭石喷涂层或石膏板等加以防护。二、钢结构的应用范围钢结构的合理应用范围不仅取决于钢结构本身的特性,还受到国民经济具体发展情况的制约。解放以来,我国的钢产量有很大发展,!$年全国钢产量只有十几万吨,!*年年产量已达到+&&&万吨。但是我国社会主义现代化建设规模宏大,用钢__量与日俱增。所以,供需相比之下钢材仍然是比较短缺的。为了早日实现农业、工业、国防和科学技术的现代化,一方面要根据钢结构的特点,充分利用它为现代化建设服务,另一方面也要十分注意节约钢材。凡能用其它建筑材料合理进行建设的工程,就不要用钢结构。这就是说,决定是否采用钢结构时要有全局观点。当前钢结构的适用范围,就民用建筑和工业企业范围来说,大致如下:(一)大跨度结构结构跨度越大,自重在全部荷载中所占比重也就越大,减轻自重可以获得明显的经济效果。因此,钢结构强度高而质量轻的优点对于大跨结构特别突出。我国人民大会堂的钢屋架、北京和上海等地体育馆的悬索结构和钢网架、陕西秦始皇墓陶俑陈列馆的三铰拱架都是大跨度屋盖的具体例子。大型体育馆屋盖结构的跨度已达!!#。在工业建筑中,大跨屋盖结构不断增多,除飞机装配车间(跨度一般在$#以上)外,化肥厂有跨度%&$#的散装仓库,电机工业有跨度约%#、高度约’#的大型试验室。今后随着现代化建设的进展,将会不断出现更多的大跨度结构。(二)重型厂房结构钢铁联合企业和重型机械制造业有许多车间属于重型厂房。所谓“重”,就是车间里吊车的起重质量大(常在!吨以上,有的达到’’吨),有的作业也经常繁重(’小时运转)。这些车间的主要承重骨架往往全部或部分采用钢结构。新建的宝山钢铁公司,主要厂房都是钢结构的。另外,有强烈辐射热的车间,也经常采用钢结构。(三)受动力荷载影响的结构由于厂钢材具有良好的韧性,设有较大锻锤或产生动力作用等其它没备的厂房,即使屋架跨度不很大,也往往用钢制成。对于抗震能力要求高的结构,用钢来做也是比较适宜的。(四)可拆卸的结构钢结构不仅质量轻,还可以用螺栓或其它便于拆装的手段来连接。需要搬迁的结构,如建筑工地生产和生活用房的骨架,临时性展览馆等,钢结构最为适宜。钢筋混凝土结构施工用的模板支架,现在也趋向于用工具式的钢桁架。(五)高耸结构和高层建筑高耸结构包括塔架和桅杆结构,如高压输电线路的塔架、广播和电视发射用的塔架和桅杆等。广州和上海的电视塔高度分别为和%米。!**年建成的北京环境气象塔高+%米,是五层拉线的桅杆结构。高层建筑的骨架,也是钢结构应用范围的一个方面,目前北京和上海等地已在兴建+至%屋的宾馆、贸易中心一类的钢结构房屋。(六)容器和其它构筑物用钢板焊成的容器具有密封和耐高压的特点,广泛用于冶金、石油、化工企业中,包括油罐、煤气罐、高炉、热风炉等。此外,经常使用的还有皮带通廊栈桥、管道支架、__钻井和采油塔架,以及海上采油平台等其它钢构筑物。(七)轻型钢结构钢结构质量轻不仅对大跨结构有利,对使用荷载特别轻的小跨结构也有优越性。因为使用荷载特别轻时,小跨结构的自重也就成了一个重要因素。冷弯薄壁型钢屋架在一定条件下的用钢量可以不超过钢筋混凝土屋架的用钢量。以上指出的是除桥梁以外的钢结构适用范围的一般情况,具体问题还要结合具体条件分析确定。例如,急需早日交付使用的重点工程,可以适当放宽钢结构 的应用 范围以争取时间。在有侵蚀性介质的环境里如果要用钢结构,则应采用耐大 气腐蚀 的钢种。 第二节钢结构的发展 钢结构是一种具有较大优势的建筑结构,近年来随着我国改革开放进程的加 快 和钢材产量的不断提高,钢结构发展迅速,钢材的开发、计算的改进、新结构 体系的应 用等方面都有很大进展。 一、高强度钢材的研制开发 我国目前普遍采用的钢材有!#$(屈服强度为%& ’ #$ **)、!#+$ 钢(屈 服强 度为%& ’ #+$ ** )、!#,- 钢(屈服强度为%& ’ #,- ** )和!+-(屈服 强度为 %&+- **)。第一种钢材是普通碳素结构钢,后三种是低合金高强度结构钢。 这四 种钢材均列入钢结构设计规范。其中!+- 钢是新增加的钢种。采用高强度 钢材可 用较少的材料作成高效的结构,对特大跨度结构、超高层建筑和高耸结构极 为有利。 对于连接材料,配合高强度钢材的应用,钢结构设计规范也规定了与上述四 种钢 材相匹配的.+# 型(%& ’ ##- **)、.$- 型(%& ’ +/- **)和.$$ 型(%& ’ ++- **) 焊条。 高强度螺栓应用#$ 号钢、+$ 号钢(屈服强度%& ’ 00- **)经热处理后制 成12 1 级螺栓,-34567 钢(屈服强度%& ’ ,+- **)制成/-2 , 级螺栓。还有尚未 列入规范 的021 级高强度螺栓也在高耸结构安装中普遍使用。 二、结构和构件计算的研究改进 现代钢结构已广泛应用新的计算技术和测试技术,对结构和构件进行深入计 算 和测试,为了解结构和构件的实际工作提供了有利条件,先进的计算和测试 技术决定 了材料的合理使用,从而保证了结构的安全,也增强了经济效益。 新的钢结构规范中,反映了多年以来的研究成果,这些成果也是当前工程设 计中 经常遇到的问题,例如,钢管结构的杆件和节点承载力、增加了空间圆管节点 强度计 算公式和矩形管或方管结构设计计算方法,以及一些构造规定。钢与混凝土 组合梁, 增加了连续组合梁负弯矩部位的计算方法,楼板为压型组合板的组合梁计算 和构造 特点,以及部分抗剪连接的组合梁的设计规定。在构造要求中增加了大跨度 屋盖结 构的设计和构造要求,增加了提高寒冷地区抗脆断能力要求等。这些新规定 是改进 计算方法的一个重要方面。 三、结构形式的革新和应用 高强度钢材和新结构形式的应用是提高钢结构成效的重要因素,新结构形式 有 薄壁型钢结构、悬索结构、悬挂结构、网架结构和预应力钢结构等。这些结 构均适用 于轻型、大跨屋盖结构、高层建筑。对减少用钢量有重要意义。 型钢截面除了传统的角钢、槽钢、工字钢外,! 型钢(平行宽翼缘工字钢)也 成为 近年来常用的一种型钢截面。现在我国马鞍山钢铁股份有限公司等,已能轧 制腹板 高度为## $ %##&& 的梁、柱、桩三种类型的优质! 型钢。符合国家标准《热 轧! 型 钢和部分’ 型钢》(* ’++,-?+../)规定的型号系列。填补了我国钢材产 品的空 白,为我国工业与民用建筑提供了可选材料。上海大通钢结构有限公司等生 产的一 系列符合上述标准的高频焊接轻型! 型钢,其抗压、抗弯性能与轧制的! 型 钢完全 相同,而强度略有提高。 ! 型钢是一种经济断面钢材,与普通工字钢相比,翼缘要宽,侧向刚度较大, 一般 绕弱轴的惯性矩要大一倍以上,抗弯、抗压、抗扭、抗震能力强,翼缘内、外 表面平行, 便于机械加工,便于结构连接和安装,可使钢结构构件用钢量减少,0 $ +%0, 我国新 的钢结构构件设计规范已列入热轧! 型钢。 压型钢板是一种新产品,由厚度#12 $ +&& 的薄钢板模压成锯齿型。它具有 一定 的抗弯能力,作为非承重构件的压型钢板的模板使用,可兼作工作平台而不 需脚手 架,其经济性和安全性显而易见,还可大大缩短施工周期。保温材料(聚氨脂 塑料)与 压型钢板组成的合成板,其使用范围更广,作为外墙板、屋面板在轻型厂房中 使用得 非常广泛,其自重仅+#34 * &。 压型钢板上面浇灌混凝土后,可用做楼盖层,压型钢板既是楼板的抗拉筋,又 替 代了模板,而且可以作为无耐火被覆的耐火构件。压型钢板与混凝土组成的 合成板, 是一种施工性好、经济性好的楼板形式,目前已成为钢结构建筑楼面的主流。 .# 年代金属拱形波纹屋盖结构在我国兴起,它是采用#1 , $ +1 2&& 厚的彩 色钢 板轧制出 5 形或梯形波纹直槽板,然后再轧制出拱形槽板连成一片形成屋 盖结构。 这种预涂层钢板常为热镀锌钢板,强度在+# $ 22#678 之间,极限使用寿命 9# $ 2# 年,最大跨度可达9#&,钢板厚+1 2&&,用钢指标仅34 * &。它的优点是用 钢省,施 __工速度快,跨越能力大,防水防腐好,造型美观,可作为厂房、仓库、加油站、 体育场、展 览厅等屋盖结构,是我国目前发展比较快的一种屋盖结构。 四、钢和混凝土组合构件的应用 钢和混凝土组合构件是一种各取所长的结合,钢的强度高,宜受拉,混凝土则 宜 受压,两种材料结合,都能充分发挥各自优势,是一种合理的结构。 楼板采用混凝土翼板与钢梁通过抗剪连接件组成一体的组合结构,其组合梁 的 混凝土板受压,钢梁受拉,各得其所,是非常经济的结构形式。 采用压型钢板作混凝土翼缘板底模的组合梁,也有同样的经济效益。高层建 筑 和多层住宅已广泛采用钢与混凝土组合梁,组合结构计算与构造已列入新修 编的钢 结构规范中。 另一种钢与混凝土组合结构是钢管混凝土结构,这种结构是采用薄壁钢管 (圆管 或方管)内灌素混凝土。在压力作用下,钢管和混凝土之间产生相互作用的紧
