鋼結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用研究

【摘 要】 鋼結(jié)構(gòu)工程由于其造價(jià)低、結(jié)構(gòu)性能好、施工速度快，在高層建筑領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，對(duì)于土木工程來說，不僅要從結(jié)構(gòu)特性的角度考慮，還要考慮施工的成本有效性。本文分析了鋼結(jié)構(gòu)在土木工程中的特點(diǎn)，并簡單講述鋼結(jié)構(gòu)的施工要點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】 鋼結(jié)構(gòu)；土木工程 施工要點(diǎn)

1、土木工程中鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1.1 強(qiáng)度

一般來說，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受或者容納作用效應(yīng)的能力是由材料的強(qiáng)度來決定的?？梢岳糜嘘P(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)來確定結(jié)構(gòu)鋼的構(gòu)件性能，這些標(biāo)準(zhǔn)中列出了鋼結(jié)構(gòu)可使用的材料，比如建筑結(jié)構(gòu)鋼要滿足CSA標(biāo)準(zhǔn)ASTM standardA992/A992M或者CAN/CSA G40.20/C40.21等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2 剛度

振動(dòng)、變形等適用性參數(shù)由構(gòu)件的剛度來決定，進(jìn)而由結(jié)構(gòu)體系的剛度來決定。結(jié)構(gòu)體系的實(shí)際剛度又由其構(gòu)件和連接件的分布來決定。不過簡單說來，構(gòu)件的剛度由材料的幾何截面特性以及材料的彈性模量來決定，結(jié)構(gòu)鋼的彈性模量通常為200GPa。而普通密度抗壓強(qiáng)度在20-40Gpa范圍內(nèi)的混凝土其彈性模量通常在20-28GPa范圍內(nèi)；即使對(duì)于高強(qiáng)度混凝土來說，其彈性模量也不過在40-45GPa之間，由此可見，鋼結(jié)構(gòu)的鋼性是混凝土的十倍及五倍左右，所以鋼結(jié)構(gòu)的剛性有著顯著的優(yōu)勢(shì)。

1.3 延性

延性指的是某種材料拉伸的過程中無斷裂的塑性變形能力。一般情況下延性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，特別是抗震設(shè)計(jì)中比較重要的特性參數(shù)，地震中幸存的建筑物直接依賴于主要結(jié)構(gòu)框架經(jīng)歷大的非彈性變形時(shí)的滯后耗能性。鋼結(jié)構(gòu)可以說是目前使用最廣泛的、韌性最好的工程材料之一。不過材料內(nèi)在的延性并不一定都會(huì)轉(zhuǎn)化為建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)在延性，因此要充分認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)策略和可靠、穩(wěn)定的滯消機(jī)制。通常一個(gè)設(shè)計(jì)具有延性響應(yīng)就要有足夠的材料截面、材料延性以及結(jié)構(gòu)延性和構(gòu)件延性。

1.4 抗震性

相比傳統(tǒng)的住宅結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)，自重較輕，因此，在相同設(shè)防烈度、相同場(chǎng)地的建筑物承受的地震力較小，帶來的地震災(zāi)害相應(yīng)減弱，在地震區(qū)應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)住宅將減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，具有可觀的綜合效益。

1.5 靈活性

采用鋼結(jié)構(gòu)，在截面不至太大的前提下可以實(shí)現(xiàn)大跨度，這使得建筑功能具有很強(qiáng)的靈活性，可以根據(jù)住戶的需要靈活布置，有利于滿足現(xiàn)代居家的需求，適應(yīng)現(xiàn)代住宅市場(chǎng)的需要。而且采用鋼結(jié)構(gòu)，梁柱截面較小，同時(shí)增加了住戶的使用面積。

2、鋼結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)

2.1 材料缺點(diǎn)

盡管鋼結(jié)構(gòu)的剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土，但是對(duì)于一個(gè)給定的負(fù)載，鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面剛度則要小于與其對(duì)比的混凝土結(jié)構(gòu)，這主要是因?yàn)殇摰膹?qiáng)度優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致其構(gòu)件的尺寸相對(duì)較小。因此要提高這些構(gòu)件的穩(wěn)定性，就要增加型鋼的尺寸或者采取填充混凝土以及外包混凝土的措施，以提高截面的剛度。并且鋼材的耐火性和耐腐蝕性都相對(duì)有欠缺。鋼材長期受到100度的輻射熱時(shí)強(qiáng)度的變化不大，表現(xiàn)出一定的耐熱性能，但當(dāng)溫度達(dá)到150度時(shí)，就要采用隔熱層進(jìn)行保護(hù)，并且重要部位的鋼結(jié)構(gòu)一定要涂刷防火涂料。

2.2 市場(chǎng)環(huán)境

2.2.1 設(shè)計(jì)力量較薄弱。在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)要注意結(jié)構(gòu)的功能要求是不是屬于鋼結(jié)構(gòu)合理的應(yīng)用范圍。通常在設(shè)計(jì)較高承載力需要使用鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，要考慮用不適合繼續(xù)承載的巨大變形為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)為準(zhǔn)則。鋼結(jié)構(gòu)有很多節(jié)點(diǎn)，要對(duì)每個(gè)螺絲、墊板以及焊縫進(jìn)行精確的計(jì)算，而且每個(gè)專業(yè)要一次性到位，所以鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要比混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更復(fù)雜，并且圖紙也遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于混凝土結(jié)構(gòu)。

2.2.2 鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)未形成體系。只有在大規(guī)模生產(chǎn)的情況下才可以體現(xiàn)出鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。并且目前鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)以及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)都沒有統(tǒng)一，國家標(biāo)準(zhǔn)以及監(jiān)管機(jī)制方面也都有一定的欠缺，因此很多設(shè)計(jì)師以及開發(fā)商都相對(duì)比較茫然。

3、鋼結(jié)構(gòu)施工安裝要點(diǎn)

整體來說鋼結(jié)構(gòu)的施工流程比較復(fù)雜，并且建筑的要求不同，在細(xì)節(jié)上也有很大的差異性。此處列舉三點(diǎn)進(jìn)行簡單說明。

3.1 選材與連接。鋼材通常分為板材、型材、金屬制品以及管材四大類。土木工程中的建筑鋼材通常采用普通的低合金鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼以及普通碳素鋼等，碳鋼的塑性比較低，但是硬度強(qiáng)度比較高。在鋼結(jié)構(gòu)中，柱子截面一般多為箱形截面或者寬翼緣“工”字形，另外還有“十”字形截面等等；梁多數(shù)是焊接或者軋制的“H”型鋼梁，如果要求特殊也可以符合截面，在安裝前要對(duì)主要的焊接接頭做焊接工藝的試驗(yàn)，定出焊接的格料和各項(xiàng)參數(shù)。梁與梁之間、梁與柱之間的連接，可以采取焊接連接或者高強(qiáng)螺栓連接，要注意高強(qiáng)螺栓的連接孔位的精度。

3.2 鋼構(gòu)件的堆放以及選擇安裝機(jī)械地點(diǎn)。通常情況下安裝結(jié)構(gòu)的用地面積應(yīng)為結(jié)構(gòu)占地面積的1.5倍。依照安裝流水的順序，從中轉(zhuǎn)堆場(chǎng)配套運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)的鋼構(gòu)件要采用裝卸機(jī)械把其安置于安裝機(jī)械的回轉(zhuǎn)半徑內(nèi)。如果因?yàn)檫\(yùn)輸?shù)脑蛟斐闪藰?gòu)件的變形，則在施工現(xiàn)場(chǎng)就要加以矯正。一般鋼結(jié)構(gòu)的安裝采用的是塔式起重機(jī)，臂桿長度要有夠的覆蓋面，并且起重能力要相應(yīng)足夠，從而滿足各種不同部位構(gòu)件的起吊要求。鋼絲繩容量也要能滿足起吊的高度要求；起吊速度有足夠的檔次可以滿足安裝要求。在多機(jī)作業(yè)的情況下，臂桿的高差要足夠，以避免不安全的碰撞，保證安全運(yùn)轉(zhuǎn)。各個(gè)塔式起重機(jī)之間要有相應(yīng)的安全距離，以保證臂桿與塔身不相碰撞。

4、如何作好鋼結(jié)構(gòu)施工的質(zhì)量控制

4.1 做好工程開工前準(zhǔn)備工作

（1）強(qiáng)化施工圖紙的會(huì)審工作。圖紙是工程施工的依據(jù)，工程開工前項(xiàng)目控制機(jī)構(gòu)要組織控制人員熟悉工程圖紙與項(xiàng)目有關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、工藝技術(shù)條件，充分領(lǐng)會(huì)設(shè)計(jì)意圖。

（2）認(rèn)真審查鋼結(jié)構(gòu)安裝施工組織設(shè)計(jì)。施工組織設(shè)計(jì)是施工單位全面指導(dǎo)工程實(shí)施的技術(shù)性文件，施工組織設(shè)計(jì)的完善程度直接影響工程的質(zhì)量、進(jìn)度。因此，鋼結(jié)構(gòu)安裝工程施工組織設(shè)計(jì)審查要針對(duì)性和重點(diǎn)。審查的重點(diǎn)內(nèi)容有：a.質(zhì)量保證體系和技術(shù)管理體系的建立；b.特殊工種的培訓(xùn)合格證和上崗證；c.新工藝的應(yīng)用；d.對(duì)工程項(xiàng)目的針對(duì)性；e.質(zhì)量、進(jìn)度控制的措施和方法；f.施工計(jì)劃（工期）的安排。

4.2 加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工過程中的質(zhì)量控制

（1）作好鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)工程的質(zhì)量控制。鋼結(jié)構(gòu)工程的基礎(chǔ)一般都采用混凝土獨(dú)立柱基礎(chǔ)，基礎(chǔ)的混凝土及鋼筋、模板的施工與其他工程的施工工序及方法相同，而基礎(chǔ)獨(dú)立柱中預(yù)埋的螺栓是質(zhì)量控制的重點(diǎn)，單個(gè)螺栓及每組螺栓之間的間距、高低的偏差，直接影響鋼結(jié)構(gòu)工程的安裝質(zhì)量，我們?cè)诳刂瀑|(zhì)量控制過程中，要求施工單位必須嚴(yán)格控制好。

（2）鋼結(jié)構(gòu)主體工程的質(zhì)量控制。a.鋼構(gòu)件的質(zhì)量驗(yàn)收。鋼構(gòu)件的加工已實(shí)行工廠化生產(chǎn)，鋼構(gòu)件的進(jìn)場(chǎng)質(zhì)量驗(yàn)收就非常重要。b.鋼構(gòu)件安裝質(zhì)量控制。柱、梁安裝時(shí)，主要檢查柱底版下的墊鐵是否墊實(shí)、墊平，柱是否垂直和位移，梁的垂直、平直、側(cè)向彎曲、螺栓的擰緊程度以及摩擦面清理，驗(yàn)收合格后，方可起吊。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)安裝形成空間固定單元，并進(jìn)行驗(yàn)收合格后，要求施工單位將柱底板和基礎(chǔ)頂面的空間用膨脹混凝土二次澆筑密實(shí)。c.螺栓安裝質(zhì)量的控制。鋼結(jié)構(gòu)工程中螺栓連接一般用高強(qiáng)螺栓和普通螺栓，普通螺栓連接，每個(gè)螺栓一端不得墊2個(gè)以上墊片，螺栓孔不得用氣割擴(kuò)孔，螺栓擰緊后外露螺紋不得少于2個(gè)螺距；高強(qiáng)螺栓使用前我們檢查螺栓的合格證和復(fù)試單，安裝過程中板疊接觸面應(yīng)平整，接觸面必須大于75%，邊緣縫隙不得大于0.8mm，高強(qiáng)螺栓應(yīng)自由穿入，不得敲打和擴(kuò)孔。

（3）門窗工程安裝質(zhì)量的控制。鋼窗安裝質(zhì)量的控制重點(diǎn)有兩點(diǎn)，一是，鋼窗進(jìn)場(chǎng)合格證、產(chǎn)品試驗(yàn)報(bào)告及外觀的檢查。二是，鋼窗和固定鋼窗的立柱之間的間隙控制。先施工固定鋼窗的立柱，有可能出現(xiàn)鋼窗與立柱之間縫隙過大或鋼窗安不上。我們?cè)诳刂七^程中，要求施工單位先固定鋼窗一邊的立柱，待鋼窗完全固定就位后，再焊接另一邊的立柱，這樣保證鋼窗與立柱之間無縫隙。

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