土木工程中的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用與研究

梁爽　張亭迪

【摘 要】土木工程結(jié)構(gòu)常用到兩種材料，即鋼筋混凝土以及結(jié)構(gòu)鋼，對(duì)于土木工程來(lái)說(shuō)，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以及施工有效性。本文就分析了鋼結(jié)構(gòu)在土木工程中的特點(diǎn)，并簡(jiǎn)單闡述鋼結(jié)構(gòu)的施工要點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；土木工程

1.土木工程中鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1.1強(qiáng)度

一般來(lái)說(shuō)，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(lái)決定的?？梢岳糜嘘P(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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)ASTMstandardA992/A992M或者CAN/CSAG40.20/C40.21等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。近幾年來(lái)，建筑用鋼發(fā)生了很大的變化，過去的建筑結(jié)構(gòu)所用的抗拉強(qiáng)度以及屈服強(qiáng)度相關(guān)數(shù)據(jù)均摘自于CISC（2006）歷史記錄，而目前加拿大對(duì)于工程結(jié)構(gòu)鋼以及普通建筑結(jié)構(gòu)鋼的標(biāo)準(zhǔn)定出7個(gè)鋼種和8個(gè)強(qiáng)度級(jí)別。根據(jù)屈服強(qiáng)度其范圍為260～700Mpa。不過并不是全部的鋼種都有所有的強(qiáng)度級(jí)別，因此如果是一個(gè)特定的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，那么對(duì)鋼種類型和強(qiáng)度級(jí)別的選擇就非常重要。從整體來(lái)說(shuō)，采用鋼結(jié)構(gòu)可以減少物料消耗、減輕結(jié)構(gòu)自重、降低支撐部件與地基的尺寸，最終降低整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)成本。

1.2剛度

振動(dòng)、變形等適用性參數(shù)由構(gòu)件的剛度來(lái)決定，進(jìn)而由結(jié)構(gòu)體系的剛度來(lái)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(lái)決定。不過簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，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(lái)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(lái)說(shuō)，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(wú)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(shuō)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。延性值的能力和需求要與變延性水平、曲率延性（構(gòu)件延性）以及位移延性（結(jié)構(gòu)延性）所匹配。不過雖然鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)變延性比較高，但是因?yàn)槭軓潣?gòu)件的受力不穩(wěn)定，所以構(gòu)件的曲率延性經(jīng)常不足。

1.4韌性

衡量材料斷裂前吸收能量以及塑性變形的能力的指標(biāo)就是韌性。它可以抵抗缺口部位的不穩(wěn)定裂紋的擴(kuò)展。韌性通常表示鋼結(jié)構(gòu)在制造、安裝以及使用過程中可以承受比較大的工業(yè)變形，是鋼結(jié)構(gòu)一個(gè)很重要的特點(diǎn)。正是因?yàn)殇摌?gòu)件的韌性才使其在彎曲、剪切、沖孔、鍛造、鉆孔等制作過程中降低了產(chǎn)生裂紋的可能性。鋼結(jié)構(gòu)足夠的斷裂韌性是必須具備的，特別對(duì)受到交變荷載以及沖擊荷載的建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)更要具備此特性。鋼結(jié)構(gòu)的斷裂韌性對(duì)于溫度條件很敏感，并且隨著溫度的減小而降低。所以在天氣寒冷的地區(qū)設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)，首先要考慮韌性。相對(duì)來(lái)說(shuō)，低碳鈮鋼比高碳鋼成分鋼更能改善韌性。

1.5整體

由上可知，無(wú)論是從剛度、強(qiáng)度還是在延性方面，鋼結(jié)構(gòu)都要優(yōu)于鋼筋混凝土，并且鋼結(jié)構(gòu)可以比較容易建構(gòu)出有異國(guó)風(fēng)情的建筑形式，通常鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以提供最佳的設(shè)計(jì)靈活性以及最大的空間利用率。鋼結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是：它還是一個(gè)理想的懸臂施工體系。適當(dāng)?shù)膽?yīng)用空腹鋼鐵托架以及構(gòu)件腹板開孔，可以為管道以及其它供電線路提供通道，不僅降低了樓層的高度，而且增加了審美吸引力。鋼架像在鋼結(jié)構(gòu)中一樣，被用來(lái)擴(kuò)展現(xiàn)有的混凝土建筑結(jié)構(gòu)或者增加樓層。在進(jìn)行施工時(shí)，裝配鋼結(jié)構(gòu)的施工人員要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于混凝土建筑結(jié)構(gòu)所需要的人數(shù)；與混凝土建筑相比，鋼結(jié)構(gòu)的安裝以及制作質(zhì)量都要更加的可靠和簡(jiǎn)便。并且在修改時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)比混凝土結(jié)構(gòu)更加容易，成本更低，特別是要附加支撐系統(tǒng)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)可以更加快施工進(jìn)度。

2.鋼結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)

當(dāng)然，每種材料都不是完美的，所以鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和施工也存在著一定的缺點(diǎn)，其主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方而：

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(zhǎng)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(guó)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。

2.2.3價(jià)格問題

由于鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)未形成體系，因此鋼結(jié)構(gòu)的價(jià)格比較高。雖然鋼產(chǎn)量近年有大幅度的提高，但是人均產(chǎn)量仍然相對(duì)較低，鋼材仍是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中比較貴重的材料，而混凝土的價(jià)格優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了。

3.鋼結(jié)構(gòu)施工安裝要點(diǎn)

整體來(lái)說(shuō)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(jiǎn)單說(shuō)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)。

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(zhǎng)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。鋼結(jié)構(gòu)比較適用于規(guī)整、勻稱以及較平的建筑平面，所以安裝流水線的布置要因地制宜。 [科]