鋼結(jié)構(gòu)建筑的現(xiàn)狀與發(fā)展

周彪　田林林　劉洲

摘要：針對(duì)現(xiàn)在環(huán)境問(wèn)題的日益突出，鋼的產(chǎn)量和使用備受各界關(guān)注。有效的利用鋼材，充分發(fā)揮鋼材的使用價(jià)值是建筑行業(yè)的重點(diǎn)。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，追求建筑的高度更高，跨度更大等特點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用是最有效的實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。本文簡(jiǎn)單介紹河北省鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程，來(lái)認(rèn)識(shí)鋼及鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和性能。

關(guān)鍵詞：環(huán)境；使用價(jià)值；鋼結(jié)構(gòu)；特點(diǎn)及性能

前言

隨著我國(guó)的改革開放和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)的鋼材年產(chǎn)量已連續(xù)多年超過(guò)1×108t，成為世界上鋼產(chǎn)量最多的國(guó)家，鋼材產(chǎn)量的增長(zhǎng)為發(fā)展我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)建筑事業(yè)創(chuàng)造了良好的時(shí)機(jī)。鋼結(jié)構(gòu)建筑具有輕質(zhì)高強(qiáng)、力學(xué)性能良好、抗震性能優(yōu)越、工業(yè)化程度高、施工速度快、外形美觀、投資回收快、可再次利用及符合可持續(xù)發(fā)展政策等一系列的優(yōu)點(diǎn)，近幾年來(lái)鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國(guó)出現(xiàn)了非?？斓陌l(fā)展勢(shì)頭，應(yīng)用范圍不斷地?cái)U(kuò)大，目前，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展處在建國(guó)以來(lái)最好的一個(gè)時(shí)期。鋼結(jié)構(gòu)住宅有著自重輕、基礎(chǔ)造價(jià)低，適用于軟弱地基、安裝易、施工快、周期短、投資回收快、施工污染環(huán)境少、抗震性能好、可回收利用、住宅利用率相對(duì)較高和經(jīng)濟(jì)環(huán)保等效益，因而在住宅市場(chǎng)有著良好的發(fā)展前景，被譽(yù)為二十一世紀(jì)的“綠色建筑”之一在這種背景下，我國(guó)建筑行業(yè)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑的關(guān)注力度越來(lái)越大。

一、國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)研究的現(xiàn)狀及背景

1.國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

目前，我國(guó)已經(jīng)成為鋼鐵大國(guó)，2015年鋼產(chǎn)量突破8億噸，鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)量5000萬(wàn)噸，鋼材累積量突破70億噸，千噸規(guī)模以上的鋼結(jié)構(gòu)制造企業(yè)超過(guò)3000家，專項(xiàng)施工資質(zhì)企業(yè)突破1萬(wàn)家。2007～2015年期間，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)量保持了年平均增長(zhǎng)率15%以上的速度，已經(jīng)成為名副其實(shí)的鋼結(jié)構(gòu)大國(guó)。

2.國(guó)外現(xiàn)狀

二次世界大戰(zhàn)后，鋼結(jié)構(gòu)在西方取得了很大程度的發(fā)展，由于計(jì)算機(jī)的介入，各種體系日趨完善。二戰(zhàn)后，西方國(guó)家需要解決大量的住宅問(wèn)題，由于鋼結(jié)構(gòu)住宅自身具有建造速度快，適合工業(yè)化生產(chǎn)的特點(diǎn)，所以一度受到追捧。

二、鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展動(dòng)態(tài)分析與分類

1.大跨結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)跨度越大，自重在荷載中所占的比例就越大，減輕結(jié)構(gòu)的自重會(huì)帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)效益。鋼材強(qiáng)度高結(jié)構(gòu)重量輕的優(yōu)勢(shì)正好適合于大跨結(jié)構(gòu)，因此鋼結(jié)構(gòu)在大跨空間結(jié)構(gòu)和大跨橋梁結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。所采用的結(jié)構(gòu)形式有空間桁架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、懸索、張弦梁、實(shí)腹或格構(gòu)式拱架和框架等。

2.工業(yè)廠房

吊車起重量較大或者其工作較繁重的車間的主要承重骨架多采用鋼結(jié)構(gòu)。另外，有強(qiáng)烈輻射熱的車間，也經(jīng)常采用鋼結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)形式多為由鋼屋架和階形柱組成的門式剛架或排架，也有采用網(wǎng)架做屋蓋的結(jié)構(gòu)形式。近年來(lái)，隨著壓型鋼板等輕型屋面材料的采用，輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房得到了迅速的發(fā)展。其結(jié)構(gòu)形式主要為實(shí)腹式變截面門式剛架。

3.受動(dòng)力荷載影響的結(jié)構(gòu)

由于鋼材具有良好的韌性，設(shè)有較大鍛錘或產(chǎn)生動(dòng)力作用的其他設(shè)備的廠房，即使屋架跨度不大，也往往由鋼制成。對(duì)于抗震能力要求高的結(jié)構(gòu)，采用鋼結(jié)構(gòu)也是比較適宜的。

4.多層和高層建筑

由于鋼結(jié)構(gòu)的綜合效益指標(biāo)優(yōu)良，近年來(lái)在多、高層民用建筑中也得到了廣泛的應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)形式主要有多層框架、框架-支撐結(jié)構(gòu)、框筒、懸掛、巨型框架等。

5.高聳結(jié)構(gòu)

高聳結(jié)構(gòu)包括塔架和桅桿結(jié)構(gòu)，如高壓輸電線路的塔架、廣播、通信和電視發(fā)射用的塔架和桅桿、火箭（衛(wèi)星）發(fā)射塔架等。

6.輕型鋼結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)重量輕不僅對(duì)大跨結(jié)構(gòu)有利，對(duì)屋面活荷載特別輕的小跨結(jié)構(gòu)也有優(yōu)越性。因?yàn)楫?dāng)屋面活荷載特別輕時(shí)，小跨結(jié)構(gòu)的自重也成為一個(gè)重要因素。冷彎薄壁型鋼屋架在一定條件下的用鋼量可比鋼筋混凝土屋架的用鋼量還少。輕鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式有實(shí)腹變截面門式剛架、冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)（包括金屬拱形波紋屋蓋）以及鋼管結(jié)構(gòu)等。

7.鋼和混凝土的組合結(jié)構(gòu)

鋼構(gòu)件和板件受壓時(shí)必須滿足穩(wěn)定性要求，往往不能充分發(fā)揮它的強(qiáng)度高的作用，而混凝土則最宜于受壓不適于受拉，將鋼材和混凝土并用，使兩種材料都充分發(fā)揮它的長(zhǎng)處，是一種很合理的結(jié)構(gòu)。近年來(lái)這種結(jié)構(gòu)在我國(guó)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于高層建筑

三、鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用

1.鋼結(jié)構(gòu)住宅的應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國(guó)的應(yīng)用剛剛起步，已有成功案例的主要企業(yè)有杭蕭鋼構(gòu)、寶鋼集團(tuán)、萊鋼集團(tuán)等。由萊鋼集團(tuán)建設(shè)的凱旋新城鋼結(jié)構(gòu)住宅項(xiàng)目，其有效使用面積比相應(yīng)磚混結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)提高約3%～6%。杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司經(jīng)過(guò)10多年研發(fā)，形成了一套完善的鋼結(jié)構(gòu)住宅體系成套技術(shù)。該體系從主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件、梁柱節(jié)點(diǎn)、樓板系統(tǒng)和墻板系統(tǒng)、鋼結(jié)構(gòu)的防火防腐等幾個(gè)方面系統(tǒng)解決了鋼結(jié)構(gòu)住宅的產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題該技術(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工業(yè)化制造、裝配化施工、信息化管理的產(chǎn)業(yè)化要求。由杭蕭鋼構(gòu)建設(shè)的武漢世紀(jì)家園采用了杭蕭鋼構(gòu)自主研發(fā)的多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅成套體系，該項(xiàng)目也是住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部“節(jié)能省地型”科技示范工程。

該項(xiàng)目于2009年交付入住，其性能得到了社會(huì)與住戶的充分肯定，特別是外墻系統(tǒng)成功地解決了開裂與滲漏問(wèn)題。采用杭蕭鋼構(gòu)自主研發(fā)的多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅成套體系建設(shè)的萬(wàn)郡·大都城住宅小區(qū)是全國(guó)鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化示范小區(qū)，2013年7月通過(guò)綠色建筑二星設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)專家評(píng)審。

2.鋼結(jié)構(gòu)與其它建筑形式相比的優(yōu)勢(shì)

2.1材料強(qiáng)度高，自身重量輕

鋼材強(qiáng)度較高，彈性模量也高。與混凝土和木材相比，其密度與屈服強(qiáng)度的比值相對(duì)較低，因而在同樣受力條件下鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面小，自重輕，便于運(yùn)輸和安裝，適于跨度大，高度高，承載重的結(jié)構(gòu)。

2.2鋼材韌性，塑性好，材質(zhì)均勻，結(jié)構(gòu)可靠性高

適于承受沖擊和動(dòng)力荷載，具有良好的抗震性能。鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)均勻，近于各向同性勻質(zhì)體。鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作性能比較符合計(jì)算理論。所以鋼結(jié)構(gòu)可靠性高。

2.3鋼結(jié)構(gòu)制造安裝機(jī)械化程度高

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件便于在工廠制造、工地拼裝。工廠機(jī)械化制造鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件成品精度高、生產(chǎn)效率高、工地拼裝速度快、工期短。鋼結(jié)構(gòu)是工業(yè)化程度最高的一種結(jié)構(gòu)。

2.4鋼結(jié)構(gòu)耐熱不耐火

當(dāng)溫度在150℃以下時(shí)，鋼材性質(zhì)變化很小。因而鋼結(jié)構(gòu)適用于熱車間，但結(jié)構(gòu)表面受150℃左右的熱輻射時(shí)，要采用隔熱板加以保護(hù)。溫度在300℃ -400℃時(shí).鋼材強(qiáng)度和彈性模量均顯著下降，溫度在600℃左右時(shí)，鋼材的強(qiáng)度趨于零。在有特殊防火需求的建筑中，鋼結(jié)構(gòu)必須采用耐火材料加以保護(hù)以提高耐火等級(jí)。

2.5鋼結(jié)構(gòu)耐腐蝕性差

特別是在潮濕和腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境中，容易銹蝕。一般鋼結(jié)構(gòu)要除銹、鍍鋅或涂料，且要定期維護(hù)。對(duì)處于海水中的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)，需采用“鋅塊陽(yáng)極保護(hù)”等特殊措施予以防腐蝕。

2.6低碳、節(jié)能、綠色環(huán)保，可重復(fù)利用

鋼結(jié)構(gòu)建筑拆除幾乎不會(huì)產(chǎn)生建筑垃圾，鋼材可以回收再利用。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了鋼材料的發(fā)展和應(yīng)用，在建筑上取得成果。中國(guó)是產(chǎn)鋼大國(guó)，但合理使用鋼的技術(shù)處于發(fā)展中。鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展是至關(guān)重要的，是時(shí)代的需要。此文幫助我們了解鋼和鋼結(jié)構(gòu)。為研究鋼提供了發(fā)展背景。

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