土木工程中鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用探討

劉湘黔+羅承棟

【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，并簡單闡述鋼結(jié)構(gòu)的施工要點。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；土木工程

Application of steel structures in civil engineering

Liu Xiang-qian，Luo Cheng-dong

（Guizhou Construction Engineering Building Environmental Engineering Co.， Ltd Guiyang Guizhou 550000）

【Abstract】Two materials commonly used for civil engineering structures， the reinforced concrete and structural steel， for civil engineering， not only from the viewpoint of structural characteristics， but also consider the cost-effectiveness of construction and construction effective. This paper analyzes the characteristics of steel structures in civil engineering， and briefly discusses the steel construction elements.

【Key words】Steel；Civil Engineering

1. 土木工程中鋼結(jié)構(gòu)的特點

1.1 強度。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)ASTMstandardA992/A992M或者CAN/CSAG40.20/C40.21等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。近幾年來，建筑用鋼發(fā)生了很大的變化，過去的建筑結(jié)構(gòu)所用的抗拉強度以及屈服強度相關(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個鋼種和8個強度級別。根據(jù)屈服強度其范圍為260～700MPa。不過并不是全部的鋼種都有所有的強度級別，因此如果是一個特定的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，那么對鋼種類型和強度級別的選擇就非常重要。從整體來說，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，最終降低整個建筑的結(jié)構(gòu)成本。

1.2 剛度。振動、變形等適用性參數(shù)由構(gòu)件的剛度來決定，進而由結(jié)構(gòu)體系的剛度來決定。結(jié)構(gòu)體系的實際剛度又由其構(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)；即使對于高強度混凝土來說，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。

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)計中，特別是抗震設(shè)計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轉(zhuǎn)化為建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)在延性，因此要充分認識到這一點，采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計策略和可靠、穩(wěn)定的滯消機制。通常一個設(shè)計具有延性響應(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，但是因為受彎構(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)一個很重要的特點。正是因為鋼構(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，特別對受到交變荷載以及沖擊荷載的建筑結(jié)構(gòu)來說更要具備此特性。鋼結(jié)構(gòu)的斷裂韌性對于溫度條件很敏感，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)計鋼結(jié)構(gòu)，首先要考慮韌性。相對來說，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，無論是從剛度、強度還是在延性方面，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)計靈活性以及最大的空間利用率。鋼結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點就是：它還是一個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，被用來擴展現(xiàn)有的混凝土建筑結(jié)構(gòu)或者增加樓層。在進行施工時，裝配鋼結(jié)構(gòu)的施工人員要遠遠少于混凝土建筑結(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便。并且在修改時，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，鋼結(jié)構(gòu)可以更加快施工進度。

2. 鋼結(jié)構(gòu)的缺點

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，其主要表現(xiàn)為以下幾個方而：endprint

2.1 材料缺點。盡管鋼結(jié)構(gòu)的剛度要遠遠大于混凝土，但是對于一個給定的負載，鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面剛度則要小于與其對比的混凝土結(jié)構(gòu)，這主要是因為鋼的強度優(yōu)勢導(dǎo)致其構(gòu)件的尺寸相對較小。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有欠缺。鋼材長期受到100度的輻射熱時強度的變化不大，表現(xiàn)出一定的耐熱性能，但當(dāng)溫度達到150度時，就要采用隔熱層進行保護，并且重要部位的鋼結(jié)構(gòu)一定要涂刷防火涂料。

2.2 市場環(huán)境。

2.2.1 設(shè)計力量較薄弱。在設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)時要注意結(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)計較高承載力需要使用鋼結(jié)構(gòu)時，要考慮用不適合繼續(xù)承載的巨大變形為結(jié)構(gòu)設(shè)計的極限狀態(tài)為準(zhǔn)則。鋼結(jié)構(gòu)有很多節(jié)點，要對每個螺絲、墊板以及焊縫進行精確的計算，而且每個專業(yè)要一次性到位，所以鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計要比混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計更復(fù)雜，并且圖紙也遠遠多于混凝土結(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)管機制方面也都有一定的欠缺，因此很多設(shè)計師以及開發(fā)商都相對比較茫然。

2.2.3 價格問題。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)量仍然相對較低，鋼材仍是我國國民經(jīng)濟中比較貴重的材料，而混凝土的價格優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。

2.2.4 鋼結(jié)構(gòu)的使用年限?；炷两Y(jié)構(gòu)號稱永不損壞，但是鋼結(jié)構(gòu)一般的使用壽命只有五十年，如果鋼結(jié)構(gòu)用在住宅建筑中，那么人們想到自己花費終身積蓄而購買的房子只能住五十年，會讓很多人喪失購買的欲望。不過隨著保險業(yè)的發(fā)展，住宅壽命問題應(yīng)該相對容易解決。

3. 鋼結(jié)構(gòu)施工安裝要點

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，在細節(jié)上也有很大的差異性。此處列舉三點進行簡單說明。

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，在安裝前要對主要的焊接接頭做焊接工藝的試驗，定出焊接的格料和各項參數(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螺栓連接，要注意高強螺栓的連接孔位的精度。制孔主要有兩種，一種是精度較高的數(shù)控鉆孔，另外一種則是精度相對較低的模板制孔。在技術(shù)條件允許時比較適合采用多軸數(shù)控鉆孔。在運到工地以后要對螺栓參數(shù)進行檢驗，安裝時不能用扳手強行擰入或者用榔頭強行打入，擰入的步驟要經(jīng)過初擰、復(fù)擰以及終擰。

3.2 鋼構(gòu)件的堆放以及選擇安裝機械地點。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)堆場配套運送至現(xiàn)場的鋼構(gòu)件要采用裝卸機械把其安置于安裝機械的回轉(zhuǎn)半徑內(nèi)。如果因為運輸?shù)脑蛟斐闪藰?gòu)件的變形，則在施工現(xiàn)場就要加以矯正。一般鋼結(jié)構(gòu)的安裝采用的是塔式起重機，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，保證安全運轉(zhuǎn)。各個塔式起重機之間要有相應(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。

3.3 油漆工藝流程。

3.3.1 基層處理。首先把金屬的表面清理干凈，然后再做除銹。手工處理先用鋼絲刷反復(fù)刷打，再用精砂布打磨，使得表面光亮、平滑，然后再用棉紗或者紗布把打磨下的銹粉和浮灰清理干凈。如果表面腐蝕嚴(yán)重，則用鋼絲刷和鏟刀處理，大面積的銹蝕則可以用砂輪機來配合清理。

3.3.2 涂防銹漆、刮膩子。在涂漆前要保證金屬表面的干燥，如果有水份則要立即擦干。施涂時要刷細、刷滿、涂刷到位，并且要注意鉚孔內(nèi)不能有涂料涂入。待到防銹漆干燥后，采用和油漆配套的膩子把構(gòu)件的表面缺陷刮平。可以在膩子中加入適量的紅丹粉或者厚漆，從而增加其干硬性。在膩子干燥后要打磨平整，并清理干凈。如果堆放的時間太長，則要再做一次涂刷。

3.3.3 涂磷化底漆。磷化底漆包括底漆和磷化液兩部分。在涂刷磷化底漆兩個小時以后就可以涂刷其它面漆或底漆。通常情況下，二十四個小時后可以用清水或者毛刷清理表面的磷化殘留物。干燥后如果表面形成了均勻的灰褐色的磷化膜，則代表已經(jīng)達到了磷化的要求。

3.3.4 刷涂面漆。刷涂面漆時要多理多刷，油要不流不墜、飽滿均勻、色澤光亮一致。涂刷后要及時檢查避免漏刷。鋼結(jié)構(gòu)的面漆通常需要刷兩遍以上，厚度達70微米。

參考文獻

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