鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展

王 銳

（首鋼長(zhǎng)鋼設(shè)計(jì)規(guī)劃院，山西 長(zhǎng)治 046031）

鋼結(jié)構(gòu)有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。在房屋建筑中,有大量的鋼結(jié)構(gòu)廠(chǎng)房、高層鋼結(jié)構(gòu)建筑、大跨度鋼網(wǎng)架建筑，懸索結(jié)構(gòu)建筑等；在公路及鐵路上有各種形式的鋼橋；鋼塔及鋼桅桿則廣泛用作輸電線(xiàn)塔、電視廣播發(fā)射塔。目前，中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展十分迅速，特別是能夠代表我們國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科技水平、材料工藝及建筑技術(shù)的一系列高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的建成，將鋼結(jié)構(gòu)在中國(guó)的應(yīng)用與發(fā)展推上了新的高潮。如1996年建成的深圳地王大廈高度325 m，是國(guó)內(nèi)第一幢超高層鋼結(jié)構(gòu)大廈，1998年建成的大連遠(yuǎn)洋大廈，系鋼結(jié)構(gòu)高層建筑（高度201 m，51層），從設(shè)計(jì)、制造、安裝以及鋼材供應(yīng)，全部由中國(guó)自己完成。

1 鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 鋼結(jié)構(gòu)材料自重輕，可顯著降低基礎(chǔ)工程造價(jià)

根據(jù)比較，6層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的重量，僅相當(dāng)于4層磚混結(jié)構(gòu)住宅的重量。對(duì)于框剪結(jié)構(gòu)，當(dāng)外墻采用玻璃幕墻，內(nèi)墻采用輕質(zhì)隔墻，包括樓面活載在內(nèi)對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)全部重力荷載約為15 kN/m2～17 kN/m2，其中梁、板、柱及剪力墻等自重約為10 kN/m2～12 kN/m2，但是對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)全部重力荷載約為10 kN/m2～12kN/m2，其中，鋼結(jié)構(gòu)和混凝土樓板自重約為5 kN/m2～6 kN/m2。因此可知，兩類(lèi)結(jié)構(gòu)自重比例約為2∶1，全部重力荷載的比例約為1.5∶1，所以對(duì)于這兩類(lèi)結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的荷載差別將是十分驚人的。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

這是由于鋼材屬于金屬晶體具有各向同性的性質(zhì)，有很高的抗拉、抗壓和抗剪強(qiáng)度，更重要的是鋼材具有良好的延性。在地震的作用下，鋼結(jié)構(gòu)因其延性，不僅能減弱地震反應(yīng)，而且屬于較理想的彈塑性結(jié)構(gòu)，且有抵抗強(qiáng)烈地震的變形能力。如日本明石海峽大橋，這座目前世界上主跨最長(zhǎng)的懸橋(全長(zhǎng)3911 m，主跨長(zhǎng)1 991 m)，將日本的本州、九州、北海道和四國(guó)島連在了一起，該橋可承受里氏8.5級(jí)的強(qiáng)烈地震和80 m/s的暴風(fēng)。

1.3 減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸，增加建筑使用面積

由于鋼材自重輕強(qiáng)度高，可使得建筑物梁柱截面積尺寸相對(duì)較小，因此其所占用的建筑面積也小，這樣就相當(dāng)于增加了建筑物的使用面積，這對(duì)于投資方來(lái)說(shuō)，將產(chǎn)生不小的經(jīng)濟(jì)效益。

1.4 質(zhì)量容易保證、施工速度快、周期短

鋼結(jié)構(gòu)施工的最大特點(diǎn)就是鋼構(gòu)件在工廠(chǎng)制作，因此鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量容易保證。鋼結(jié)構(gòu)一般均為現(xiàn)場(chǎng)安裝，作業(yè)比重大，而且其本不受氣候影響。而且混凝土樓板的施工可與鋼結(jié)構(gòu)安裝交叉進(jìn)行。有時(shí)在上部安裝柱、框架的同時(shí)，下部可以進(jìn)行內(nèi)部裝飾、裝修工程。因此，在保證技術(shù)、供應(yīng)、管理等方面的條件下，可以提前投入使用。因此鋼結(jié)構(gòu)的施工速度常可快于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)約20%～30%，相應(yīng)的施工周期也縮短能早日投入使用，使投資人在經(jīng)濟(jì)效益上及早獲得回報(bào)。如紐約帝國(guó)大廈，高381 m（加上后來(lái)修建的電視塔共高448 m），這座高102層的摩天大廈僅用了1年多的時(shí)間就建成了。

1.5 鋼結(jié)構(gòu)可以形成較寬敞的無(wú)柱空間，便于內(nèi)部靈活布置

便于大柱網(wǎng)大開(kāi)間的建筑布置或轉(zhuǎn)換層或設(shè)備層、共享空間等建筑特殊平面與空間布置，便于設(shè)備管線(xiàn)的穿越設(shè)置。能更好地滿(mǎn)足建筑對(duì)大開(kāi)間布置的要求，也可滿(mǎn)足地下車(chē)庫(kù)柱間可停數(shù)輛車(chē)的要求，這些都是同等條件下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)難以做到的。在鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)空間中，有許多孔洞與空腔，而且鋼梁的腹板也允許穿越小于一定直徑的管線(xiàn)，這樣使管線(xiàn)的布置較為方便，也增加了建筑凈高，而且管線(xiàn)的更換、修理都很方便。此外，集中荷載很大的轉(zhuǎn)換層或設(shè)備層均可以通過(guò)設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)層間絎架來(lái)解決，而這種絎架還可以起到加強(qiáng)與完善整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的作用。如悉尼奧林匹克體育場(chǎng)，這座最多可容納11.5萬(wàn)名觀眾的體育場(chǎng)，它由兩個(gè)長(zhǎng)220 m、寬70 m的弧形鋼結(jié)構(gòu)支撐，其跨度可并排停放4架波音747客機(jī)。

1.6 鋼結(jié)構(gòu)建筑造價(jià)并不高

鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)與許多因素有關(guān)，對(duì)其造價(jià)的評(píng)估分析必須按動(dòng)態(tài)的和綜合的經(jīng)濟(jì)評(píng)估進(jìn)行分析。由于鋼結(jié)構(gòu)建筑在施工時(shí)可以節(jié)省支模、拆模的材料，由此降低成本,大大加快施工速度。資金價(jià)值在施工中充分體現(xiàn)，減少資金成本。根據(jù)目前掌握的數(shù)據(jù)和資料，鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)間的差價(jià)約為工程總投資的5%～10%，如果從綜合效益看，采用鋼結(jié)構(gòu)后，由于自重輕而降低基礎(chǔ)造價(jià)，結(jié)構(gòu)尺寸小而增加建筑物使用面積和鋼結(jié)構(gòu)施工機(jī)械化高而縮短工期從而減少整個(gè)項(xiàng)目的投資。

1.7 鋼結(jié)構(gòu)耐熱性能好，但耐火性能差

（其耐火時(shí)限僅為15 min），鋼材在常溫至200℃以?xún)?nèi)性能變化不大，但超過(guò)200℃以后，鋼材的強(qiáng)度將隨溫度升高而大大降低，到600℃時(shí)就完全失去承載能力。因此就要采取有效的防護(hù)措施,如用耐火材料做成隔熱層等以便提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能差。鋼結(jié)構(gòu)耐銹蝕能力差，據(jù)有關(guān)資料估算,約有10%～12%的鋼材損耗是屬于銹蝕損耗。因此鋼結(jié)構(gòu)必須采取防銹措施，應(yīng)徹底除銹后按設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)刷涂或噴涂防腐涂料以對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。目前，已經(jīng)有相應(yīng)的保護(hù)規(guī)范、配套材料可使用，以提高鋼結(jié)構(gòu)的性能。

1.8 符合中國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)化和可持續(xù)發(fā)展的要求

鋼結(jié)構(gòu)建筑現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量小、無(wú)噪聲、不污染周?chē)h(huán)境，改建和拆遷容易，材料的回收和再生利用率高。傳統(tǒng)建筑用的實(shí)心黏土磚，因大量浪費(fèi)土地資源、污染環(huán)境已被限制禁止使用。相反，由于鋼結(jié)構(gòu)建筑易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化制作，可以采用節(jié)能、環(huán)保的新型墻體材料與之配套，因而，健康、環(huán)保、抗震較好的鋼結(jié)構(gòu)建筑，是中國(guó)現(xiàn)代化建筑發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2 鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用

（1）大跨度結(jié)構(gòu)。如體育館、影劇院、大會(huì)堂、展覽館、飛機(jī)維修庫(kù)等均采用鋼結(jié)構(gòu)。北京2008年奧運(yùn)會(huì)的主體育場(chǎng)—鳥(niǎo)巢的主體結(jié)構(gòu)就為鋼結(jié)構(gòu)。

（2）工業(yè)廠(chǎng)房。如冶金廠(chǎng)房的平爐、轉(zhuǎn)爐車(chē)間、混鐵爐車(chē)間、初軋車(chē)間；重型機(jī)器制造廠(chǎng)的鑄鋼車(chē)間、鍛壓車(chē)間、總裝配車(chē)間等的主要承重構(gòu)件大多采用鋼結(jié)構(gòu)。如寶山鋼鐵公司的廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)基本上是單層框架或排架體系的鋼結(jié)構(gòu)，其建設(shè)面積達(dá)到105萬(wàn)m2。

（3）高聳結(jié)構(gòu)。如電線(xiàn)塔、電視廣播發(fā)射塔、鉆井塔、無(wú)線(xiàn)電天線(xiàn)桅桿等。

（4）高層建筑。由于結(jié)構(gòu)自重輕、強(qiáng)度高，同時(shí)抗震好、工期短、施工方便對(duì)高層建筑的修建極為有利。

（5）板殼結(jié)構(gòu)。如油庫(kù)、油罐、高爐、熱風(fēng)爐、漏斗、煙囪、水塔以及各種管道等。

（6）可拆卸或移動(dòng)的結(jié)構(gòu)。如建筑施工用的吊裝塔架，流動(dòng)展覽館，移動(dòng)式混凝土攪拌站，施工臨時(shí)用的房屋等。

（7）輕型鋼結(jié)構(gòu)?？捎糜谑褂煤奢d較輕或跨度較小的建筑。由于這類(lèi)結(jié)構(gòu)布置靈活、制造安裝運(yùn)輸都很方便，所以現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù)、辦公室、工業(yè)廠(chǎng)房及體育設(shè)施。

（8）和混凝土組合成組合結(jié)構(gòu)，如組合梁和鋼管混凝土柱等。

3 鋼結(jié)構(gòu)建筑的鋼材選用

鋼結(jié)構(gòu)的原材料是鋼，鋼的種類(lèi)繁多，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)用的鋼材：①承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度和硫、磷含量的合格保證,對(duì)焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有碳含量的合格保證。②焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材還應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證。③對(duì)某些承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)以及重要的受拉或受彎的焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有常溫或負(fù)溫沖擊韌性的合格保證。

4 結(jié)束語(yǔ)

近幾年，國(guó)家建設(shè)部已經(jīng)把鋼結(jié)構(gòu)建筑列入全國(guó)重點(diǎn)推廣項(xiàng)目，北京、上海、天津等地，都相繼興建了一批鋼結(jié)構(gòu)住宅示范、試點(diǎn)工程。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，土地資源的日益緊張，鋼結(jié)構(gòu)建筑必將是中國(guó)重要的發(fā)展對(duì)象，在未來(lái)的工程建設(shè)中擔(dān)當(dāng)越來(lái)越重要的角色。