鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)建的框架體系穩(wěn)定性探討

郭萬(wàn)標(biāo) （安徽四方建設(shè)集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230001）

鋼筋混凝土是將鋼筋布置在構(gòu)件受力截面的受彎區(qū)。然后以水泥為膠結(jié)料，石子、砂為粗、細(xì)骨料澆筑成混凝土，將鋼筋包裹在其中。利用鋼筋的抗拉性能和混凝土的抗壓性能，使得兩種材料協(xié)同受力，較好地承受荷載作用。而鋼材（包括型鋼和鋼板）本身密實(shí)度大、強(qiáng)度高、塑性和韌性好，各向受力均勻，加工成構(gòu)件后，能很好地承受荷載作用。

1 兩種材料構(gòu)成結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)分析

1.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)件特點(diǎn)

①抗壓性能好，抗拉（彎）、抗剪性能較差

混凝土本身的抗壓強(qiáng)度較高，而鋼筋主要布置在構(gòu)件的受拉（彎）區(qū)，抗剪切破壞主要是依靠構(gòu)件中連續(xù)布置的箍筋，抗拉（彎）、抗剪切性能較差。

②構(gòu)件自重大，施工工藝繁瑣

鋼筋混凝土容重較大，約2500kn/m3。有時(shí)候?yàn)楸ＷC較長(zhǎng)構(gòu)件的穩(wěn)定性，減小長(zhǎng)、細(xì)比，設(shè)計(jì)時(shí)往往要加大構(gòu)件的截面，增加構(gòu)件的自重。

鋼筋混凝土構(gòu)件需經(jīng)過(guò)：立支撐——支模板——鋼筋下料——綁扎——混凝土拌合——混凝土澆筑——養(yǎng)護(hù)——拆模等工藝環(huán)節(jié)，施工工藝繁瑣，施工周期長(zhǎng)。

③耐久性好、耐火性能佳。鋼筋混凝土在鋼筋外圍形成保護(hù)層，能有效保證鋼筋不受腐蝕，耐久性較好。同時(shí)，保護(hù)層能起到阻燃保護(hù)鋼筋的作用，加之混凝土本身的耐火性能較好，鋼筋混凝土構(gòu)件的整體耐火性能較佳。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的特點(diǎn)

①鋼材密度大、強(qiáng)度高、重量輕。鋼材的密度與屈服點(diǎn)的比值較小，在相同荷載條件下，采用鋼結(jié)構(gòu)自重較輕；相同跨度和荷載條件下，鋼構(gòu)件的重量?jī)H為鋼筋混凝土重量的1/4～1/3，但強(qiáng)度更高。

②鋼材材質(zhì)均勻，塑性和韌性好。鋼材的材質(zhì)均勻，接近各向同性；在一定應(yīng)力范圍內(nèi)，處于理想的彈性工作狀態(tài)，符合工程力學(xué)所采用的基本假定；鋼材的塑性和韌性較好，即使是在一定范圍內(nèi)的過(guò)載作用下也不至于發(fā)生脆斷，可靠性高。

③具有可焊接性，便于工業(yè)化加工。鋼材通過(guò)焊接，可以制作成各種構(gòu)件；鋼構(gòu)件可以在工廠內(nèi)制成，便于機(jī)械化大批量生產(chǎn)，效率高、制作精度高，質(zhì)量有保證。

④防腐蝕、耐火性能較差。在沒(méi)有保護(hù)層隔離的情況下，鋼材中的碳元素易與空氣中的水分（或其他腐蝕介質(zhì)發(fā)生）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氧化膜，發(fā)生腐蝕現(xiàn)象；火災(zāi)發(fā)生時(shí)，高溫作用下，鋼材容易變?nèi)彳洠＜敖Y(jié)構(gòu)安全。

2 兩種結(jié)構(gòu)件構(gòu)建框架體系的穩(wěn)定性

框架結(jié)構(gòu)是工程建設(shè)中常用的一種結(jié)構(gòu)體系，框架結(jié)構(gòu)的荷載傳遞方式為：樓板（或屋面板）——梁——柱——基礎(chǔ)，其整體穩(wěn)定性取決于由梁、柱構(gòu)建的空間框架的穩(wěn)定性。

2.1 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

①鋼筋混凝土梁因?yàn)樯喜坑袠前宓募s束，當(dāng)跨度和荷載較小時(shí)，梁截面尺寸較小，穩(wěn)定性較好。但當(dāng)跨度和荷載較大時(shí)，梁的截面相應(yīng)增加，抗彎扭性能減弱，設(shè)計(jì)上通過(guò)在梁內(nèi)增加抗彎扭鋼筋來(lái)提高梁的穩(wěn)定性。但隨著截面的增大，梁的自重也明顯增加，不利于構(gòu)建大的跨度空間。

②鋼筋混凝土柱是主要的承重構(gòu)件，在承受并傳遞豎向荷載時(shí)，不僅要具備足夠的強(qiáng)度，而且要滿足長(zhǎng)、細(xì)比要求，保證足夠的剛度和穩(wěn)定性。在構(gòu)建較高樓層的建筑物時(shí)，鋼筋混凝土柱的截面就要增加（或在柱的中間位置設(shè)置聯(lián)系梁），不僅自重增加，而且占用空間。

③鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)框架的穩(wěn)定性取決于梁、柱構(gòu)建的空間架體的穩(wěn)定性，而關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是梁、柱接頭部位的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量。

工程力學(xué)所采用的設(shè)計(jì)模型中，框架梁、柱接頭設(shè)定為剛性節(jié)點(diǎn)。設(shè)計(jì)時(shí)，采取的方法是將梁的鋼筋彎錨，深入柱內(nèi)一定長(zhǎng)度。在柱頭、梁端設(shè)置鋼箍筋加密區(qū)，并在梁、柱接頭內(nèi)設(shè)置核心箍筋，盡可能地使其成為剛性節(jié)點(diǎn)。但鋼筋混凝土本身是彈塑性材料，而且在施工過(guò)程中，梁的鋼筋由于下料加工的誤差，會(huì)造成彎錨長(zhǎng)度不足。此外，梁的鋼筋錨入柱頭后，梁、柱接頭是鋼筋密集區(qū)，核心箍筋的綁扎很難保證位置準(zhǔn)確。因此，鋼筋混凝土梁、柱接頭并不是完全意義上的剛性節(jié)點(diǎn)，不完全符合工程力學(xué)所采用的基本假定。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

①鋼梁、鋼柱等構(gòu)件，一般采用型鋼直接制作而成，大型構(gòu)件可以通過(guò)型鋼加鋼板制作成格構(gòu)件，不僅強(qiáng)度高，而且自重輕，便于構(gòu)建較大跨度的空間。

②單個(gè)鋼構(gòu)件可以通過(guò)焊接，加腹板（或加勁肋）的方式，有效地提高抗彎扭性能。

③鋼構(gòu)件可以在加工廠內(nèi)工業(yè)化制作，切割、調(diào)直、焊接、除銹等工序均可以機(jī)械化進(jìn)行。穩(wěn)定的設(shè)備和作業(yè)條件，能很好地保證鋼構(gòu)件的加工精度和質(zhì)量。

④鋼結(jié)構(gòu)框架的施工，是將加工成型的鋼構(gòu)件在現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)焊接、鉚接、錨定等形式拼裝而成，施工便捷。尤其是鋼框架梁、柱接頭，因?yàn)殇摬氖菑椥圆牧?，具備各向同性的特點(diǎn)，通過(guò)焊接形成的梁、柱接頭很容易形成剛性節(jié)點(diǎn)，受力時(shí)處于理想的彈性工作狀態(tài)，符合工程力學(xué)所采用的基本假定。

⑤鋼結(jié)構(gòu)框架通過(guò)在合理的部位設(shè)置垂直支撐和水平支撐，能極大地提高框架整體的空間穩(wěn)定性，安全可靠。

⑥鋼結(jié)構(gòu)框架在設(shè)計(jì)、施工時(shí)，應(yīng)該根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，充分考慮鋼材的材料特性，采取完善的防腐、防火措施，確保鋼結(jié)構(gòu)框架的耐久性和安全可靠性。

3 結(jié)束語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)的特性及優(yōu)點(diǎn)，使其相較于鋼筋混凝土，在構(gòu)建框架結(jié)構(gòu)體系時(shí)，具備更好的強(qiáng)度、更輕的自重（高層鋼結(jié)構(gòu)自重一般僅為高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自重的1/2～3/5）、更好的穩(wěn)定性、更佳的抗震性能。鋼構(gòu)件便于工業(yè)化加工，現(xiàn)場(chǎng)拼裝便捷，有利于縮短施工周期，符合環(huán)保施工的理念。另外，鋼結(jié)構(gòu)的特性符合建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向，今后必將更廣泛地應(yīng)用于土木工程建設(shè)中，迎來(lái)更為廣闊的發(fā)展空間。