鋼結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用研究

王雪征 曹廣健

摘 要：土木工程是建筑工程施工的基礎(chǔ)，是各種工程項(xiàng)目在施工中都不可缺少的一項(xiàng)關(guān)鍵的施工措施。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)于當(dāng)前的土木工程來說，其在施工的過程中是通過相應(yīng)的技術(shù)分析措施和管理手段逐步完善。其在施工中不僅僅是從結(jié)構(gòu)特性的角度考慮，還要考慮施工的成本，對(duì)施工成本進(jìn)行有效的管理和控制，提高施工中的鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)方式，并簡(jiǎn)單的在其施工中進(jìn)行處理。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);土木工程;應(yīng)用探索

1 鋼結(jié)構(gòu)建筑歷史和自身優(yōu)勢(shì)

英國首先在建造房屋使用鋼結(jié)構(gòu)，較為著名的代表是法國埃菲爾鐵塔。進(jìn)入新世紀(jì)，鋼結(jié)構(gòu)在土木工程建筑中應(yīng)用更為廣泛。我國生產(chǎn)鋼材新技術(shù)增多，使得我國的建筑結(jié)構(gòu)具有了時(shí)代氣息，鋼結(jié)構(gòu)在我國前景廣闊。

鋼材之所以廣泛使用，與其優(yōu)勢(shì)有關(guān)。一方面，鋼材強(qiáng)度高，適于跨度大、荷載重的建筑結(jié)構(gòu)，較為安全。另一方面，鋼材易于塑型，吸收變形能力強(qiáng);同時(shí)，鋼材韌性大，適宜動(dòng)力荷載。此外，鋼結(jié)構(gòu)比鋼筋混凝土施工時(shí)間短，有助于提高資金回籠和收益回報(bào)。而且鋼材建造拆除污染較少。從節(jié)能減排的角度出發(fā)，鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化能夠很好地節(jié)約各種資源，這些優(yōu)勢(shì)對(duì)于新型住宅建筑建設(shè)意義重大。

2 我國鋼結(jié)構(gòu)建筑基本分類

我國的鋼結(jié)構(gòu)建筑基本目前應(yīng)用最為廣泛的主要有三種。一種是大空間跨度鋼結(jié)構(gòu)，二是高層重鋼結(jié)構(gòu)，三是輕鋼結(jié)構(gòu)建筑。其中，大空間跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑多出現(xiàn)機(jī)場(chǎng)、體育館等的建設(shè)。高層重鋼用型鋼、鋼板連接再焊接而成。輕鋼用薄鋼板冷軋型鋼組成骨架結(jié)構(gòu)，用于廠房、倉庫等建筑。

3 土木工程中鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用特點(diǎn)

3.1 高強(qiáng)度。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件能力由材料強(qiáng)度決定。一般是用國家標(biāo)準(zhǔn)來確定性能，建筑結(jié)構(gòu)滿足CSA標(biāo)準(zhǔn)ASTM standardA992/A992M等標(biāo)準(zhǔn)。我國過去建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度數(shù)據(jù)摘于CISC記錄。屈服強(qiáng)度其范圍大約270～700Mpa，當(dāng)然并非全部鋼種都有強(qiáng)度級(jí)別，特定的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)鋼種類型和強(qiáng)度選擇重要。采用鋼結(jié)構(gòu)能減少物料消耗、結(jié)構(gòu)自重、支撐部件，降低建筑結(jié)構(gòu)成本。

3.2 強(qiáng)剛度。振動(dòng)、變形各種參數(shù)由構(gòu)件剛度構(gòu)成，由結(jié)構(gòu)體系剛度決定。結(jié)構(gòu)體系剛度包括構(gòu)件以及其他連接件。簡(jiǎn)單的說，其剛度由材料截面特性及彈性模量決定。而一般意義上的密度抗壓強(qiáng)度在20-40Gpa內(nèi)混凝土彈性模量在21-29GPa內(nèi);高強(qiáng)度混凝土彈性模量在41-46GPa間，鋼結(jié)構(gòu)鋼性剛性優(yōu)勢(shì)顯著。

3.3 廣延性。延性指材料拉伸無斷裂能力。延性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要參數(shù)。材料延性并不都轉(zhuǎn)化為建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)在延性，采取設(shè)計(jì)策略滯消機(jī)制。通常設(shè)計(jì)具有延性要有足夠截面、延性及結(jié)構(gòu)延性。延性值要與變延性水平、構(gòu)件延性以及結(jié)構(gòu)延性相匹配。盡管鋼結(jié)構(gòu)延性十分高，然而由于其結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件受力不是很穩(wěn)定，構(gòu)件曲率延性通常不足。

3.4 高韌性。韌性是材料斷裂能量吸收及變形能力指標(biāo)。韌性的作用能抵抗缺口不穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展。鋼結(jié)構(gòu)使用中承受眾多工業(yè)變形是鋼結(jié)構(gòu)基本特點(diǎn)。鋼構(gòu)件韌性使它在彎曲、剪切、鉆孔等中降低裂紋產(chǎn)生。鋼結(jié)構(gòu)斷裂韌性對(duì)受沖擊荷載建筑更為重要。溫度條件是影響鋼結(jié)構(gòu)韌性的重要因素，溫度減小而降低。

3.5 整體性。誠如上述，鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)于鋼筋混凝土，它可以建構(gòu)異國建筑形式，鋼結(jié)構(gòu)可以提供設(shè)計(jì)靈活性及最大空間利用率。鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用空腹鋼鐵托架，可以為管道及供電線路提供通道。鋼架被用來增加樓層。施工時(shí)施工所需人員少;鋼結(jié)構(gòu)安裝及制作質(zhì)量要可靠和簡(jiǎn)便。修改時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)成本更低。附加支撐系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)可以加快施工進(jìn)度。

4 土木工程中鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的不足

需要指出的是，不是每種材料都是完美的。鋼結(jié)構(gòu)從應(yīng)用到施工的各個(gè)極端都存在著一定的不足和缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

4.1 材料自身的缺點(diǎn)

前面說過，鋼結(jié)構(gòu)剛度比混凝土是要大的。但是，如果在應(yīng)用的過程中碰到較為大的負(fù)載量，鋼構(gòu)件截面剛度小于混凝土結(jié)構(gòu)。要提高構(gòu)件穩(wěn)定性，我們可以通過加強(qiáng)型鋼尺寸以提高截面的剛度。鋼材耐火性和耐腐性欠缺，溫度150度要采用隔熱層保護(hù)，重要部位鋼結(jié)構(gòu)要涂刷防火涂料。

4.2 市場(chǎng)環(huán)境方面因素

第一，設(shè)計(jì)力量薄弱。設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)要注意結(jié)構(gòu)功能要求。在設(shè)計(jì)承載力較高要使用鋼結(jié)構(gòu)，要考慮用不適合繼續(xù)承載巨大變形為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極限狀態(tài)為準(zhǔn)則。鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)多要對(duì)螺絲、墊板及焊縫精確計(jì)算，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜。

第二，鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)不成體系。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。目前鋼結(jié)構(gòu)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，國家標(biāo)準(zhǔn)以及監(jiān)管機(jī)制方面也都有欠缺，設(shè)計(jì)師及開發(fā)商相對(duì)茫然。

第三，價(jià)格存在的問題。鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)還沒有形成一定的體系，價(jià)格仍然較高。鋼產(chǎn)量雖有大幅度提高，但是人均產(chǎn)量仍然相對(duì)較低，鋼材仍是我國國民經(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)出來了。鋼結(jié)構(gòu)使用壽命五十年，很多人喪失購買的欲望。

5 鋼結(jié)構(gòu)的施工與安裝要點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)的施工流程比較復(fù)雜，建筑要求不同細(xì)節(jié)上有很大差異性。具體有如下幾點(diǎn)。

第一，鋼結(jié)構(gòu)的選材與連接。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)。型鋼采用型鋼切割機(jī)下料，鋼板采用半自動(dòng)切割機(jī)下料，下料后應(yīng)進(jìn)行清渣修磨，編號(hào)歸類放置。先在構(gòu)件上劃針和鋼尺劃出孔中心和直徑，在孔四周打四只沖孔，鉆孔后檢查。高強(qiáng)度螺栓摩擦面處理：噴砂處理高強(qiáng)度螺栓摩擦面的表面粗糙度：石英砂的粒度1.5～4ram，加工后的鋼材表面呈現(xiàn)灰白色。用電動(dòng)砂輪機(jī)打磨鋼板的表面，砂輪打磨的方向與受力方向垂直，打磨范圍不應(yīng)小于4倍螺栓直徑，打磨不應(yīng)在鋼材表面磨出明顯凹坑。

第二，鋼構(gòu)件堆放及選擇安裝機(jī)械地點(diǎn)。安裝結(jié)構(gòu)是一個(gè)地區(qū)土地面積的1.5倍，從中轉(zhuǎn)支持結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件堆場(chǎng)，送到現(xiàn)場(chǎng)裝卸機(jī)械使用在其位置安裝機(jī)械回轉(zhuǎn)范圍內(nèi)。如果運(yùn)輸原因造成變形，在施工現(xiàn)場(chǎng)是會(huì)被糾正。鋼結(jié)構(gòu)是塔式起重機(jī)，起重臂長(zhǎng)度的覆蓋能力，安裝必須足以滿足解除組件的不同部分的要求。鋼絲繩起重能力能夠滿足高要求;提升速度等級(jí)，以滿足安裝要求。在多機(jī)操作的情況下，臂桿的高度必須足以防止不安全的碰撞，確保安全運(yùn)行。之間的各種塔式起重機(jī)有適當(dāng)?shù)陌踩嚯x，確保不發(fā)生碰撞的手臂與塔。鋼經(jīng)常比施工安裝生產(chǎn)線的布局水平因地制宜。

6 結(jié)束語

總之，隨著國家提倡節(jié)能環(huán)保，鋼結(jié)構(gòu)建筑將大幅增加。中國鋼材價(jià)格低，勞動(dòng)力成本低，鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量?jī)?yōu)良，有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，所以，我國鋼結(jié)構(gòu)在土木工程存在具有潛力的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)

[1]李國強(qiáng)，陸燁，何天森.鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代住宅中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2005（2）.