钢结构

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钢结构(Steel Structures)

　　钢结构是把钢板、圆钢、钢管、钢索及各种型钢等钢材加工、连接、安装组成的工程结构。钢结构需要承受各种可能的自然和人为环境的作用，是具有足够可靠性和良好社会经济效益的工程结构物和构筑物。

　　由于钢材可以回收冶炼而重复利用，所以钢结构是一种节能环保型、可循环使用的建筑结构，符合经济持续健康发展的要求。除了在高层建筑、大型厂房、大跨度空间结构、轻钢结构、住宅建筑中大量采用钢结构外，各部门中也大量采用钢结构，如公路铁路桥梁、火电主厂房和锅炉钢架、输变电铁塔、广播电视通信塔、海洋石油平台、核电站、风力发电、水利建设、地下基础钢板桩等。城市建设需要大量的钢结构，如地铁、城市轻便铁路、立交桥、环保建筑、公共设施、临时建筑等。另外，钢结构还广泛用于超市货架、脚手架、广场小品、雕塑和临时展厅等小型轻型结构。

　　钢结构具有下列优缺点：

　　①强度高，质量轻。钢材强度较高，弹性模量亦高，因而钢结构构件小而轻。现在有多种强度等级的钢材，即使强度较低的钢材，其密度与强度的比值一般也小于}昆凝土和木材，从而在同样受力情况下钢结构自重小，可以做成跨度较大的结构。由于杆件小，所占空间少，亦便于运输和安装。

　　②材质均匀，可靠性高。钢材组织均匀，接近于各向同性匀质体。钢材由钢厂生产，控制严格，质量比较稳定。钢结构的实际工作性能比较符合目前采用的理论计算结果，所以钢结构可靠性较高。

　　③塑性和韧性好。钢结构的抗拉和抗压强度相同，塑性和韧性均好，适于承受冲击和动力荷载，有较好的抗震性能。

　　④便于机械化制造。钢结构由轧制型材和钢板在工厂制成，便于机械化制造，生产效率高，速度快，成品精确度较高，质量易于保证，是工程结构中工业化程度最高的一种结构。

　　⑤安装方便，施工期限短。钢结构安装方便，施工期限短，可尽快地发挥投资的经济效益。

　　⑥密封性好。钢结构的密封性较好，容易做成密不漏水和密不漏气的常压和高压容器结构和大直径管道。

　　⑦耐热性较好。结构表面温度在200℃以内时，钢材强度变化很小，因而钢结构适用于热车问。但结构表面长期受辐射热达150℃时，应采用隔热板加以防护。

　　⑧耐火性差。钢结构耐火性较差，钢材表面温度达300～400℃以后，其强度和弹性模量显著下降，600oC时几乎降到零。当耐火要求较高时，需要采取保护措施，如在钢结构外面包混凝土或其他防火板材，或在构件表面喷涂一层含隔热材料和化学助剂等的防火涂料，以提高耐火等级。

　　⑨耐锈蚀性差。钢结构耐锈蚀性较差，特别在潮湿相有腐蚀性介质的环境中，容易锈蚀，需要定期维护，增加了维护费用。

　　钢结构应用在各种建筑物和工程构筑物上，类型很多，根据其连接方法不同，可以分为焊接结构、螺栓连接结构和铆接结构。焊接连接是目前钢结构最主要的连接方法，其优点是构造简单、省材料、易加工，并可采用自动化作业。但焊接会引起结构变形和产生残余应力。

　　螺栓连接也是一种常用的连接方法，有装配便利、迅速的优点。可用于结构安装连接或可拆卸式结构中。缺点是构件截面削弱、易松动。铆钉连接是一种较古老的连接方法，由于它的塑性和韧性较好，便于质量检查，故经常用于承受动力载荷的结构中。但制造费工、用料多，钉孔削弱构件截面，因此目前在制造业中已逐步由焊接所取代。

　　钢结构根据其构造的不同，可分为实腹式结构和格构式结构。实腹式构件的截面组成部分是连续的，一般由轧制型钢制成，常采用角钢、工字钢、T形钢、圆钢管、方形钢管等。构件受力较大时，可用轧制型钢或钢板焊接成的工字形、圆管形、箱形等组合截面，如汽车起重机箱形伸缩臂架。格构式构件的截面组成部分是分离的，常以角钢、槽钢、工字钢作为肢件，肢件间由缀材连接。

　　由于钢材和钢结构有上述特点，钢结构常用于各种工程结构中。钢结构的合理应用范围大体如下：

　　①大跨径结构。随着结构跨度增大，结构自重在全部荷载中所占的比重也就越大，减轻自重可获得明显的经济效益。对于大跨度结构，钢结构质量轻的优点显得特别突出。我国上海可容纳8万人的体育馆是一平面为椭圆形的建筑，采用了由径向悬挑格架和环向桁架组成的空间钢屋盖结构。长轴为288．4m，短轴为274．4m，屋盖最大悬挑跨度达73．5m。2005年建成通车的润扬长江大桥，其中南汉主桥采用单孔双铰钢箱梁悬索桥，主跨径1490m，目前为中国第一、世界第三。

　　②高层建筑。高层建筑已成为现代化城市的一个标志。钢材强度高和钢结构质量轻的特点对高层建筑具有重要意义。强度高则构件截面尺寸小，可提高有效使用面积；质量轻可大大减轻构件、基础和地基所承受的荷载，降低基础工程等的造价。当今世界上最高的50幢建筑中，钢结构和钢一混凝土混合结构占80％以上。1974年建成的纽约西尔斯大厦，共110层，总高度达443m，为全钢结构建筑。近年来，我国的高层建筑钢结构如雨后春笋般拔地而起，1997年建成的上海金茂大厦，为88层，总高度为420．5m；同年8月在上海浦东开工兴建的上海环球金融中心，为98层，总高度为460m。这表明完全由我国自己来建造超高层钢结构是可以做到的。

　　③工业建筑。当工业建筑的跨度和柱距较大，或者设有大吨位吊车，结构需承受大的动力荷载时，往往部分或全部采用钢结构。为了缩短施工工期，尽快发挥投资效益，近年来我国的普通工业建筑也大量采用钢结构。

　　④轻型结构。称使用荷载较小或跨度不大的结构为轻型结构。自重是这类结构的主要荷载，常采用冷弯薄壁型钢或小型钢制成的轻型钢结构。

　　⑤高耸结构。如塔架和桅杆等，它们的高度大，构件的横截面尺寸较小，风荷载和地震常常起主要作用，自重对结构的影响较大，因此常采用钢结构。

　　⑥活动式结构。如水工钢闸门、升船机等，可充分发挥钢结构质量轻的特点，降低启闭设备的造价和运转所耗费的动力。

　　⑦可拆卸或移动的结构。如施工用的建筑和钢栈桥、流动式展览馆、移动式平台等，可发挥钢结构质量轻、便于运输和安装方便的优点。

　　⑧容器和大直径管道。如贮液(气)罐、输(油、气、原料)管道、水工压力管道等。三峡水利枢纽工程中的发电机组采用的压力钢管内径达12．4m。

　　⑨在地震区抗震要求高的结构。

　　⑩急需早日交付使用的工程。这类工程可发挥钢结构施工工期短和质量轻便于运输的特点。

　　综上所述，钢结构是在各种工程中广泛应用的一种重要的结构形式。随着我国经济建设的发展和钢产量的提高，钢结构将会发挥日益重要的作用。