钢结构

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钢结构(Steel Structures)

目录

什么是钢结构[1]

  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。

钢结构的优缺点

  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。

钢结构的分类[2]

  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。

钢结构的应用范围[3]

  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。

参考文献

  1. 陈志华.钢结构原理与设计.天津大学出版社,2011.05.
  2. 陆亚珍,傅强,姚瑶编著.焊接结构分析与制造.中国水利水电出版社,2010.12.
  3. 肖光宏.钢结构.重庆大学出版社,2011.08.
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