鋼結構

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鋼結構(Steel Structures)

目錄

什麼是鋼結構[1]

  鋼結構是把鋼板、圓鋼、鋼管、鋼索及各種型鋼等鋼材加工、連接、安裝組成的工程結構。鋼結構需要承受各種可能的自然和人為環境的作用,是具有足夠可靠性和良好社會經濟效益的工程結構物和構築物

  由於鋼材可以回收冶煉而重覆利用,所以鋼結構是一種節能環保型、可迴圈使用的建築結構,符合經濟持續健康發展的要求。除了在高層建築、大型廠房、大跨度空間結構、輕鋼結構、住宅建築中大量採用鋼結構外,各部門中也大量採用鋼結構,如公路鐵路橋梁、火電主廠房和鍋爐鋼架、輸變電鐵塔、廣播電視通信塔、海洋石油平臺、核電站、風力發電、水利建設、地下基礎鋼板樁等。城市建設需要大量的鋼結構,如地鐵、城市輕便鐵路、立交橋、環保建築、公共設施臨時建築等。另外,鋼結構還廣泛用於超市貨架腳手架、廣場小品、雕塑和臨時展廳等小型輕型結構。

鋼結構的優缺點

  鋼結構具有下列優缺點:

  ①強度高,質量輕。鋼材強度較高,彈性模量亦高,因而鋼結構構件小而輕。現在有多種強度等級的鋼材,即使強度較低的鋼材,其密度與強度的比值一般也小於}昆凝土和木材,從而在同樣受力情況下鋼結構自重小,可以做成跨度較大的結構。由於桿件小,所占空間少,亦便於運輸和安裝。

  ②材質均勻,可靠性高。鋼材組織均勻,接近於各向同性勻質體。鋼材由鋼廠生產,控制嚴格,質量比較穩定。鋼結構的實際工作性能比較符合目前採用的理論計算結果,所以鋼結構可靠性較高。

  ③塑性和韌性好。鋼結構的抗拉和抗壓強度相同,塑性和韌性均好,適於承受衝擊和動力荷載,有較好的抗震性能。

  ④便於機械化製造。鋼結構由軋制型材和鋼板在工廠製成,便於機械化製造,生產效率高,速度快,成品精確度較高,質量易於保證,是工程結構中工業化程度最高的一種結構。

  ⑤安裝方便,施工期限短。鋼結構安裝方便,施工期限短,可儘快地發揮投資的經濟效益

  ⑥密封性好。鋼結構的密封性較好,容易做成密不漏水和密不漏氣的常壓和高壓容器結構和大直徑管道。

  ⑦耐熱性較好。結構錶面溫度在200℃以內時,鋼材強度變化很小,因而鋼結構適用於熱車問。但結構錶面長期受輻射熱達150℃時,應採用隔熱板加以防護。

  ⑧耐火性差。鋼結構耐火性較差,鋼材錶面溫度達300~400℃以後,其強度和彈性模量顯著下降,600oC時幾乎降到零。當耐火要求較高時,需要採取保護措施,如在鋼結構外麵包混凝土或其他防火板材,或在構件錶面噴塗一層含隔熱材料和化學助劑等的防火塗料,以提高耐火等級。

  ⑨耐鏽蝕性差。鋼結構耐鏽蝕性較差,特別在潮濕相有腐蝕性介質的環境中,容易鏽蝕,需要定期維護,增加了維護費用。

鋼結構的分類[2]

  鋼結構應用在各種建築物和工程構築物上,類型很多,根據其連接方法不同,可以分為焊接結構、螺栓連接結構和鉚接結構。焊接連接是目前鋼結構最主要的連接方法,其優點是構造簡單、省材料、易加工,並可採用自動化作業。但焊接會引起結構變形和產生殘餘應力。

  螺栓連接也是一種常用的連接方法,有裝配便利、迅速的優點。可用於結構安裝連接或可拆卸式結構中。缺點是構件截面削弱、易鬆動。鉚釘連接是一種較古老的連接方法,由於它的塑性和韌性較好,便於質量檢查,故經常用於承受動力載荷的結構中。但製造費工、用料多,釘孔削弱構件截面,因此目前在製造業中已逐步由焊接所取代。

  鋼結構根據其構造的不同,可分為實腹式結構和格構式結構。實腹式構件的截面組成部分是連續的,一般由軋制型鋼製成,常採用角鋼、工字鋼、T形鋼、圓鋼管、方形鋼管等。構件受力較大時,可用軋制型鋼或鋼板焊接成的工字形、圓管形、箱形等組合截面,如汽車起重機箱形伸縮臂架。格構式構件的截面組成部分是分離的,常以角鋼、槽鋼、工字鋼作為肢件,肢件間由綴材連接。

鋼結構的應用範圍[3]

  由於鋼材和鋼結構有上述特點,鋼結構常用於各種工程結構中。鋼結構的合理應用範圍大體如下:

  ①大跨徑結構。隨著結構跨度增大,結構自重在全部荷載中所占的比重也就越大,減輕自重可獲得明顯的經濟效益。對於大跨度結構,鋼結構質量輕的優點顯得特別突出。我國上海可容納8萬人的體育館是一平面為橢圓形的建築,採用了由徑向懸挑格架和環向桁架組成的空間鋼屋蓋結構。長軸為288.4m,短軸為274.4m,屋蓋最大懸挑跨度達73.5m。2005年建成通車的潤揚長江大橋,其中南漢主橋採用單孔雙鉸鋼箱梁懸索橋,主跨徑1490m,目前為中國第一、世界第三。

  ②高層建築。高層建築已成為現代化城市的一個標誌。鋼材強度高和鋼結構質量輕的特點對高層建築具有重要意義。強度高則構件截面尺寸小,可提高有效使用面積;質量輕可大大減輕構件、基礎和地基所承受的荷載,降低基礎工程等的造價。當今世界上最高的50幢建築中,鋼結構和鋼一混凝土混合結構占80%以上。1974年建成的紐約西爾斯大廈,共110層,總高度達443m,為全鋼結構建築。近年來,我國的高層建築鋼結構如雨後春筍般拔地而起,1997年建成的上海金茂大廈,為88層,總高度為420.5m;同年8月在上海浦東開工興建的上海環球金融中心,為98層,總高度為460m。這表明完全由我國自己來建造超高層鋼結構是可以做到的。

  ③工業建築。當工業建築的跨度和柱距較大,或者設有大噸位吊車,結構需承受大的動力荷載時,往往部分或全部採用鋼結構。為了縮短施工工期,儘快發揮投資效益,近年來我國的普通工業建築也大量採用鋼結構。

  ④輕型結構。稱使用荷載較小或跨度不大的結構為輕型結構。自重是這類結構的主要荷載,常採用冷彎薄壁型鋼或小型鋼製成的輕型鋼結構。

  ⑤高聳結構。如塔架和桅桿等,它們的高度大,構件的橫截面尺寸較小,風荷載和地震常常起主要作用,自重對結構的影響較大,因此常採用鋼結構。

  ⑥活動式結構。如水工鋼閘門、升船機等,可充分發揮鋼結構質量輕的特點,降低啟閉設備的造價和運轉所耗費的動力。

  ⑦可拆卸或移動的結構。如施工用的建築和鋼棧橋、流動式展覽館、移動式平臺等,可發揮鋼結構質量輕、便於運輸和安裝方便的優點。

  ⑧容器和大直徑管道。如貯液(氣)罐、輸(油、氣、原料)管道、水工壓力管道等。三峽水利樞紐工程中的發電機組採用的壓力鋼管內徑達12.4m。

  ⑨在地震區抗震要求高的結構。

  ⑩急需早日交付使用的工程。這類工程可發揮鋼結構施工工期短和質量輕便於運輸的特點。

  綜上所述,鋼結構是在各種工程中廣泛應用的一種重要的結構形式。隨著我國經濟建設的發展和鋼產量的提高,鋼結構將會發揮日益重要的作用。

參考文獻

  1. 陳志華.鋼結構原理與設計.天津大學出版社,2011.05.
  2. 陸亞珍,傅強,姚瑤編著.焊接結構分析與製造.中國水利水電出版社,2010.12.
  3. 肖光巨集.鋼結構.重慶大學出版社,2011.08.
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