鋼結構材料與構造特點

1、鋼結構材料與構造 主題：鋼結構的特點及應用一.鋼結構的特點 優(yōu)點1經濟性 施工進度 材質、塑性韌性承載能力 抗震性能良好的加工性能和焊接性能鋼材的可重復使用性 大空間及平面布置 移動性美觀性 經濟性 鋼結構建筑采用先進的設計和加工工藝以及大規(guī)模的生產方式，所以可大大地降低造價。同時由于安裝簡單迅速而節(jié)省大量的施工費用，并使企業(yè)或開發(fā)商得以更快投產見效。 傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑費用高，且工期較長，費用易受不可預料因素的影響，如自然災害，冬季、雨季施工，材料價格上漲等等。 從基礎造價方面來講，鋼結構建筑由于結構重量輕，柱底反力較小，從而節(jié)省大量的地基處理費用。 傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑，由于本身結構自重

2、復雜，因而基礎處理較復雜。在不良土質情況下，結構總造價的一半以上要用于基礎。 經濟性因為鋼結構材料可以預先切到需要的長度，所以在很大的程度上降低了浪費。另外，鋼材的邊料也是可以出售的，這樣更是大大的降低了浪費?；A處理簡便適用于廣泛地質,基礎部分比傳統(tǒng)建筑要節(jié)約50%費用。合理墻體厚度使得用戶的得房率比一般現(xiàn)行建筑要多出8%左右，且因為施工快，縮短了資金的周轉期，加快了資金的流動速度，相應的降低了成本。 以下是多層鋼結構框架與混凝土框架工期造價對比 施工進度 鋼構件由各種型材采用機械加工在專業(yè)化的金屬結構廠制作而成，骨架可在工廠組裝，工業(yè)化程度高，能批量生產，簡便且成品的精確度高。制成的構件可

3、在現(xiàn)場采用螺栓拼裝。結構建筑能夠快速地安裝和交貨，在合同簽訂后的四五個月內建筑物可望安裝完成，且全部干作業(yè)施工，不受環(huán)境季節(jié)影響。一棟300平方米左右的建筑，只需5個工人30個工作日可以完成從地基到裝修的全過程，基本不受冬季施工的影響。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構施工速度較慢，工期可達810個月或更長。材質均勻，塑性韌性鋼材的內部組織比較均勻，非常接近勻質體，其各個方向的物理力學性能基本相同，接近各向同性體。在使用應力階段，鋼材的彈性模量達到206GPa，在正常使用情況下具有良好的延性，可簡化為理想彈塑性體，符合一般工程力學基本假定。因此，鋼結構的實際受力情況和工程力學計算結果比較符合，可靠性高。塑性

4、是指承受靜力荷載時，材料吸收變形能的能力。韌性是指承受動力荷載時，材料吸收能量的多少。鋼材的塑性和韌性都很好，由于塑性好，一般情況下鋼結構不會由于偶然超載而突然斷裂，給人以安全保證；韌性好，說明鋼材具有良好的動力工作性能，使得鋼結構具有優(yōu)越的抗震性能。承載能力鋼材強度高，結構重量輕， 鋼與磚石和混凝土相比，雖然密度較大，但強度更高，其密度與強度的比值較小，承受同樣荷載時，鋼結構要比其他結構輕。例如，當跨度和荷載均相同時，鋼屋架的重量僅為鋼筋混凝土屋架的1/31/4，冷彎薄壁型鋼屋架甚至接近1/10。為運輸和吊裝提供了方便。由于鋼構件常較柔細，因此穩(wěn)定問題比較突出，應給予充分注意。鋼結構建筑重量

5、通常僅相當于其設計承載能力的1/6，構件重量大大輕于鋼筋混凝土構件。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑，其結構本身的重量往往等于其設計承載能力，預制構件重，對吊裝的設備要求較高?？拐鹦阅茕摻Y構建筑在破壞前有較大的變形，易于覺察和躲避。同時，由于重量輕和節(jié)點力學特性，鋼結構建筑具有好的抗震性能。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑基于混凝土的材料特性，鋼筋混凝土建筑與輕鋼結構相比更易產生脆性破壞，且抗震性能要明顯低于鋼結構建筑。良好的加工性能和焊接性能鋼材具有良好的冷熱加工性能和焊接性能，使鋼結構的連接大為簡化，可滿足制作各種復雜結構形狀的需要。便于在專業(yè)化的金屬結構廠大批量生產出精度較高的構件，然后運至現(xiàn)場，進行工地拼接和

6、吊裝，既可保證質量，又可縮短施工周期 。但是鋼材焊接的時候產生很高的溫度，且溫度應力分布很不均勻，結構各部位的冷卻速度也不同。因此不但在高溫區(qū)材料性質有變壞的可能，而且還會產生較高的焊接殘余應力，使結構中的應力狀態(tài)復雜化。鋼材的可重復使用性鋼結構加工制造過程中產生的余料和碎屑，以及廢棄和破壞了的鋼結構或構件，均可回爐重新冶煉成鋼材重復使用。因此鋼材被稱為綠色建筑材料或可持續(xù)發(fā)展的材料。另外，廢舊的鋼材100%可以被回收利用；同時，薄壁輕鋼結構建筑也可以使用再利用的鋼材，在美國每5到6輛廢車就可以建造一棟180平方米的房子。 大空間及平面布置 鋼結構建筑內部空間寬敞，可較輕松地進行擴建和改建，可

7、靈活布設各種工業(yè)管線。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑跨度受限制，必須采用預應力等技術才能達到15m以上跨度，內部空間布置受限制，柱多，空間浪費大。建成后，較難改動其結構。結構設計與其他專業(yè)配合較為復雜。 移動性鋼結構建筑可采用螺栓連接，只需不多費用就可以很容易地被拆散、轉移和易地組裝，有很強的移動性。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑基本上不存在移動的可能性 。美觀性鋼結構建筑諸如何網架結構等，具有較強烈的時代感和多變的外表，適于表達建筑師的想象。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑，尤其是工業(yè)建筑，外形比較單一、呆板缺少變化。 鋼結構的特點 缺點2腐蝕性和耐火性 鋼結構的低溫冷脆傾向易失穩(wěn)腐蝕性和耐火性鋼結構建筑如果長期暴露于空氣

8、或潮濕的環(huán)境中而未加有效的防護時，表面就會銹蝕。銹蝕就能引起應力集中，促使結構早期破壞。鋼結構建筑耐熱不耐火，由于鋼材的特性，鋼材長期經受100輻射熱時，強度沒多大變化，具有一定的耐熱性能。但溫度達150以上時，就須用隔熱層加以保護。鋼結構在450-650就會失去承載能力。一般未加保護的鋼結構耐火性很低，就需要采取保護措施，從而大大增加費用。 鋼結構的低溫冷脆傾向由厚鋼板焊接而成的承受拉力和彎矩的構件及其連接節(jié)點，在低溫下有脆性破壞的傾向，應引起足夠的重視。 易失穩(wěn)鋼結構的失穩(wěn)分為兩類：整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)。整體失穩(wěn)大多數(shù)是由于局部失穩(wěn)造成的，當受壓部位或受彎部位的長細比超過允許值時，會失去穩(wěn)定

9、。它受很多客觀因素影響，如荷載變化、鋼材的初始缺陷、支承情況的不同等。二.鋼結構的應用 1.大跨結構結構跨度越大，自重在荷載中所占的比例就越大，減輕結構的自重會帶來明顯的經濟效益。鋼材強度高結構重量輕的優(yōu)勢正好適合于大跨結構，因此鋼結構在大跨空間結構和大跨橋梁結構中得到了廣泛的應用。所采用的結構形式有空間桁架、網架、網殼、懸索（包括斜拉體系）、張弦梁、實腹或格構式拱架和框架等。哈爾濱會展中心屋蓋(230m跨) 二.鋼結構的應用2.工業(yè)廠房 吊車起重量較大或者其工作較繁重的車間的主要承重骨架多采用鋼結構。另外，有強烈輻射熱的車間，也經常采用鋼結構。結構形式多為由鋼屋架和階形柱組成的門式剛架或排架

10、，也有采用網架做屋蓋的結構形式。 鋼結構廠房 二.鋼結構的應用3.受動力荷載影響的結構 由于鋼材具有良好的韌性，設有較大鍛錘或產生動力作用的其他設備的廠房，即使屋架跨度不大，也往往由鋼制成。對于抗震能力要求高的結構，采用鋼結構也是比較適宜的 。重慶鵝公巖長江大橋 二.鋼結構的應用4.多層和高層建筑 由于鋼結構的綜合效益指標優(yōu)良，近年來在多、高層民用建筑中也得到了廣泛的應用。其結構形式主要有多層框架、框架支撐結構、框筒、懸掛、巨型框架等。天津市首座高層鋼結構建筑主體封頂二.鋼結構的應用5.高聳結構 高聳結構包括塔架和桅桿結構，如高壓輸電線路的塔架、廣播、通信和電視發(fā)射用的塔架和桅桿、火箭（衛(wèi)星）

11、發(fā)射塔架等。 圖為于千禧龍年金秋落成的龍塔-黑龍江省廣播電視塔，這座高度為336米，是當時的亞洲第一鋼塔，宛如一顆鑲嵌在龍江大地上的耀眼明珠，熠熠生輝，引人奪目。 黑龍江電視塔 二.鋼結構的應用6.可拆卸的結構鋼結構不僅重量輕，還可以用螺栓或其他便于拆裝的手段來連接，因此非常適用于需要搬遷的結構，如建筑工地、油田和需野外作業(yè)的生產和生活用房的骨架等。鋼筋混凝土結構施工用的模板和支架，以及建筑施工用的腳手架等也大量采用鋼材制作。 上圖為鳥巢建成后工人在拆卸鋼架二.鋼結構的應用7.容器和其他構筑物冶金、石油、化工企業(yè)中大量采用鋼板做成的容器結構，包括油罐、煤氣罐、高爐、熱風爐等。此外，經常使用的還有皮帶通廊棧橋、管道支架、鍋爐支架等其他鋼構筑物，海上采油平臺也大都采用鋼結構。大慶油田油罐二.鋼結構的應用8.輕型鋼結構鋼結構重量輕不僅對大跨結構有利，對屋面活荷載特別輕的小跨結構也有優(yōu)越性。因為當屋面活荷載特別輕時，小跨結構的自重也成為一個重要因素。冷彎薄壁型鋼屋架在一定條件下的用鋼量可比鋼筋混凝土屋架的用鋼量還少。輕鋼結構的結構形式有實腹變截面門式剛架、冷彎薄壁型鋼結構（包括金屬拱形波紋屋蓋）以及鋼管結構等?？偨Y從以上幾個方面的對比可以看出，鋼混結構建筑比傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑更具有優(yōu)越性，尤其