为什么 现在的钢结构建筑越来越多?

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建筑结 构是否安全可靠,不但涉 及到生命和财产的安全,还会造 成一定的社会影响因此,我们首 先要对建筑结构的特点有一个全面的了解。由于钢 结构主要是由钢板、热轧 型钢或冷弯薄壁型钢,通过各种连接、制造、组装而成,与其他 材料的建筑结构相比,具有不同的特点。

一、钢结构的优点

1、强度高,质量轻

建筑钢 材与其他建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比,强度要高得多,弹性模也高,因此结 构构件质量轻且截面小。结构的 轻质性可以用材、料的质 量密度与强度的比值α。来衡量,α值越小,结构相对越轻。建筑钢材的α值为1.7x10-4 m-1,木材为5.4x10-4 m-1 ,钢筋混凝土约为18x10-4 m-1 。以相同 跨度且承受同样荷载的简支屋架为例,钢屋架 的重量最多不过是钢筋混凝土屋架的1/4~1/3 ,冷弯薄 壁型钢屋架甚至接近 1/10。

由于在 同样受力条件下的钢结构自重轻,不但可 以显著减小地震作用,进而减小结构 内力,还可以 降低基础的造价,这个优 势在软土地区更加明显。此外,构件轻巧也便于运 输和安装。因此,钢结构 特别适用于超高层、大跨度建筑,重型工业厂房,以及桥梁、塔桅等构筑物,国内外 有许多著名建筑均采用钢结构或钢与其他材料组成的组(混)合结构。

2、材料均匀,塑性、韧性好,抗震性能优越

由于钢材组织均匀,接近各向同性,而且在 一定的应力幅度内几乎是完全弹性的,弹性模量大,有良好的塑性和韧性,为理想的弹性—塑性体。钢结构 的实际工作性能比较符合目前采用的理论计算模型,因此可靠性高。

钢材塑性好,可以使 钢结构不会因偶然超载或局部超载而突然断裂破坏:钢材韧性 好,有利于 钢结构适应振动荷载,地震区 房屋采用钢结构比其他材料的工程结构更耐震。钢结构 一般是地震中损坏最少的结构,表 框架与 混凝土框架的破坏对比情况,即能说明这一点。

3、制造简单,工业化程度高,施工周期短

钢结构 所用的材料单纯,且多是 成品或半成品材料,加工比较简单,并能够使用机械操作,易于定型化、标准化,工业化生产程度高。因此,钢构件 一般在专业化的金属结构 加工厂制作完成,精度高,质量稳定,劳动强度低。

钢构件在工地拼装时,多采用 简单方便的焊接连接或螺栓连接,钢构件 与其他材料构件的连接也比较方便。有时钢 构件还可以在地面拼装成较大的单元甚至拼装成整体后再进行吊装,可以显 著降低高空作业量,缩短施工工期。施工周期短,使整个 建筑更早地投入使用,不但可 以缩短资金流动周期,而且提 前收到投资回报,综合效益高。

4、 密闭性好

钢材及其连接(如焊接)的水密 性和气密性都比较好,适宜做 要求密闭的板壳结构,如高压容器、油库、气柜、管道等。

5、 构件截面小,有效空间大

由于钢材的强度高,构件截面小,所占空间也就小。以相同 受力条件的简支梁为例,混凝土 梁的高度通常是跨度的1/10~1/12.而钢梁约为1/16~1/12,如果钢 梁有足构的侧向支撑甚至以达到1/20.有效增 加房屋的层间净高。在梁高相同的条件下,钢结构 的开间可以比混凝土结构的开间大约50%。更好地 满足建筑上大开间、 灵活分割的要求。柱的截面尺寸也类似,避免了“粗柱笨梁”现象,室内视觉开阔, 美观方便。

另外,民用建 筑中的管道很多,如果采用钢结构,可在梁 腹板上开洞以穿越管道,如果采用混凝土结构,则不宜开洞,管道一般从梁下通过,要占用一定的空间。在楼层 净高相同的条件下,钢结构 的楼层高度要比混凝土的小,可以减小墙体高度,并节约室内空调 所需的能源,减小房 屋维护和使用费用。

6、 节 能 、环 保 板

与传统 的砌体结构和混凝土结构相比,钢结构 属于绿色建筑结构体系。钢结构 房屋的墙体多采用新型轻质复合墙板或轻质砌块,如高性能NALC(配筋加气混凝土板 )、复合夹心墙板、幕墙等;楼(屋)面多采用复合楼板,例如压型钢板 混凝土组合板、轻钢龙 骨楼盖等,符合建 筑节能和环保的要求。

钢结构 的施工方式为干式施工,可避免 混凝土湿式施工所造成的环境污染。钢结构材 料还可 利用夜间交通流畅期间运送,不影响 城市闹市区建筑物周围的日间交通,噪声也 小。另外,对于已 建成的钢结构也比较容易进行加固和改造,用螺栓 连接的钢结构还可以 根据需要进行拆迁,也有利 于保护环境和节约资源。

二、钢结构的缺点

1、结构构件刚度小,稳定问题突出

由于钢材轻质高强,构件不但截面尺寸小,而且都 是由型钢或钢板组成开口或闭口截面。在相同 边界条件和荷载条件下,与传统 混凝土构件相比,钢构件的长细比大,抗侧刚度、抗扭刚 度都比混凝土构件小,容易丧失整体稳定;板件的宽厚比大,容易丧失局部稳定;大跨度 空间钢结构的整体稳定问题也比较突出,这些都 是钢结构设计中最容易出现问 题的环节。古今中 外因丧失稳定而引起的工程事故不胜枚举,变形就大,在动力 荷载作用下也容易振动。

2、钢材耐热性好,但耐火性差

钢材随着温度的升高,性能逐渐发生变化。温度在250°C以内时,钢材的 力学性能变化很小,达到250°C时钢材有脆性转向(称为蓝脆),在260~320°C之间有徐变现象,随后强度逐渐下降,在450~540°C之间时强度急剧下降,达到650°C时,强度几乎降为零。因此 ,钢结构 具有一定的耐热性,但耐火性差。

《钢结构设计规范》规定,当钢构 件表面长期受辐射热达到150 ℃以上或 在短时间内可能受到火焰作用时,应采取 有效的防护措施(如加隔热层等);有特殊防火要 求的建筑,钢结构 更需要用耐火材料围护。对于钢 结构住宅或高层建筑钢结构,应根据 建筑物的重要性等级和防火规范加以特别处理。例如,采用蛭石板、蛭石喷涂层、石膏板或 NALC板等加以防护。防火处 理使钢结构的造价有所提高。

3、钢材耐腐蚀性差,应采取防护措施

钢材易于锈蚀,处于潮 湿或有侵蚀性介质的环境中更容易因化学反应或电化学作用而锈蚀,因此,钢结构 必须进行防腐处理。一般钢 构件在除锈后涂刷防腐涂料即可,但这种 防护措 施并非一劳永逸,需相隔 一段时间重新维修,因而其维护费用较高。 对于有 强烈侵蚀性介质、沿海建 筑以及构件壁厚非常薄的钢构件,应进行特别处理, 如镀锌、镀铝锌复合层等,这些措 施都会相应提高钢结构的工程造价。目前国内外正发展 不易锈蚀的耐候钢,此外,长效油 漆的研究也取得进展,使用这 种防护措施可延长钢结构 寿命,节省维护费用。

4、钢结构 厂房在低温或其他条件下,可能发生脆性断裂

钢材在负温环境中,塑性、韧性逐渐降低,达到某 一温度时韧性会突然急剧下降,称 为低温冷脆,对应温 度称为临界脆性温度。低温冷 脆也是国内外一些钢结构工程在冬季发 生事故 的主要原因之一(表 另外,钢材在反复荷载、复杂应力、突然加载、冷作及时效硬化、焊接缺陷等条件下 也容易脆断。


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