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1、钢结构在建筑中的应用和发展前景摘要：本文主要介绍钢结构在土建工程中的应用，通过对钢结构的优点和缺点进行具体的分析，及与混凝土结构的鲜明比较，阐述了钢结构能够在各类建筑中广泛利用的原因，并对钢结构的应用范围作了相应的介绍 。同时，通过对国外建筑钢结构应用的了解与对比，说明钢结构在我国建筑中的发展前景与差距。关键词：钢结构 建筑应用 发展前景 Abstract：This paper describes the application of steel in civil engineering, steel structures through the specific strengths and
2、weaknesses analysis, and sharp compared with the concrete structure, steel structure can be described in extensive use in various construction reasons, and Scope of application of steel introduced accordingly. Meanwhile, the application of foreign steel structure understanding and comparison, that s
3、teel in construction and development prospects in the gap.Keywords：steel structure; building application; Prospects1 引言结构设计的基本任务是在结构的可靠度和经济之间选择一种合理的平衡，力求以最低的代价，使建造的结构在规定的条件和使用期内，能够满足预定的安全性，适用性和耐久性等功能要求，这就要求设计人员在安全和经济综合考虑，合理的结构体系之关重要，目前的主要的是混凝土结构和钢结构，由于混凝土结构很多缺点，和科技的进步和环保意识的提高，钢结构得到了很大的发展。钢结构作为建筑体系的优
4、势在于，钢结构有利于工业化和产业化的生产，钢结构是绿色建筑，节能建筑，钢结构提高了空间的利用率，钢结构建筑的重量轻，体量小，而且本身有良好的延性，因此钢结构的抗震性能非常好，钢结构的施工周期短，提高了资金投资的效益和施工现场文明。目前国内外的建筑结构主要是混凝土结构和钢结构，混凝土结构目前在我国应用较多，而钢结构的应用没有混凝土那样的普遍，但其发展具有很大的潜力。由于混凝土结构有很多缺点，和科技的进步和环保意识的提高，钢结构得到了很大的发展。2 钢结构的特点钢结构与其他建筑结构如混凝土结构、砖石结构和木结构相比，钢结构具有三个显著特点：一是力学性能；二是物理性能，钢材是一种低碳建筑材料，可以循
5、环利用；三是化学性能，钢材的抗腐蚀性较差。具体如下：1） 材料的强度高，塑性和韧性好。钢材和其他建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比，强度要高得多。因此，特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。钢材还具有塑性和韧性好的特点。塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂；韧性好，结构对动力荷载的适应性强。良好的吸能性能和延性还使钢结构具有优越的抗震性能。2） 材质均匀，和力学计算的假定比较符合。钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性体，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。钢材在冶炼和扎制过程中质量可以严格控制，材质波动的范围小。3） 钢结构制
6、造简便，施工周期短。钢结构所用的材料单纯而且成材，加工比较简便，并能使用机械操作。构件在工地拼装，可以采用安装简便的普通螺栓和高强螺栓，有时还可以在地面拼装和焊接成较大的单元再行吊装，以缩短施工周期。4） 钢结构的质量较轻。钢材的密度虽比混凝土等建筑材料的密度大，但钢结构却比钢筋混凝土结构轻，原因是钢材的强度与密度之比要比混凝土大得多。以同样的跨度承受同样的荷载，钢屋架的质量最多不过钢筋混凝土屋架的 1/41/3,冷弯薄壁型钢屋架甚至接近 1/10，为吊装提供了方便条件。对于需要远距离运输的结构，质量轻也是一个重要的有利条件。屋盖结构的质量轻，对抵抗地震作用有利。5） 钢材耐腐蚀性差。钢材耐腐
7、蚀的性能比较差，必须对结构注意防护。尤其是暴露在大气中的结构如桥梁，更应该特别注意。钢结构的这种性能使结构的维护费用比钢筋混凝土结构的高。但近几年出现的耐候钢具有较好的抗锈蚀性能，已经逐步推广应用。6） 钢材耐热但不耐火。钢材长期经受 100.。 C 有多大变化，具有一定的耐热性能；但温度达到 150。 C 用隔热层加以保护。钢材不耐火，重要结构必须注意采取防火措施。例如，利用蛭石板、蛭石喷涂层或石膏板等加以防护。3 钢结构的应用范围钢结构的合理应用范围不仅取决于钢材本身的特点，还受到国民经济发展情况的制约。从建国到 20 世纪 90 年代中期，钢结构的应用经历了一个“节约钢材”阶段，即在土建
8、工程中钢结构只用在钢筋混凝土不能代替的地方。原因是钢材短缺：1949 年全国钢产量只有十几万吨，虽然大力发展钢铁工业，钢产量一直跟不上社会主义建设宏大规模的要求。直到 1996 年钢产量达到一亿吨，局面才得到根本改变，钢结构的技术政策改成“合理使用钢材” 。而国外钢结构的应用远远走在了我们的前面，如，美国钢结构建筑的主要市场分布：工业、商业、社区、综合等方面，分别占到 46%、31% 、 14%和 9%的份额。所以，钢结构在土建工程中的应用日益扩展。1）低层、多层建筑钢结构和轻钢结构。所谓低层建筑是指层高低于 18m，层数不超过5 层的工业厂房、仓库、办公室及其他的办公和社区建筑等。轻钢结构建
9、筑在一些发达国家已被广泛应用于工厂、仓库、体育馆、展览馆、超市等建筑。所谓轻钢是指以彩钢板作为屋面和墙面，以薄壁型钢作檩条和圈梁，以焊接H型截面做主梁，现场用螺栓或焊接拼接的门式刚架为主要结构的一种建筑，再配以零件、扣件、门窗等形成比较完善的建筑体系，即轻钢结构体系。这种体系由工厂制作，现场按要求拼装形成。具有自重轻，建设周期短，适应性强，外表美观，造价低，易维护等特点。由于自重轻，也降低了基础的造价。国外轻钢结构厂商如 Butler、 BHP、ABC 等都已经进入了中国市场，我国应奋起直追，创造条件积极发展我国自己的轻钢结构体系，以适应今后我国建筑钢结构不断发展的要求。2）高层及超高层钢结构
10、。由于人类文化生活不断提高，对高层、大跨度建筑的要求也就越来越高。而钢结构本身具备自重轻，强度高，施工快等独特优点，因此对高层、大跨度，尤其是超高层、超大跨度，采用钢结构更是非常理想。巨型钢结构为高层或超高层建筑的一种崭新体系，它是为了满足特殊功能或综合功能而产生的。它具有良好的建筑适应性和潜在的高效结构性能，是一种很有发展潜力的结构。如日本千叶县 43 层、高 180m 的 NEC 大楼，该建筑内部布置大开口和大空间庭院，其巨型结构是由四根巨型结构柱和四个巨型的空间桁架梁组成的巨型空间桁架体系。这种体系具有极强的抗侧移刚度。另一例是德国法兰克福 1997 年建成的商业银行新大楼，63 层、高
11、 298.74m，也是欧洲最高的一栋超高层建筑。该建筑平面为边长 60m 的等边三角形，其结构体系是以三角形顶点的三个独立框筒为“巨型柱” ，通过八层楼高的钢框架为“巨型梁”连接而围成的巨型筒体系，具有极好的整体效应和抗侧移刚度，其中“巨响梁”产生了巨大的“螺旋箍”效应。香港汇丰银行也属于这类巨型钢结构大厦。 3）大跨度钢结构。大跨度或较大跨度大都采用钢结构，当然也有用“膜”完成的，但由于充气膜本身具有的一些缺点近年来很少用，张力膜也需要钢索和钢杆的支撑。大跨度钢结构多用于多功能场馆，会议展览中心，博览馆，候机厅，飞机库等。最早跨度最大的平板网架是 60 年代美国洛杉矶加里福尼亚大学体育馆 9
12、1m122m。最大的双层网壳是 70 年代也是在美国建造的休斯敦宇宙穹顶及新奥尔良超级穹顶。90 年代在日本名古屋又兴建了当今世界上最大跨度的单层网壳，建筑直径 229.6m，结构直径 187.2m，采用三向网格，节点为能承受轴力和弯矩的刚性节点。世界上最大的室内体育馆是美国 1996年奥运会的主体育馆亚特兰大体育馆，采用的是张拉整体体系的屋盖，主要由索、杆、膜组成，是当今最有发展前途的一种新型空间结构。当然，从力学角度来讲，跨度再大的结构也是有可能实现的，为此，日本、美国学者和研究单位都在进行研究。在桥梁方面，1000m 左右跨度已经实现，世界上跨度最大的斜拉索桥为日本的多多罗大桥全长为89
13、0m；最大的悬索桥为日本的明石海峡大桥，公路铁路两用最大跨度桥为香港的青马大桥。世界最早的双曲抛物面悬索屋盖是著名的美国雷里竞技馆。国际上以及我国都在流行一种波浪形曲面，树状支承以及直接交汇的相贯节点的立体桁架体系。看起来雄壮而美观。我国深圳机场、首都机场、上海浦东机场就是典型的例子。4)其他钢结构建筑类型。如，重型厂房结构、受动力荷载影响的结构、可拆卸的结构、容器以及海上采油平台等其他钢结构构筑物。由于钢材具有良好的韧性、较高强度以及质轻等优点 ，即使建筑地基条件差的场地，层数小不是太高的建筑也因钢结构特有的优越性而降低基础工程造价，钢结构仍然可能是首选。在地价高昂的区域，钢结构则以占用土地
14、面积小而显示它的优越性。工期短，投资及早得到回报，是有利于选用钢结构的又一重要因素。施工现场可利用的面积狭小，也是需要借重钢结构的一个条件。因此，钢结构因其诸多优点而广泛应用于其他非住宅类建筑。4 钢结构的发展近数十年来，前苏联、美国、日本三个国家一直是世界上钢产量居前三位的国家，其钢产量轮流位居世界第一位。因此，这几个国家的建筑钢结构建设事业蓬勃发展。而在同一时期， 我国在这方面的发展则比较缓慢，水平也相对落后。近几年来，随着我国改革开放政策的实行和推进，我国的经济建设工作取得了突飞猛进的进展。在此期间，我国的钢产量一跃成为世界第一位。1996 年，我国钢产量首次突破亿吨大关；1998 年我
15、国钢产量已达 11434 万 t，而且每年增产 300 万 t.钢产量的增长为发展我国建筑钢结构建设事业创造了极好的时机。同时，钢结构在我国发展迅速，应用扩大、用量增大，涌现出一大批优秀钢结构设计人员，设计软件和科研成果不断开发，修订了钢结构设计、施工、质量验收规范，编写技术规程、设计图集 90 多本，出版了大量钢结构专业教材，论文著作和应用手册。钢结构设计规范修订已经启动，钢材单设一章，钢材产品标准修订基本完成。一大批有实力的钢结构安装企业承担了国内重点大型钢结构工程安装，新技术、新工艺、新设备层出不穷，其施工安装水平达到了国际先进水平。钢结构配套产品齐全。2007 年 10 月经科技部批准
16、成立的“国家钢结构工程技术研究中心”在中冶集团建筑研究总院成立。2008 年 6 月上海同济大学成立建筑钢结构教育部工程研究中心。根据协会这几年陆续统计出来的数据显示，近几年钢结构消耗钢材的总量，2000 年为 850 万吨，今年应该在 2300 万吨左右，到2010 年达到 2600 万吨，占钢材产量从现在的 4.28%，发展到 2010 年达到 5.5%。这充分说明我们钢结构行业有很大的发展空间，发展的情况基本上还比较正常。5 我国建筑钢结构与国外的差距从美国、日本、欧洲一些发达国家的经验看，建筑业即将成为钢材的主要市场。而目前我国与之相比还有差距。因此我国的高层建筑钢材到目前为止还都从国外进口，特别是大于 50mm 的厚钢板，国产产品的 Z 向性能尚达不到要求。国外不仅钢板厚度较大，而且可以满足各种性能要求。如日本已经能够生产的 100mm 的厚钢板，具有以下类型：有高强度低预热型（以前预热 75，现在预热 50）的厚钢板 590N/mm2 级（HT590 级） ；抗地震的厚钢板，主要有低屈服比高强度钢材（HT590 HT
