淺談對(duì)土木工程中鋼結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)

王朋

摘 要：鋼結(jié)構(gòu)由于其自重輕、強(qiáng)度高、工業(yè)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)代土木工程中得到廣泛的應(yīng)用，然而，鋼結(jié)構(gòu)如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出現(xiàn)缺陷，容易失穩(wěn)破壞造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失，本文先介紹土木工程鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，再研究其結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)，最后探討建筑鋼結(jié)構(gòu)廠房設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問題。

關(guān)鍵詞：土木工程；鋼結(jié)構(gòu)

1.土木工程中鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

1.1結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受或者容納作用效應(yīng)的能力

一般來說，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受或者容納作用效應(yīng)的能力由材料的強(qiáng)度來決定?？梢岳糜嘘P(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來確定結(jié)構(gòu)鋼的構(gòu)件性能，這些標(biāo)準(zhǔn)中列出了鋼結(jié)構(gòu)可使用的材料，比如建筑結(jié)構(gòu)鋼要滿足CSA標(biāo)準(zhǔn)ASTMstandardA992/A992M或者CAN/CSAG40.20/C40.21等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。近幾年來，建筑用鋼發(fā)生了很大的變化，過去的建筑結(jié)構(gòu)所用的抗拉強(qiáng)度以及屈服強(qiáng)度相關(guān)數(shù)據(jù)均摘自于CISC（2006）歷史記錄，而目前加拿大對(duì)于工程結(jié)構(gòu)鋼以及普通建筑結(jié)構(gòu)鋼的標(biāo)準(zhǔn)定出7個(gè)鋼種和8個(gè)強(qiáng)度級(jí)別。根據(jù)屈服強(qiáng)度其范圍為260～700Mpa。不過并不是全部的鋼種都有所有的強(qiáng)度級(jí)別，因此如果是一個(gè)特定的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，那么對(duì)鋼種類型和強(qiáng)度級(jí)別的選擇就非常重要。從整體來說，采用鋼結(jié)構(gòu)可以減少物料消耗、減輕結(jié)構(gòu)自重、降低支撐部件與地基的尺寸，最終降低整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)成本。

1.2鋼結(jié)構(gòu)可提供更大的空間利用率

由上可知，無(wú)論是從剛度、強(qiáng)度還是在延性方面，鋼結(jié)構(gòu)都要優(yōu)于鋼筋混凝土，并且鋼結(jié)構(gòu)可以比較容易建構(gòu)出有異國(guó)風(fēng)情的建筑形式，通常鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以提供最佳的設(shè)計(jì)靈活性以及最大的空間利用率。鋼結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是：它還是一個(gè)理想的懸臂施工體系。適當(dāng)?shù)膽?yīng)用空腹鋼托架以及構(gòu)件腹板開孔，可以為管道以及其它供電線路提供通道，不僅降低了樓層的高度，而且增加了審美吸引力。鋼架在鋼結(jié)構(gòu)中被用來擴(kuò)展現(xiàn)有的混凝土建筑結(jié)構(gòu)或者增加樓層。在進(jìn)行施工時(shí)，裝配鋼結(jié)構(gòu)的施工人員要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于混凝土建筑結(jié)構(gòu)所需要的人數(shù)；與混凝土建筑相比，鋼結(jié)構(gòu)的安裝以及制作質(zhì)量都要更加的可靠和簡(jiǎn)便。并且在修改時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)比混凝土結(jié)構(gòu)更加容易，成本更低，特別是要附加支撐系統(tǒng)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)可以更加快施工進(jìn)度。

1.3剛度振動(dòng)、變形等適用性參數(shù)

剛度振動(dòng)、變形等適用性參數(shù)由構(gòu)件的剛度來決定，進(jìn)而由結(jié)構(gòu)體系的剛度來決定。結(jié)構(gòu)體系的實(shí)際剛度又由其構(gòu)件和連接件的分布來決定。不過簡(jiǎn)單說來，構(gòu)件的剛度由材料的幾何截面特性以及材料的彈性模量來決定，結(jié)構(gòu)鋼的彈性模量通常為200GPa。而普通密度抗壓強(qiáng)度在20-40Gpa范圍內(nèi)的混凝土其彈性模量通常在20-28GPa范圍內(nèi)；即使對(duì)于高強(qiáng)度混凝土來說，其彈性模量也不過在40-45GPa之間，由此可見，鋼結(jié)構(gòu)的鋼性是混凝土的五倍到十倍左右，所以鋼結(jié)構(gòu)的剛性有著顯著的優(yōu)勢(shì)。

1.4鋼結(jié)構(gòu)的延性

延性指的是某種材料拉伸的過程中無(wú)斷裂的塑性變形能力。一般情況下延性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，特別是抗震設(shè)計(jì)中比較重要的特性參數(shù)，地震中幸存的建筑物直接依賴于主要結(jié)構(gòu)框架經(jīng)歷大的非彈性變形時(shí)的滯后耗能性。鋼結(jié)構(gòu)可以說是目前使用最廣泛的、韌性最好的工程材料之一。不過材料內(nèi)在的延性并不一定都會(huì)轉(zhuǎn)化為建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)在延性，因此要充分認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)策略和可靠、穩(wěn)定的滯消機(jī)制。通常一個(gè)設(shè)計(jì)具有延性響應(yīng)就要有足夠的材料截面、材料延性以及結(jié)構(gòu)延性和構(gòu)件延性。延性值的能力和需求要與變延性水平、曲率延性（構(gòu)件延性）以及位移延性（結(jié)構(gòu)延性）所匹配。不過雖然鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)變延性比較高，但是因?yàn)槭軓潣?gòu)件的受力不穩(wěn)定，所以構(gòu)件的曲率延性經(jīng)常不足。

1.5鋼結(jié)構(gòu)的韌性

韌性衡量材料斷裂前吸收能量以及塑性變形的能力的指標(biāo)就是韌性。它可以抵抗缺口部位的不穩(wěn)定裂紋的擴(kuò)展。韌性通常表示鋼結(jié)構(gòu)在制造、安裝以及使用過程中可以承受比較大的工業(yè)變形，是鋼結(jié)構(gòu)一個(gè)很重要的特點(diǎn)。正是因?yàn)殇摌?gòu)件的韌性才使其在彎曲、剪切、沖孔、鍛造、鉆孔等制作過程中降低了產(chǎn)生裂紋的可能性。鋼結(jié)構(gòu)足夠的斷裂韌性是必須具備的，特別對(duì)受到交變荷載以及沖擊荷載的建筑結(jié)構(gòu)來說更要具備此特性。鋼結(jié)構(gòu)的斷裂韌性對(duì)于溫度條件很敏感，并且隨著溫度的減小而降低。所以在天氣寒冷的地區(qū)設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)，首先要考慮韌性。相對(duì)來說，低碳鈮鋼比高碳鋼成分鋼更能改善韌性。

2.土木工程中鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1鋼結(jié)構(gòu)的不足

鋼結(jié)構(gòu)因其優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用，近年來產(chǎn)生的鋼結(jié)構(gòu)住宅也促進(jìn)了住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展進(jìn)程，尤其鋼結(jié)構(gòu)使用過程的環(huán)保性還符合社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需要，帶來了良好的綜合效益。但鋼材也存在其固有不足。比如鋼材的耐腐蝕性和耐火性較差，因此鋼結(jié)構(gòu)使用時(shí)需要進(jìn)行較嚴(yán)格的防護(hù)，其防護(hù)時(shí)費(fèi)用高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。鋼材雖有一定的耐熱性，但在溫度達(dá)150℃以上時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)需要加隔熱層加以保護(hù)。鋼材不耐火，重要的結(jié)構(gòu)必須注意采取防火措施。鋼材的強(qiáng)度高，所做構(gòu)件多數(shù)壁薄且截面較小，受壓時(shí)為了在強(qiáng)度與穩(wěn)定之間取得最優(yōu)，往往滿足了穩(wěn)定的要求，而使得強(qiáng)度不能充分發(fā)揮等。

2.2鋼結(jié)構(gòu)的材料優(yōu)勢(shì)

鋼結(jié)構(gòu)是用鋼板、熱軋型鋼或冷加工成型的薄壁型鋼制造而成的。和混凝土等其它材料的結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有諸多優(yōu)勢(shì)。首先，鋼材的強(qiáng)度高，塑性和韌性好。強(qiáng)度高使其適用于跨度大或荷載很大的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)，而塑性和韌性好使這些結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)力荷載的適應(yīng)性較強(qiáng)，不會(huì)輕易因超載而突然斷裂。鋼結(jié)構(gòu)還具有良好的吸能能力和延性，這賦予了鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)越的抗震性能。其次，鋼材內(nèi)部組織接近于勻質(zhì)和各向同性，在一定的應(yīng)力幅度內(nèi)鋼材的反應(yīng)幾乎是完全彈性的，加之冶煉和軋制過程中材質(zhì)波動(dòng)的范圍小，因此，鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況和工程力學(xué)計(jì)算結(jié)果比較符合，有助于提供設(shè)計(jì)施工的精確性。

3.建筑鋼結(jié)構(gòu)土木工程設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

3.1鋼材及連接材料的選擇

鋼結(jié)構(gòu)的主體材料就是鋼材，選用鋼材應(yīng)具有較高的質(zhì)量，既承受靜力荷載又承受動(dòng)力荷載。根據(jù)規(guī)范，承重結(jié)構(gòu)的鋼材宜采用Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼等，保證在抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服強(qiáng)度等方面滿足要求。對(duì)受拉和受彎的鋼材應(yīng)防止鋼材產(chǎn)生斷裂。與非焊接結(jié)構(gòu)鋼材相比，焊接結(jié)構(gòu)鋼材的質(zhì)量要求更高。對(duì)處于較低溫度環(huán)境下的焊接鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用化學(xué)成分和力學(xué)性能質(zhì)量較好的鋼材。焊接結(jié)構(gòu)和非焊接結(jié)構(gòu)在不同的工作溫度下選擇不同的鋼材質(zhì)量等級(jí)。隨著冶金技術(shù)、焊接工藝及構(gòu)件加工水平的不斷提高，新型材料的不斷出現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)材料將會(huì)有更多的選擇。

3.2鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕及防腐

鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的誘因很多。環(huán)境方面，應(yīng)避免鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露在相對(duì)濕度比較大的環(huán)境中，而且環(huán)境中的酸、鹽等化學(xué)物質(zhì)會(huì)加速鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕；其次是設(shè)計(jì)不合理，例如：鋼架和墻體相距太近；施工時(shí)由于涂料質(zhì)量控制及涂膜厚度的檢查不嚴(yán)格也會(huì)造成腐蝕。鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕生銹害處很大，既會(huì)降低鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和承載能力，又可能因腐蝕造成鋼結(jié)構(gòu)變形、斷裂、垮塌，一旦引發(fā)事故就會(huì)造成巨大損失。因此，做好防腐工作是鋼結(jié)構(gòu)建筑的重要工作，可以選用防腐涂料來預(yù)防鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕。從涂料的防腐年限、保光保色性、是否便于維修等方面進(jìn)行選擇，室外鋼結(jié)構(gòu)宜采用總漆膜厚度不小于150μm的長(zhǎng)效防腐涂料。室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)宜采用鐵紅醇酸底漆一度、云鐵醇酸防銹漆一度、醇酸面漆兩度，總漆膜厚度160μm。

結(jié)語(yǔ)：

鋼結(jié)構(gòu)具有多種優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代土木工程建設(shè)中被普遍應(yīng)用。施工單位在應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的時(shí)候，可以把鋼結(jié)構(gòu)與混凝土技術(shù)融合，加強(qiáng)建筑的效果。本文對(duì)土木工程中鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、不足及與混凝土聯(lián)用進(jìn)行了探討。

參考文獻(xiàn)：

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