金属结构在建筑结构中的应用

金属结构在建筑结构中的应用金属结构制造是指以铁、钢或铝等金属为主要材料，制造金属构件、 金属构件零件、建筑用钢制品及类似品的生产活动，这些制品可以运输， 并便于装配、安装或翌立仗由建筑企业在建筑工地进行）。其中以钢结 构制造运用范围最为广泛，而建筑用钢制品在钢结构制造中占比例最大， 为了扩大公司金属结构制造业务的范围，可以考虑进入建筑市场发展。一、钢结构发展历程近几年来，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年我国钢产量已达 11434万而且每年增产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。到2010年钢结构 消耗钢材总量为2600万吨，占钢材产量的，这比例每年都在增长。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。二、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- 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。7. 环保效果好。钢结构住宅施工时大大减少了砂、石、灰的用量， 所用的材料主要是绿色，100%回收或降解的材料，在建筑物拆除时，大 部分材料可以再用或降解，不会造成垃圾。8. 符合和可持续发展的要求。钢结构适宜工厂大批量生产，工业化 程度高，并且能将节能、防水、隔热、门窗等先进成品集合于一体，成 套应用，将设计、生产、施工一体化，提设产业的水平。三、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 18n),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 薄壁型钢作檬条和圈梁，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。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298. 74n），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91mX122mo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890m；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。四、钢结构建筑发展前景目前，国内高层钢结构钢材几乎都从国外进口，工程总承包由国外 承担，制造和安装则由国内廉价劳动力承包，这种局面应从速扭转因为 这与我国产钢大国的地位很不相称。大跨度钢结构钢材不像高层钢结构 那样突出，但设计方案经常国外中标，这种局面与中央强调建 立我们自 己的创新体系的号召相距甚远，我国钢结构产业必将进入跨越式发展的 新阶段。发展钢结构住宅是我国住宅产业化的必由之路。住宅产业化是我国 住宅发展的必由之路，这将成为推动我国经济发展新的增长点。钢结构 住宅体系易于工业化生产，标准化制作，与之相配套的墙体材料可以采 用节能、环保的新型材料，它属绿色环保性建筑，可再生重复利用，符合 可持续发展的战略，因此钢结构体系住宅成套技术的研究成果必将大大 促进住宅产业的快速发展，直接影响着我国住宅产业的发展水平和前途。随着钢结构建筑的发展，钢结构住宅建筑技术也必将不断的成熟， 大量的适合钢结构住宅的新材料也将不断的涌现，同时，钢结构行业建 筑规范、建筑的标准也将随之逐渐完善。相信不久的将来，钢结构住宅 必然会给住宅产业和建筑行业带来一声深层次的革命。“钢结构是环保住宅，钢结构符合可持续发展概念” 一一 21世 纪钢结构将占领广阔的建筑市场。在我国目前大力推广住宅产业化的时 代背景下，钢结构体系必将成为住宅体系的主流。展望未来，随着经济 等建筑物的需求十分旺盛。这将为钢结构的发展提供更多机会，钢结构 制造需求也将得到跨越式的提高。现在我国钢结构形势已进入一个新阶段，有关规范和标准已出台， 国内钢产量充足，为钢结构住宅的发展提供了较好的物质和技术基础。 应及时把握其发展趋势，结合我国国情，积极借鉴并吸纳国外成熟技 术，注意各专业间的相互配合，促进钢结构住宅产业化发展，相信我国 钢结构住宅的发展前景是美好的。