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钢结构技术发展概况

       钢是一种铁碳合金,人类采用钢结构的历史和炼铁、炼钢技术的发展是密不可分的。最早在公元前2000年左右,在伊拉克两河流域就出现了早期的炼铁术。我国也是较早发明炼铁技术的国家之一,早在战国时期,我国的炼铁技术已很盛行了。公元65年(汉明帝时代),已成功地用锻铁为环,相扣成链,建成了世界上最早的铁链悬桥--兰津桥。此后,为了便利交通,跨越深谷,曾陆续建造了数十座铁链桥。其中跨度最大的为1705年(清康熙)建成的四川泸定大渡河桥,桥宽2.8m,跨长100m。除铁链悬桥外,我国古代还建有许多铁建筑物,如铁塔等,目前依然存在。所有这些都表明,我们中华民族对铁结构的应用,曾经居于世界领先地位。欧美等国家中最早将铁做为建筑材料的当属英国,但直到1840年以前,还只采用铸铁来建造拱桥。1840年以后,随着铆钉连接和锻铁技术的发展,铸铁结构逐渐被锻铁结构取代,随着1855年英国人发明贝氏转炉炼钢法和1865年法国人发明平炉炼钢法,以及1870年成功轧制出工字钢之后,形成了工业化大批量生产钢材的能力,强度高且韧性好的钢材才开始在建筑领域逐渐取代锻铁材料,自1890年以后成为金属结构的主要材料。20世纪初焊接技术的出现,以及1934年高强度螺栓连接的出现,极大地促进了钢结构的发展。除西欧、北美之外,钢结构在前苏联和日本等国家也获得了广泛的应用,逐渐发展成全世界所接受的重要结构体系。
       钢结构的优点
       一般来说,材料的特性是推出新型建筑形式的出发点。钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的。和其它材料的结构相比,钢结构有如下一些特点。
       1.材料的强度高,塑性和韧性好钢材和其它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。良好的吸能能力和延性还使钢结构具有优越的抗震性能。另一方面,由于钢材的强度高,做成的构件截面小而壁薄,受压时需要满足稳定的要求,强度有时不能充分发挥。
       2.材质均匀,与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,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。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以得到严格控制,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是成材,加工比较简便,并能使用机械操作,因此,大量的钢结构一般在专业化的金属结构厂做成构件,精确度较高。构件在工地拼装,可以采用安设简便的普通螺栓和高强度螺栓,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。此外,对已建成的钢结构也比较容易进行改建和加固,用螺栓连接的结构还可以根据需要进行拆迁。
       4.钢结构的重量轻钢材的密度虽比混凝土等建筑材料大,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荷载,钢屋架的重量最多不超过钢筋混凝土屋架的1/3至1/4,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,如建造在交通不便的山区和边远地区的工程,重量轻也是一个重要的有利条件。
  当然任何一种材料都不是十全十美的,钢材的耐腐蚀性和耐火性就较为欠缺,在对结构进行防护时费用比钢筋混凝土结构高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中,构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆,锈蚀问题也并不严重。近年来出现的耐大气腐蚀的钢材具有较好的抗锈性能,已经逐步推广应用,并取得了良好的效果。钢材长期经受100℃辐射热时,强度没有多大变化,具有一定的耐热性能,但温度达150℃以上时,就须用隔热层加以保护。钢材不耐火,重要的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
       各类建筑钢结构的发展和技术特点
       (一)高层重型钢结构
       高层钢结构建筑是一个国家经济实力和科技水平的反映,又往往被当作一个城市的标志性建筑。从20世纪80年代至今已建成和在建高层钢结构达80多幢,总面积约600万平方米,钢材用量60多万吨。北京和上海新建和在建高层钢结构就超过10幢。如上海环球金融中心(101层、高492米、用钢量6.5万吨)、中关村金融中心(建筑面积11万平方米、高度为150米、用钢量1.5万吨)、LG大厦(建筑面积25万平方米、高度为110米、用钢量1.0万吨)等。今后,全国每年将有200~300万平方米高层钢结构建筑施工,用钢量约45万吨。
       (二)大跨度、空间钢结构(包括膜结构)
       近年来,以网架和网壳为代表的空间结构继续大量发展,不仅用于民用建筑,而且用于工业厂房、候机楼、体育馆、大剧院、博物馆等。无论在使用范围、结构型式、安装施工工法等方面均具有中国建筑结构的特色。如杭州、成都、西安、长春、上海、北京、武汉、济南、郑州等地的飞机航站楼、机库、会展中心等建筑,都采用圆钢管、矩型钢管制作为空间桁架、拱架及斜拉网架结构,其新颖和富有现代特色的风格使它们成为了所在城市的标志性建筑。
       据中国钢结构协会空间结构分会统计:网架和网壳的生产近三年已趋于平稳状态,每年建造1500座,约250万平方米,用钢约7万吨;空间桁架,2001年建造20座,60万平方米;悬索结构,1991年至今建造7座,15218平方米;膜结构,2001年建造40座,11.7万平方米;悬索和膜结构目前处于发展阶段,用量还不大,专家预计每年将以20%的速度增加。
       网架和网壳的设计规程正在修订,将合二为一;膜结构设计规程己经出版,而高中档膜材(如PTFE、ETFE)如今仍需进口。目前,国内已有多家膜结构工程公司,承担着众多体育场馆、机场、公园和街道景观的设计和施工。
       (三)轻钢结构
       轻钢结构是相对于重钢结构而言的,其类型有门式刚架、拱型波纹钢屋盖结构等,用钢量(不含钢筋用量)一般为每平方米约30公斤。门式刚架房屋跨度一般不超过40米,个别达到70多米,单跨或多跨均用,单层为主,也可用于二层或三层建筑,厂房单体面积已超过10万平方米;拱型波纹钢屋盖结构跨度一般为8米,每平方米自重仅为20公斤,每年增长约100万平方米,用钢4万吨。门式刚架和拱型波纹钢屋盖都有相应的设计施工规程、专用软件和通用图集。
       我国轻钢结构建筑发展较快、应用广泛,主要用于轻型工业的厂房、仓库、各类交易市场、体育场馆等建筑,全国每年新建轻钢房屋面积共800万平方米、用钢约20万吨。
       (四)钢-混凝土组合结构
       钢-混凝土组合结构是充分发挥钢材和混凝土两种材料各自优点的合理组合,不但具有优良的静、动力工作性能,而且能大量节约钢材、降低工程造价和加快施工进度,同时,对环境污染也较小,符合我国建筑结构发展的方向。
       自上世纪80年代开始,钢-混凝土组合结构在我国发展十分迅速,已广泛应用于冶金、造船、电力、交通等部门的建筑中,并以迅猛的势头进入了桥梁工程和高层与超高层建筑中。
       上世纪90年代,我国采用这种组合结构建成了世界跨度最大的公路拱桥,如广州丫鬓沙大桥,桥长360米,重庆万州长江大桥,跨度420米,前者为钢管混凝土拱桥,后者为劲性钢管混凝土骨架拱桥。全国已建成的组合结构拱桥已超过300座。
       在高层建筑方面,建成了全部采用组合结构的超高层建筑-深圳赛格广场大厦,高291.6米,属世界最高的钢-混凝土组合结构。全国已建成的采用组合结构的高层建筑也已超过40幢。
       (五)钢结构住宅
       发挥钢结构住宅的自身优势,可提高住宅的综合效益:
       1.用钢结构建造的住宅重量是钢筋混凝土住宅重量的1/2左右,可满足住宅大开间的需要,使用面积也比钢筋凝土住宅提高4%左右。
       2.抗震性能好,其延性优于钢筋混凝土。从国内外震后调查结果看,钢结构住宅建筑倒塌数量是最少的。
       3.钢结构构件、墙板及有关部品都在工厂制作,其质量可靠,尺寸精确,安装方便,易与相关部品配合,因此,不仅减少了现场工作量,而且也缩短了施工工期。钢结构住宅工地实质上是工厂产品的组装和集成场所,再补充少量无法在工厂进行的工序项目,符合产业化的要求。
       4.钢结构住宅在建造和拆除时对环境污染较少,且钢材可以回收,符合推进住宅产业化和发展节能省地型住宅的国家政策

我国钢结构存在的问题
       前我国钢结构行业还存在不少问题,主要包括:一是对钢结构产业是符合节能环保型、可持续性发展的行业认识还有待提高。最近几年日本、加拿大、英国政府和研究机构发表了很多文章,专门论述发展钢结构房屋的优点和措施,可供借鉴。二是设计理念不能适应市场需要。如目前超高层和有特殊要求的建筑大都由国外建筑师的方案中标,他们在规划、环境、建筑、功能上确有独特之处。但连接节点过于复杂,消耗过多的钢材并给制作和安装带来更多难题,也增加了工程成本。三是部分地区钢结构企业盲目上马,一哄而起,导致产能过剩并浪费大量资源。四是市场运行不规范,投标企业竞相压价加上钢材涨价,造成加工和安装企业亏损。五是钢结构科研开发资金不足,标准及规范修订周期太长;标准及应用规范、规程缺项、滞后;钢材标准与工程设计、施工规范规程衔接不上。六是钢结构加工厂和施工安装企业装备、计算机管理、劳动生产率还需进一步提高。七是钢结构专业技术人员、技术工人缺乏,尤其在中小企业更短缺,企业技术质量和管理工作都不适应生产的需要。八是行业协会作用和功能远未到位。特别在规范和引导市场秩序、服务于企业、开拓钢结构市场、标准规范的编制修订和专业人才的培养等方面,还有大量工作要做。

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