浅谈我国钢结构技术

时间：2019-02-09 00:09:35 来源：建筑之家

随着高速化发展的中国，混凝土结构发展已经很成熟了，而钢结构技术发展迅速，以后钢结构技术将成为未来建筑业的主流。

钢结构的发展状况

(一)我国建筑业持续、稳定的发展我国经济持续快速发展，建筑业作为国民经济的支柱产业，更是发展迅速，成为拉动国民经济快速增长的重要力量。

(二)建筑钢材数量、品种、质量已基本满足钢结构行业发展的需要。

(三)钢结构企业发展迅速、应用领域不断扩大。

各地成立了一些钢结构设计研究所，专门从事钢结构的结构设计、详图设计和咨询工作。涌现出一大批优秀钢结构设计机构，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、设计图集等90多本，出版了大量钢结构专业教材、论文著作和应用手册。新技术、新工法、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(包括高强螺栓、栓钉、各类焊接材料、各种连接件及保温隔热材料)，加工设备制造厂发展迅速，满足了钢结构行业的需求。

钢结构的发展和技术特点

厚钢板焊接技术

目前国内钢结构建筑大量出现，建筑钢结构的用量占全国年钢产量的比例不断增大在许多超高层建筑和大跨度建筑中，为满足建筑造型和结构设计的需求，大量使用到厚钢板(一般指30～60mm以上)及超厚钢板(一般指60mm以上)。比如2007年封顶的上海环球金融中心使用的钢板最大厚度为100mm，其中40mm以上钢板用量占钢结构总量的60％以上；在建的央视新台址工程最大钢板厚度达到110mm，其外框筒结构中大量使用到60～100mm钢板，厚板约占钢结构总量的70％。

厚板现场焊接具有以下特点：

(1)现场焊接的作业环境相对较差。由于现场焊接属于室外作业，而且一般工程施工的时间跨度较大，现场焊接作业需要经历冬季和夏季的转换，还可能遇到人风、暴雨和浓雾等不利气象条件的影响。尤其在超高层钢结构施工中，高空的作业环境湿度大、风力大、温度低。

(2)现场焊接位置受到周边环境的限制，焊接难度较大。因为构件一旦安装就位，焊接位置就不能改变，而且不能像在工厂焊接时，可以利用行车及焊接作业平台对构件进行翻转及换位。

(3)现场厚板焊接填充量较大。如一条1000mm长的焊缝，板厚100mm，采用CO2气体保护焊，需要连续焊接6h。

近年来，现场厚板焊接普遍采用药芯焊丝CO2气体保护焊。药芯焊丝CO2气体保护焊兼有气保焊和手工焊两方面的优点，工艺性能好、易操作、施工效率高，是焊条电弧焊的3～4倍，冶金反应完善、工艺性能好、晶问腐蚀性能及低温冲击性能均较理想；特别是弧稳，飞溅少，焊缝成形光滑美观，熔敷效率高，一般可达75％～85％，而且适用于全位置焊。厚板现场焊接最为常见的焊接缺陷是层状撕裂和焊接裂纹，最常见的施工质量问题是焊按变形过大。

钢与混凝土组合结构技术

目前，钢—混凝土组合结构在房屋建筑、桥梁、地下建筑、海洋工程、特殊容器等领域得到重视，并不断发展。新材料还在不断涌现，还会出现新的组合结构。但就目前来说，在土木工程领域内，从经济与实用的角度来看，钢和钢筋混凝土之间的搭配是最合适的。

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。

组合特点

组合板的特点

组合板又分为压型钢板组合板与混凝土组合板，压型钢板本身可作屋面板以及墙板，与混凝土组合在一起有很多优点：

(1)压型钢板可作为混凝土的受拉加强部分，用以抵抗板面荷载产生的板底拉力，与混凝土共同抵抗剪力，除了在适当部位要设置钢筋减轻混凝土收缩以及温度变化的影响外，不必再另设钢筋。

(2)压型钢板相当平整，可直接作为混凝土楼层的顶棚，省工省料，增加了楼层的有效空间，可适当降低层高，节省投资。

(3)由压型钢板作为其永久性的模板，不再需要安装、拆模，方便施工。

(4)由于压型钢板本身具有相当的承载力，允许本层浇灌的混凝土尚未达到设定强度值前就可以继续进行上层混凝土的浇筑．使施工进度加快。

组合梁的特点

组合梁首先从截面组成上充分发挥了型钢与混凝土材料各自的特长，与钢筋混凝土梁相比，还有以下优点：

(1)节约钢材，由于截面材料受力合理，混凝土替代部分钢材工作，使其用钢量大幅度下降。如采用塑性理论进行设计，还可降低造价。

(2)减小截面高度，由于相当宽的混凝土板参与抗压，组合梁的惯性矩比钢梁的大得多。可以达到降低梁高、增加层净高的效果。

(3)延性好，由于耗能能力强，整体稳定性又好，在实际地震中表现出良好的抗震性能。

(4)刚度好，混凝土板与钢梁共同工作，抗弯模量增大，致使挠度减小，刚度增大。

(5)抗冲击、抗疲劳性能好，实际工程表明用于梁桥、吊车梁的组合梁比钢梁具有更好的抗冲击、抗疲劳能力，引起的损伤较小，比起钢吊车梁使用寿命提高了。

组合楼盖的特点

组合板与钢梁相结合而成的组合楼盖，不但满足了结构的功能要求技术经济指标，其主要优点如下：

(1)钢—混凝土组合楼盖合理地利用了材料，充分发挥了钢和混凝土各自的材料特性，与钢结构方案相比，通常可节约钢材20％～40％。

(2)在钢—混凝土组合楼盖中，混凝土板成为组合梁截面的受压翼缘，与采用钢结构方案的钢梁相比，组合梁的承载力可提高20％～30％。

(3)由于混凝土板成为组合梁截面的一部分，使截面的高度增大，提高了梁的刚度。因此。对于同样刚度要求的楼盖结构来说，采用钢—混凝土组合楼盖，梁的挠度可减少约20％，楼盖结构高度可降低约15％～20％，不但节约了竖向结构材料，而且大大减轻地基荷载。

(4)组合梁截面的上翼缘为宽大的混凝土板，增强了组合梁截面中钢梁的侧向刚度，可以防止钢梁在使用荷载下发生扭曲失稳。

(5)与钢结构方案相比，钢—混凝土组合楼盖的整体性强，抗剪性能好，耐震性能大大提高。

(6)可利用钢梁作为混凝土板的模板支撑，并承担作用在钢梁上的混凝土板重和施工荷载，无需从地面搭设满堂红脚手架，加快了施工进度。

(7)与混凝土楼盖相比，钢—混凝土组合楼盖可以在钢梁上焊接托架或牛腿，供支撑室内所敷设的管线，不必像混凝土梁那样需在混凝土中埋设预埋件。

住宅钢结构技术

近年来，各地已建成一大批钢结构住宅。从结构体系方面划分，大致有钢框架—混凝土核心筒(剪力墙)体系、钢—混凝土组合结构体系、框架体系、框架—支撑体系和轻钢龙骨(冷弯薄壁型钢)体系。但不管是低层低密度的小住宅还是多高层住宅，采用钢结构的比例都还很少。

据统计，我国目前住宅年竣工面积为12亿平方米~14亿平方米，其中钢结构住宅的所占比例不足1%，而发达国家一般都在40%以上，两者相去甚远，但同时表明我国钢结构住宅的发展前景广阔。

特点

1.结构自重轻。根据比较，相同的建筑造型，六层钢结构住宅重量仅相当于四层砖混结构住宅的重量。建筑总质量小，地震力效应小，且延性好，相应抗震性能优良。

2.材料各向同性，符合力学假定，提高了设计精度。

3.由于工厂化加工制造，精度高，易于保证质量，与混凝土相比，更符合结构设计要求。同时施工速度快，工期缩短40%以上，可使建筑物更早的投入使用，提早产生效益。

4.在设计中由于业主的要求，经常要进行变更，采用钢结构较易配合变更。施工时干式作业减少了对环境的污染，且构件运输方便，费用低。

5.可在梁腹板处开孔走管道，不像混凝土结构在梁底通过。因此在楼层高度一样的情况下，采用钢结构可提高层间净高。

6.轻质高强，简单实现大跨与复杂几何结构，创造开放式住宅。传统结构(砖混、混凝土)由于受材料限制，其开间一般在3.0m、3.3m、3.6m、4.2m.如果需要更大开间，则会造成“肥梁胖柱”，房高也会受到影响。而在梁高相同的情况下，钢结构开间可比混凝土大50%.在梁柱等强度条件下，可增加建筑有效使用面积5%～7%.

钢混结构在建筑节能方面有明显的优势。由此可见，钢结构住宅不仅加快了国家和城市的发展速度，带动了与之相关的其它行业的发展，还提高了住宅质量和人们的居住水准，而且它作为一种商品综合经济效益高，可使买卖双方都获得利益。钢结构住宅还促进了住宅产业化的发展进程，尤其是使用材料的环保性，给社会带来良好的综合效益，而与之相比的钢混和砖混等传统结构住宅越来越暴露出它们的缺点，和对发展的阻碍，取而带之的钢结构已经到了势在必行的阶段，这也正是现阶段发展钢结构住宅的原因。

住宅钢结构存在的问题

我国钢结构住宅推进速度相对缓慢，缓慢的原因是多方面的，最主要的：

一是政府的政策推动力度不够，对钢结构住宅的试点工程、科研项目和工业化项目，在税收、资金、项目审批等方面欠缺必要的搀扶和倾斜。

二是政府对钢结构住宅的导向偏失，推广的以别墅为主，不足以惠及泛博人民群众；

三是钢结构住宅的配套举措措施和围护结构材料紧缺，现有的墙体材料机能和安装方法很难达到钢结构住宅在防热、保温、通气、防渗以及耐久性等方面的过硬要求；

四是钢结构住宅现有技术水平不高，人才缺乏，开发研究程度不够，尺度体系不健全。

我国钢结构行业发展存在的主要问题

1.对钢结构产业是符合节能环保和可持续发展型的行业的认识还待于提高。最近几年，日、加、英等国的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。

2.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设计的方案中标，虽然他们的设计理念确有独特之处，但连接节点却过于复杂，不仅耗材，而且也为制作和安装带来了诸多难题，使工程成本过大。

3.部分地区钢结构企业盲目上马，一哄而起，造成户产能过剩，浪费大量资源。加之钢材涨价，市场无序竞争，竞相压价造成加工和安装企业亏损。

4.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。

5.钢结构加工厂和施工安装企业的装备、计算机管理水平、劳动生产率还需进一步改进和提高。 6.钢结构专业技术人员缺乏，尤其在中小企业更缺少。企业产品质量和管理工作不能适应市场的需要。

7.行业协会的作用和功能远未到位。特别在规范和引导市场秩序、服务企业、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仍有大量工作要做。

结束语

钢结构以其独特的优越性在建筑工程中得到广泛应用,特别是高层、超高层、轻型钢结构,大跨度结构等应用的比较多。这是由于钢结构有许多优点,如强度高、塑性、韧性好、重量轻、材质均匀、制作简单、施工方便、工期短、节能环保、综合技术经济指标优、建筑造型美观、抗震性能好等优点。当然它的缺点是耐火度不够,耐腐蚀性差,造价稍高等。但综合来评定,钢结构优点多，缺点易克服。

它仍是结构体系中最重要的一种结构形式,将被越来越广泛重视和使用。钢结构虽然相对简单，但设计中仍有很多需要注意的问题，只有熟练地掌握规范，并具有良好的结构概念，才能设计出既安全又经济适用的优秀作品。

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