鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用與發(fā)展

倪澤陽　苗秀梅　趙海峰

摘 要：隨著我國建筑業(yè)和鋼材的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)建筑日益增多。鋼結(jié)構(gòu)體系因其本身所具有的自重輕、強(qiáng)度高、施工快等優(yōu)點(diǎn)，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，更具有在”高、大、輕”三個(gè)方面發(fā)展的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此在高層建筑、大型工廠、大跨度空間結(jié)構(gòu)、交通能源工程、住宅建筑中更能發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的自身優(yōu)勢(shì)。隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，“節(jié)能環(huán)保”不斷出現(xiàn)在各大會(huì)議中，被譽(yù)為“綠色建筑”的鋼結(jié)構(gòu)建筑的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與良好發(fā)展已成國際上的大勢(shì)所趨。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；性能；應(yīng)用；展望

1 鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)與其他建筑結(jié)構(gòu)入混凝土結(jié)構(gòu)、磚石結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)相比，具有三個(gè)顯著特點(diǎn)：一是力學(xué)性能；二是物理性能，鋼材是一種低碳建筑材料，可以循環(huán)利用；三是化學(xué)性能。具體如下：（1）材料強(qiáng)度高，塑性和韌性好。鋼材和其他建筑材料相比，強(qiáng)度要高很多。因此，特別適用于跨度大或荷載很大的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)還具有塑性和韌性好的特點(diǎn)。塑性好，結(jié)構(gòu)在一般條件下不會(huì)因超載而突然斷裂；韌性好，結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)力荷載的適應(yīng)性強(qiáng)。良好的吸能性能和延性還使鋼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的抗震性能。（2）材質(zhì)均勻，和力學(xué)計(jì)算的假定比較符合。鋼材內(nèi)部組織比較接近于勻質(zhì)和各向同性體，而且在一定的應(yīng)力幅度內(nèi)幾乎是完全彈性的。因此，鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況和工程力學(xué)結(jié)果比較符合。鋼材在冶煉和軋制過程中質(zhì)量可以嚴(yán)格控制，材質(zhì)博動(dòng)的范圍小。（3）鋼結(jié)構(gòu)制造簡便，施工周期短。鋼結(jié)構(gòu)所有的材料單純而且成材，加工比較簡便，并能使用機(jī)械操作。構(gòu)件在工地拼裝，可以采用安裝簡便的普通螺栓或者高強(qiáng)螺栓，有時(shí)還可以在地面拼裝和焊接成較大的但愿再行吊裝，以縮短施工周期。（4）鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕，鋼材的密度雖比混凝土等建筑材料的密度大，但鋼結(jié)構(gòu)卻比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)輕，原因是鋼材的強(qiáng)度與密度之比要比混凝土大得多。以同樣的跨度承受同樣的荷載，鋼屋架的質(zhì)量最多不過鋼筋混凝土屋架的1/4-1/3，冷彎薄壁型鋼屋架甚至接近1/10，為吊裝提供了方便。對(duì)于需要遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕也是一個(gè)重要的有利條件。同時(shí)，屋蓋結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，對(duì)抵抗地震作用也十分有利。（5）鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性差，耐熱但不耐火，必須對(duì)結(jié)構(gòu)注意防護(hù)。尤其是暴露在大氣中的結(jié)構(gòu)，如橋梁等更加應(yīng)該注意。但近幾年出現(xiàn)的耐候鋼具有較好的抗銹蝕性能，已經(jīng)逐步推廣應(yīng)用。另外，鋼材長期經(jīng)受100℃，幾乎沒有多大變化，具有一定的耐熱性能；但是鋼材不耐火，重要結(jié)構(gòu)必須注意采取防火措施。例如利用蛭石板、蛭石噴涂層或石膏板等加以防護(hù)。

2 鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)的合理應(yīng)用范圍不僅取決于鋼材本身的特點(diǎn)，還受影響于國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展情況。由于鋼材短缺，從建國到90年代，鋼結(jié)構(gòu)只用于鋼筋混凝土不能代替的地方。直到1996年鋼產(chǎn)量達(dá)到一億噸，局面猜得到改變，鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)政策改成“合理使用鋼材”。而國外鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在了我們前面，美國鋼結(jié)構(gòu)建筑主要市場(chǎng)分布：工業(yè)、商業(yè)、社區(qū)等等各個(gè)方面。所以，鋼結(jié)構(gòu)在土建工程中的應(yīng)用日益擴(kuò)展。

2.1 高層、超高層建筑由中外合作到國產(chǎn)化的起步。隨著國人生活水平、文化水平的不斷提高，對(duì)于高層、大跨度建筑的需求也越來越高，而鋼結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)，所以，對(duì)于高層、大跨度、超高層來講，鋼結(jié)構(gòu)是非常理想的結(jié)構(gòu)類型。我國有名的高層、超高層建筑大多是中外合作的產(chǎn)物，如上海金茂大廈、環(huán)球金融中心、深圳地王大廈、北京京廣中心，北京鳥巢等。中外合作設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)建筑對(duì)于掌握國外先進(jìn)技術(shù)及鍛煉培養(yǎng)人才起到了促進(jìn)和推動(dòng)作用。

2.2 輕鋼結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，輕鋼結(jié)構(gòu)建筑在一些發(fā)達(dá)國家已被廣泛應(yīng)用，例如工廠、倉庫、體育館、展覽館、超市等等。輕鋼結(jié)構(gòu)是一種年輕而極具生命力的鋼結(jié)構(gòu)體系，已廣泛應(yīng)用于一般工農(nóng)業(yè)、商業(yè)、服務(wù)性建筑，如辦公樓、別墅、倉庫、體育場(chǎng)館、娛樂、旅游建筑和低、多層住宅建筑等領(lǐng)域，還可用于舊房增層、改造、加固和建材缺乏地區(qū)、運(yùn)輸不便地區(qū)、工期緊、活動(dòng)式可拆遷建筑等，倍受業(yè)主青睞。這種結(jié)構(gòu)的房屋具有自重輕，建設(shè)周期短，適應(yīng)性強(qiáng)，外表美觀，造價(jià)低，易維護(hù)等特點(diǎn)。國外輕鋼結(jié)構(gòu)廠商都已經(jīng)慢慢進(jìn)入中國市場(chǎng)，我過也應(yīng)該借助機(jī)遇，趨利避害，積極發(fā)展我國自己的輕鋼結(jié)構(gòu)體系，以適應(yīng)今后我國建筑鋼結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的要求。

2.3 大跨度鋼結(jié)構(gòu)。大跨度鋼結(jié)構(gòu)大多應(yīng)用于多功能場(chǎng)館，會(huì)議展覽中心，飛機(jī)庫，候機(jī)廳等。世界上最大的室內(nèi)體育館，美國亞特蘭大體育館，采用的是張拉整體體系的屋蓋，主要由索、桿、膜等組成，是當(dāng)今最有發(fā)展前途的一種新型空間結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，從力學(xué)上講，跨度再大的結(jié)構(gòu)都是有可能實(shí)現(xiàn)的，為此，英國、美國等學(xué)者和研究單位都在進(jìn)行相關(guān)研究。近幾年，波浪形曲面開始流行，樹樁支撐以及直接交匯相關(guān)節(jié)點(diǎn)，看起來十分優(yōu)美壯觀。深圳機(jī)場(chǎng)、北京首都機(jī)場(chǎng)、上海浦東國際機(jī)場(chǎng)都是典型的例子。

2.4 其他鋼結(jié)構(gòu)建筑類型。如，重型廠房結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)、可拆卸結(jié)構(gòu)等到其他結(jié)構(gòu)。即使在地基條件差的環(huán)境下，鋼結(jié)構(gòu)也因其良好的韌性和強(qiáng)度以及質(zhì)輕的有點(diǎn)，能夠很好的適應(yīng)；在底價(jià)較高的地區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)則以其占用土地面積小而突顯出它的優(yōu)越性。工期短，投資及早得到匯報(bào)，是有利于選用鋼結(jié)構(gòu)的又一項(xiàng)重要因素。因此，鋼結(jié)構(gòu)因其諸多有點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于其他非住宅類型建筑。

3 鋼結(jié)構(gòu)建筑的前景展望

縱觀發(fā)達(dá)國家鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展軌跡，結(jié)合我國的實(shí)際情況，不難看出我國鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展前景光明，同時(shí)也會(huì)存在許多不同于發(fā)達(dá)國家的特點(diǎn)。結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及優(yōu)勢(shì)，我過鋼結(jié)構(gòu)建筑存在著巨大的市場(chǎng)潛力和發(fā)展前景。（1）我國能源建設(shè)不斷加快，火力電廠的主廠房和鍋爐鋼架用鋼量不斷增加。鋼產(chǎn)量自96年以來，產(chǎn)量超過一億噸，位居世界首位。鋼鐵和其他材料工業(yè)的發(fā)展，為鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)提供品質(zhì)優(yōu)良、規(guī)格齊全的材料和條件。（2）交通工程中的地鐵、輕軌和橋梁工程日益增加，隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地鐵出行成為一種快速、便捷的新方式。鋼結(jié)構(gòu)以其自身特點(diǎn)，近幾年來在地鐵、橋梁建設(shè)中發(fā)揮這越來越重要的作用，我國部分地鐵、橋梁等普遍采用鋼結(jié)構(gòu)形式，如滬高速、跨海、跨江大橋等等。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在交通工程中會(huì)有更多更好的應(yīng)用。（3）鋼結(jié)構(gòu)住宅將增加，國家提倡建設(shè)節(jié)能省地住宅，有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)規(guī)范及配套技術(shù)，材料基本具備。目前我國鋼結(jié)構(gòu)住宅占比較少，發(fā)達(dá)國家卻達(dá)到占總量的40—50%以上，如我國每年竣工6億平方米的城鎮(zhèn)住宅建設(shè)只有5%采用鋼結(jié)構(gòu)，由于中國鋼材價(jià)格比國際價(jià)格低，勞動(dòng)力成本低，鋼結(jié)構(gòu)的制作和施工質(zhì)量優(yōu)良，所以國際工程市場(chǎng)有較強(qiáng)的競(jìng)爭力。（4）制約鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一些不利因素。我國鋼產(chǎn)量連年居世界第一，而且鋼結(jié)構(gòu)建筑的建筑條件基本成熟，但鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)仍未得到特別有力的推廣，我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展相對(duì)國外任然有些滯后。主要表現(xiàn)在：國產(chǎn)H型鋼、方鋼管、可搭接的斜卷邊冷彎薄壁Z型鋼、抗腐蝕性能更好的鍍鋁鋅薄板等型材的品種、規(guī)格還不能滿足建筑需要。厚板的可焊接性差是國產(chǎn)建筑鋼材存在的主要問題。建筑用高強(qiáng)度低合金鋼品種還太少，高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼在冷彎薄壁型鋼中的應(yīng)用尚未解決。鋼結(jié)構(gòu)住宅的造價(jià)和選擇、開發(fā)外墻板，在一定程度上制約了鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的大面積推廣應(yīng)用。盡管目前還存在著種種不盡如人意或有待提高的方面，但鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展?jié)摿薮螅熬皬V闊。

展望未來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的蓬勃發(fā)展和交流的進(jìn)一步擴(kuò)大，要建造更多的高層建筑、橋梁和大型公共場(chǎng)所等大空間和超大空間建筑物的需求十分旺盛。這將為鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供更多的機(jī)會(huì)，鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)興旺發(fā)展的新局面就在眼前。