鋼結構與鋼筋混凝土結構構建的框架體系穩定性探討

郭萬標 （安徽四方建設集團有限公司，安徽 合肥 230001）

鋼筋混凝土是將鋼筋布置在構件受力截面的受彎區。然后以水泥為膠結料，石子、砂為粗、細骨料澆筑成混凝土，將鋼筋包裹在其中。利用鋼筋的抗拉性能和混凝土的抗壓性能，使得兩種材料協同受力，較好地承受荷載作用。而鋼材（包括型鋼和鋼板）本身密實度大、強度高、塑性和韌性好，各向受力均勻，加工成構件后，能很好地承受荷載作用。

1 兩種材料構成結構件的特點分析

1.1 鋼筋混凝土結構件特點

①抗壓性能好，抗拉（彎）、抗剪性能較差

混凝土本身的抗壓強度較高，而鋼筋主要布置在構件的受拉（彎）區，抗剪切破壞主要是依靠構件中連續布置的箍筋，抗拉（彎）、抗剪切性能較差。

②構件自重大，施工工藝繁瑣

鋼筋混凝土容重較大，約2500kn/m3。有時候為保證較長構件的穩定性，減小長、細比，設計時往往要加大構件的截面，增加構件的自重。

鋼筋混凝土構件需經過：立支撐——支模板——鋼筋下料——綁扎——混凝土拌合——混凝土澆筑——養護——拆模等工藝環節，施工工藝繁瑣，施工周期長。

③耐久性好、耐火性能佳。鋼筋混凝土在鋼筋外圍形成保護層，能有效保證鋼筋不受腐蝕，耐久性較好。同時，保護層能起到阻燃保護鋼筋的作用，加之混凝土本身的耐火性能較好，鋼筋混凝土構件的整體耐火性能較佳。

1.2 鋼結構構件的特點

①鋼材密度大、強度高、重量輕。鋼材的密度與屈服點的比值較小，在相同荷載條件下，采用鋼結構自重較輕；相同跨度和荷載條件下，鋼構件的重量僅為鋼筋混凝土重量的1/4～1/3，但強度更高。

②鋼材材質均勻，塑性和韌性好。鋼材的材質均勻，接近各向同性；在一定應力范圍內，處于理想的彈性工作狀態，符合工程力學所采用的基本假定；鋼材的塑性和韌性較好，即使是在一定范圍內的過載作用下也不至于發生脆斷，可靠性高。

③具有可焊接性，便于工業化加工。鋼材通過焊接，可以制作成各種構件；鋼構件可以在工廠內制成，便于機械化大批量生產，效率高、制作精度高，質量有保證。

④防腐蝕、耐火性能較差。在沒有保護層隔離的情況下，鋼材中的碳元素易與空氣中的水分（或其他腐蝕介質發生）發生化學反應，產生氧化膜，發生腐蝕現象；火災發生時，高溫作用下，鋼材容易變柔軟，危及結構安全。

2 兩種結構件構建框架體系的穩定性

框架結構是工程建設中常用的一種結構體系，框架結構的荷載傳遞方式為：樓板（或屋面板）——梁——柱——基礎，其整體穩定性取決于由梁、柱構建的空間框架的穩定性。

2.1 鋼筋混凝土框架結構的穩定性

①鋼筋混凝土梁因為上部有樓板的約束，當跨度和荷載較小時，梁截面尺寸較小，穩定性較好。但當跨度和荷載較大時，梁的截面相應增加，抗彎扭性能減弱，設計上通過在梁內增加抗彎扭鋼筋來提高梁的穩定性。但隨著截面的增大，梁的自重也明顯增加，不利于構建大的跨度空間。

②鋼筋混凝土柱是主要的承重構件，在承受并傳遞豎向荷載時，不僅要具備足夠的強度，而且要滿足長、細比要求，保證足夠的剛度和穩定性。在構建較高樓層的建筑物時，鋼筋混凝土柱的截面就要增加（或在柱的中間位置設置聯系梁），不僅自重增加，而且占用空間。

③鋼筋混凝土結構框架的穩定性取決于梁、柱構建的空間架體的穩定性，而關鍵節點是梁、柱接頭部位的設計和施工質量。

工程力學所采用的設計模型中，框架梁、柱接頭設定為剛性節點。設計時，采取的方法是將梁的鋼筋彎錨，深入柱內一定長度。在柱頭、梁端設置鋼箍筋加密區，并在梁、柱接頭內設置核心箍筋，盡可能地使其成為剛性節點。但鋼筋混凝土本身是彈塑性材料，而且在施工過程中，梁的鋼筋由于下料加工的誤差，會造成彎錨長度不足。此外，梁的鋼筋錨入柱頭后，梁、柱接頭是鋼筋密集區，核心箍筋的綁扎很難保證位置準確。因此，鋼筋混凝土梁、柱接頭并不是完全意義上的剛性節點，不完全符合工程力學所采用的基本假定。

2.2 鋼結構框架結構的穩定性

①鋼梁、鋼柱等構件，一般采用型鋼直接制作而成，大型構件可以通過型鋼加鋼板制作成格構件，不僅強度高，而且自重輕，便于構建較大跨度的空間。

②單個鋼構件可以通過焊接，加腹板（或加勁肋）的方式，有效地提高抗彎扭性能。

③鋼構件可以在加工廠內工業化制作，切割、調直、焊接、除銹等工序均可以機械化進行。穩定的設備和作業條件，能很好地保證鋼構件的加工精度和質量。

④鋼結構框架的施工，是將加工成型的鋼構件在現場，通過焊接、鉚接、錨定等形式拼裝而成，施工便捷。尤其是鋼框架梁、柱接頭，因為鋼材是彈性材料，具備各向同性的特點，通過焊接形成的梁、柱接頭很容易形成剛性節點，受力時處于理想的彈性工作狀態，符合工程力學所采用的基本假定。

⑤鋼結構框架通過在合理的部位設置垂直支撐和水平支撐，能極大地提高框架整體的空間穩定性，安全可靠。

⑥鋼結構框架在設計、施工時，應該根據鋼結構的特點，充分考慮鋼材的材料特性，采取完善的防腐、防火措施，確保鋼結構框架的耐久性和安全可靠性。

3 結束語

鋼結構的特性及優點，使其相較于鋼筋混凝土，在構建框架結構體系時，具備更好的強度、更輕的自重（高層鋼結構自重一般僅為高層鋼筋混凝土結構自重的1/2～3/5）、更好的穩定性、更佳的抗震性能。鋼構件便于工業化加工，現場拼裝便捷，有利于縮短施工周期，符合環保施工的理念。另外，鋼結構的特性符合建筑產業化的發展方向，今后必將更廣泛地應用于土木工程建設中，迎來更為廣闊的發展空間。