淺談對土木工程中鋼結構的認識

王朋

摘 要：鋼結構由于其自重輕、強度高、工業化程度高等優點，因此在現代土木工程中得到廣泛的應用，然而，鋼結構如果結構設計出現缺陷，容易失穩破壞造成人員傷亡、財產損失，本文先介紹土木工程鋼結構的特點，再研究其結構的結構優缺點，最后探討建筑鋼結構廠房設計中應該注意的問題。

關鍵詞：土木工程；鋼結構

1.土木工程中鋼結構的特點

1.1結構構件承受或者容納作用效應的能力

一般來說，結構構件承受或者容納作用效應的能力由材料的強度來決定。可以利用有關的國家標準來確定結構鋼的構件性能，這些標準中列出了鋼結構可使用的材料，比如建筑結構鋼要滿足CSA標準ASTMstandardA992/A992M或者CAN/CSAG40.20/C40.21等相關標準的要求。近幾年來，建筑用鋼發生了很大的變化，過去的建筑結構所用的抗拉強度以及屈服強度相關數據均摘自于CISC（2006）歷史記錄，而目前加拿大對于工程結構鋼以及普通建筑結構鋼的標準定出7個鋼種和8個強度級別。根據屈服強度其范圍為260～700Mpa。不過并不是全部的鋼種都有所有的強度級別，因此如果是一個特定的建筑鋼結構設計，那么對鋼種類型和強度級別的選擇就非常重要。從整體來說，采用鋼結構可以減少物料消耗、減輕結構自重、降低支撐部件與地基的尺寸，最終降低整個建筑的結構成本。

1.2鋼結構可提供更大的空間利用率

由上可知，無論是從剛度、強度還是在延性方面，鋼結構都要優于鋼筋混凝土，并且鋼結構可以比較容易建構出有異國風情的建筑形式，通常鋼結構系統可以提供最佳的設計靈活性以及最大的空間利用率。鋼結構的另一個優點就是：它還是一個理想的懸臂施工體系。適當的應用空腹鋼托架以及構件腹板開孔，可以為管道以及其它供電線路提供通道，不僅降低了樓層的高度，而且增加了審美吸引力。鋼架在鋼結構中被用來擴展現有的混凝土建筑結構或者增加樓層。在進行施工時，裝配鋼結構的施工人員要遠遠少于混凝土建筑結構所需要的人數；與混凝土建筑相比，鋼結構的安裝以及制作質量都要更加的可靠和簡便。并且在修改時，鋼結構比混凝土結構更加容易，成本更低，特別是要附加支撐系統時，鋼結構可以更加快施工進度。

1.3剛度振動、變形等適用性參數

剛度振動、變形等適用性參數由構件的剛度來決定，進而由結構體系的剛度來決定。結構體系的實際剛度又由其構件和連接件的分布來決定。不過簡單說來，構件的剛度由材料的幾何截面特性以及材料的彈性模量來決定，結構鋼的彈性模量通常為200GPa。而普通密度抗壓強度在20-40Gpa范圍內的混凝土其彈性模量通常在20-28GPa范圍內；即使對于高強度混凝土來說，其彈性模量也不過在40-45GPa之間，由此可見，鋼結構的鋼性是混凝土的五倍到十倍左右，所以鋼結構的剛性有著顯著的優勢。

1.4鋼結構的延性

延性指的是某種材料拉伸的過程中無斷裂的塑性變形能力。一般情況下延性是結構設計中，特別是抗震設計中比較重要的特性參數，地震中幸存的建筑物直接依賴于主要結構框架經歷大的非彈性變形時的滯后耗能性。鋼結構可以說是目前使用最廣泛的、韌性最好的工程材料之一。不過材料內在的延性并不一定都會轉化為建筑結構的內在延性，因此要充分認識到這一點，采取適當的設計策略和可靠、穩定的滯消機制。通常一個設計具有延性響應就要有足夠的材料截面、材料延性以及結構延性和構件延性。延性值的能力和需求要與變延性水平、曲率延性（構件延性）以及位移延性（結構延性）所匹配。不過雖然鋼結構的應變延性比較高，但是因為受彎構件的受力不穩定，所以構件的曲率延性經常不足。

1.5鋼結構的韌性

韌性衡量材料斷裂前吸收能量以及塑性變形的能力的指標就是韌性。它可以抵抗缺口部位的不穩定裂紋的擴展。韌性通常表示鋼結構在制造、安裝以及使用過程中可以承受比較大的工業變形，是鋼結構一個很重要的特點。正是因為鋼構件的韌性才使其在彎曲、剪切、沖孔、鍛造、鉆孔等制作過程中降低了產生裂紋的可能性。鋼結構足夠的斷裂韌性是必須具備的，特別對受到交變荷載以及沖擊荷載的建筑結構來說更要具備此特性。鋼結構的斷裂韌性對于溫度條件很敏感，并且隨著溫度的減小而降低。所以在天氣寒冷的地區設計鋼結構，首先要考慮韌性。相對來說，低碳鈮鋼比高碳鋼成分鋼更能改善韌性。

2.土木工程中鋼結構的優缺點

2.1鋼結構的不足

鋼結構因其優勢而得到廣泛應用，近年來產生的鋼結構住宅也促進了住宅產業化的發展進程，尤其鋼結構使用過程的環保性還符合社會可持續發展的需要，帶來了良好的綜合效益。但鋼材也存在其固有不足。比如鋼材的耐腐蝕性和耐火性較差，因此鋼結構使用時需要進行較嚴格的防護，其防護時費用高于鋼筋混凝土結構。鋼材雖有一定的耐熱性，但在溫度達150℃以上時，鋼結構需要加隔熱層加以保護。鋼材不耐火，重要的結構必須注意采取防火措施。鋼材的強度高，所做構件多數壁薄且截面較小，受壓時為了在強度與穩定之間取得最優，往往滿足了穩定的要求，而使得強度不能充分發揮等。

2.2鋼結構的材料優勢

鋼結構是用鋼板、熱軋型鋼或冷加工成型的薄壁型鋼制造而成的。和混凝土等其它材料的結構相比，鋼結構具有諸多優勢。首先，鋼材的強度高，塑性和韌性好。強度高使其適用于跨度大或荷載很大的構件和結構，而塑性和韌性好使這些結構對動力荷載的適應性較強，不會輕易因超載而突然斷裂。鋼結構還具有良好的吸能能力和延性，這賦予了鋼結構優越的抗震性能。其次，鋼材內部組織接近于勻質和各向同性，在一定的應力幅度內鋼材的反應幾乎是完全彈性的，加之冶煉和軋制過程中材質波動的范圍小，因此，鋼結構的實際受力情況和工程力學計算結果比較符合，有助于提供設計施工的精確性。

3.建筑鋼結構土木工程設計中應注意的問題

3.1鋼材及連接材料的選擇

鋼結構的主體材料就是鋼材，選用鋼材應具有較高的質量，既承受靜力荷載又承受動力荷載。根據規范，承重結構的鋼材宜采用Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼等，保證在抗拉強度、伸長率、屈服強度等方面滿足要求。對受拉和受彎的鋼材應防止鋼材產生斷裂。與非焊接結構鋼材相比，焊接結構鋼材的質量要求更高。對處于較低溫度環境下的焊接鋼結構，應選用化學成分和力學性能質量較好的鋼材。焊接結構和非焊接結構在不同的工作溫度下選擇不同的鋼材質量等級。隨著冶金技術、焊接工藝及構件加工水平的不斷提高，新型材料的不斷出現，鋼結構材料將會有更多的選擇。

3.2鋼結構的腐蝕及防腐

鋼結構腐蝕的誘因很多。環境方面，應避免鋼結構長期暴露在相對濕度比較大的環境中，而且環境中的酸、鹽等化學物質會加速鋼結構的腐蝕；其次是設計不合理，例如：鋼架和墻體相距太近；施工時由于涂料質量控制及涂膜厚度的檢查不嚴格也會造成腐蝕。鋼結構的腐蝕生銹害處很大，既會降低鋼結構的強度和承載能力，又可能因腐蝕造成鋼結構變形、斷裂、垮塌，一旦引發事故就會造成巨大損失。因此，做好防腐工作是鋼結構建筑的重要工作，可以選用防腐涂料來預防鋼結構的腐蝕。從涂料的防腐年限、保光保色性、是否便于維修等方面進行選擇，室外鋼結構宜采用總漆膜厚度不小于150μm的長效防腐涂料。室內鋼結構宜采用鐵紅醇酸底漆一度、云鐵醇酸防銹漆一度、醇酸面漆兩度，總漆膜厚度160μm。

結語：

鋼結構具有多種優點，在現代土木工程建設中被普遍應用。施工單位在應用鋼結構技術的時候，可以把鋼結構與混凝土技術融合，加強建筑的效果。本文對土木工程中鋼結構的特點、不足及與混凝土聯用進行了探討。

參考文獻：

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