土木工程中鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)分析

郭帥麗 王碗

（河南省宏巖建設(shè)有限公司，河南 周口 466000）

一、鋼結(jié)構(gòu)的材料缺點(diǎn)和市場(chǎng)環(huán)境分析

盡管鋼結(jié)構(gòu)的剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土，但是對(duì)于一個(gè)給定的負(fù)載，鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面剛度則要小于與其對(duì)比的混凝土結(jié)構(gòu)，這主要是因?yàn)殇摰膹?qiáng)度優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致其構(gòu)件的尺寸相對(duì)較小。因此要提高這些構(gòu)件的穩(wěn)定性，就要增加型鋼的尺寸或者采取填充混凝土以及外包混凝土的措施，以提高截面的剛度。并且鋼材的耐火性和耐腐蝕性都相對(duì)有欠缺。鋼材長(zhǎng)期受到100度的輻射熱時(shí)強(qiáng)度的變化不大，表現(xiàn)出一定的耐熱性能，但當(dāng)溫度達(dá)到150 度時(shí)，就要采用隔熱層進(jìn)行保護(hù)，并且重要部位的鋼結(jié)構(gòu)一定要涂刷防火涂料。

在設(shè)計(jì)土木工程建筑結(jié)構(gòu)的時(shí)候設(shè)計(jì)力量較薄弱，有時(shí)候結(jié)構(gòu)的功能要求都不屬于鋼結(jié)構(gòu)合理的應(yīng)用范圍。通常在設(shè)計(jì)較高承載力需要使用鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，要考慮用不適合繼續(xù)承載的巨大變形為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)為準(zhǔn)則。鋼結(jié)構(gòu)每個(gè)細(xì)節(jié)的安裝都要事先有精確的計(jì)算，而且每個(gè)專(zhuān)業(yè)要一次性到位。

目前我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)還沒(méi)有形成體系，鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性只有在一定規(guī)模生產(chǎn)下才能展現(xiàn)出來(lái)，而現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)的價(jià)格普遍比較高，產(chǎn)量雖然有所提高但是質(zhì)量卻不能得到較好的保證，還沒(méi)有相應(yīng)的監(jiān)管機(jī)制來(lái)規(guī)范。所以很多的設(shè)計(jì)師和開(kāi)發(fā)商在鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)上面都遭遇到了難題。就鋼結(jié)構(gòu)的使用年限來(lái)說(shuō)，混凝土結(jié)構(gòu)的試用期相當(dāng)長(zhǎng)，而鋼結(jié)構(gòu)通常只能保證五十年左右的使用年限。而房屋建筑物通常都是人們終生的居住地，僅僅五十年的鋼結(jié)構(gòu)使用期限顯然不能滿足需求，所以說(shuō)業(yè)主對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的購(gòu)買(mǎi)欲望比較小。由于保險(xiǎn)業(yè)的發(fā)展，住宅壽命問(wèn)題應(yīng)該相對(duì)容易解決。

二、土木工程中鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

（一）強(qiáng)度

普遍來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受與容納作用效應(yīng)的能力應(yīng)由材料的強(qiáng)度來(lái)決定。一般是利用有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定結(jié)構(gòu)鋼的構(gòu)件性能，這些標(biāo)準(zhǔn)中列出了鋼結(jié)構(gòu)可使用的材料。目前，建筑用鋼發(fā)生了較大的變化，對(duì)于過(guò)去的建筑結(jié)構(gòu)所用的抗拉強(qiáng)度以及屈服強(qiáng)度相關(guān)數(shù)據(jù)均摘自于CISC（2006）歷史記錄，根據(jù)屈服強(qiáng)度其范圍為260～700MPa。但并不是全部的鋼種都有所有的強(qiáng)度級(jí)別，對(duì)于目前，從整體來(lái)說(shuō)，應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)能夠減少物料消耗、減輕結(jié)構(gòu)自重、降低支撐部件與地基的尺寸，最終降低整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)成本。

（二）剛度

剛度的重要性就在于它的大小能夠作為關(guān)鍵性的因素影響著振動(dòng)、變形等適用性參數(shù)的大小。而結(jié)構(gòu)體系在實(shí)際操作中的剛度大小則主要受結(jié)構(gòu)體系的部件和連接件的分布的影響。簡(jiǎn)而言之，結(jié)構(gòu)體系的剛度大小還是取決于其材料的幾何截面性質(zhì)和材料的彈性模量。大部分的結(jié)構(gòu)鋼的彈性模量為200GPa，這樣的彈性模量相對(duì)于混凝土的彈性模量來(lái)說(shuō)是比較大的，因?yàn)槌Ｒ?jiàn)的混凝土彈性模量也只有20-28GPa，就算是抗高壓強(qiáng)度比較好的混凝土來(lái)說(shuō)也不會(huì)超過(guò)40-45GPa這個(gè)范圍。總而言之，混凝土的鋼性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及鋼結(jié)構(gòu)的好，大概相差十到五倍。所以從剛性的優(yōu)劣來(lái)看，最好還是選擇鋼結(jié)構(gòu)。

（三）延性

在建筑工程施工中延性是非常重要的一項(xiàng)性能，其是指材料的拉伸過(guò)程中的變形能力，其對(duì)抗震的效果比較重要，具有高強(qiáng)度抗震性的建筑直接以來(lái)的就是結(jié)構(gòu)框架經(jīng)歷大的非彈性變形時(shí)的滯后耗能性。目前，在建筑師施工中，鋼結(jié)構(gòu)是相對(duì)使用最為廣泛，韌性最好的材料之一。

（四）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(biāo)就是韌性。它可以抵抗缺口部位的不穩(wěn)定裂紋的擴(kuò)展。韌性通常表示鋼結(jié)構(gòu)在制造、安裝以及使用過(guò)程中可以承受比較大的工業(yè)變形，是鋼結(jié)構(gòu)一個(gè)很重要的特點(diǎn)。正是因?yàn)殇摌?gòu)件的韌性才使其在彎曲、剪切、沖孔、鍛造、鉆孔等制作過(guò)程中降低了產(chǎn)生裂紋的可能性。鋼結(jié)構(gòu)足夠的斷裂韌性是必須具備的，特別對(duì)受到交變荷載以及沖擊荷載的建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)更要具備此特性。鋼結(jié)構(gòu)的斷裂韌性對(duì)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(qū)設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)，首先要考慮韌性。相對(duì)來(lái)說(shuō)，低碳鈮鋼比高碳鋼成分鋼更能改善韌性。

（五）整體

由上可知，無(wú)論是從剛度、強(qiáng)度還是在延性方面，鋼結(jié)構(gòu)都要優(yōu)于鋼筋混凝土，并且鋼結(jié)構(gòu)可以比較容易建構(gòu)出有異國(guó)風(fēng)情的建筑形式，通常鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以提供最佳的設(shè)計(jì)靈活性以及最大的空間利用率。鋼結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是：它還是一個(gè)理想的懸臂施工體系。適當(dāng)?shù)膽?yīng)用空腹鋼鐵托架以及構(gòu)件腹板開(kāi)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。鋼架像在鋼結(jié)構(gòu)中一樣，被用來(lái)擴(kuò)展現(xiàn)有的混凝土建筑結(jié)構(gòu)或者增加樓層。在進(jìn)行施工時(shí)，裝配鋼結(jié)構(gòu)的施工人員要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于混凝土建筑結(jié)構(gòu)所需要的人數(shù)；與混凝土建筑相比，鋼結(jié)構(gòu)的安裝以及制作質(zhì)量都要更加的可靠和簡(jiǎn)便。并且在修改時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)比混凝土結(jié)構(gòu)更加容易，成本更低，特別是要附加支撐系統(tǒng)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)可以更加快施工進(jìn)度。

三、鋼結(jié)構(gòu)施工安裝要點(diǎn)

整體來(lái)說(shuō)，鋼結(jié)構(gòu)的施工流程比較復(fù)雜，并且建筑的要求不同，在細(xì)節(jié)上也有很大的差異性。鋼材通常分為板材、型材、金屬制品以及管材四大類(lèi)。土木工程中的建筑鋼材通常采用普通的低合金鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼以及普通碳素鋼等，碳鋼的塑性比較低，但是硬度強(qiáng)度比較高。通常情況下安裝結(jié)構(gòu)的用地面積應(yīng)為結(jié)構(gòu)占地面積的1.5 倍。依照安裝流水的順序，從中轉(zhuǎn)堆場(chǎng)配套運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)的鋼構(gòu)件要采用裝卸機(jī)械把其安置于安裝機(jī)械的回轉(zhuǎn)半徑內(nèi)。一般鋼結(jié)構(gòu)的安裝采用的是塔式起重機(jī)，臂桿長(zhǎng)度要有夠的覆蓋面，并且起重能力要相應(yīng)足夠，從而滿足各種不同部位構(gòu)件的起吊要求。鋼絲繩容量也要能滿足起吊的高度要求，起吊速度有足夠的檔次才可以滿足安裝要求。