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1、钢结构材料与构造,主题：钢结构的特点及应用,一.钢结构的特点,经济性 施工进度 材质、塑性韧性承载能力 抗震性能良好的加工性能和焊接性能钢材的可重复使用性 大空间及平面布置 移动性美观性,经济性,钢结构建筑采用先进的设计和加工工艺以及大规模的生产方式，所以可大大地降低造价。同时由于安装简单迅速而节省大量的施工费用，并使企业或开发商得以更快投产见效。传统的钢筋混凝土建筑费用高，且工期较长，费用易受不可预料因素的影响，如自然灾害，冬季、雨季施工，材料价格上涨等等。从基础造价方面来讲，钢结构建筑由于结构重量轻，柱底反力较小，从而节省大量的地基处理费用。传统的钢筋混凝土建筑，由于本身结构自重复杂，因而
2、基础处理较复杂。在不良土质情况下，结构总造价的一半以上要用于基础。,经济性,因为钢结构材料可以预先切到需要的长度，所以在很大的程度上降低了浪费。另外，钢材的边料也是可以出售的，这样更是大大的降低了浪费。基础处理简便适用于广泛地质,基础部分比传统建筑要节约50%费用。合理墙体厚度使得用户的得房率比一般现行建筑要多出8%左右，且因为施工快，缩短了资金的周转期，加快了资金的流动速度，相应的降低了成本。以下是多层钢结构框架与混凝土框架工期造价对比,施工进度,钢构件由各种型材采用机械加工在专业化的金属结构厂制作而成，骨架可在工厂组装，工业化程度高，能批量生产，简便且成品的精确度高。制成的构件可在现场采用
3、螺栓拼装。结构建筑能够快速地安装和交货，在合同签订后的四五个月内建筑物可望安装完成，且全部干作业施工，不受环境季节影响。一栋300平方米左右的建筑，只需5个工人30个工作日可以完成从地基到装修的全过程，基本不受冬季施工的影响。传统的钢筋混凝土结构施工速度较慢，工期可达810个月或更长。,材质均匀，塑性韧性,钢材的内部组织比较均匀，非常接近匀质体，其各个方向的物理力学性能基本相同，接近各向同性体。在使用应力阶段，钢材的弹性模量达到206GPa，在正常使用情况下具有良好的延性，可简化为理想弹塑性体，符合一般工程力学基本假定。因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合，可靠性高。塑性是指承
4、受静力荷载时，材料吸收变形能的能力。韧性是指承受动力荷载时，材料吸收能量的多少。钢材的塑性和韧性都很好，由于塑性好，一般情况下钢结构不会由于偶然超载而突然断裂，给人以安全保证；韧性好，说明钢材具有良好的动力工作性能，使得钢结构具有优越的抗震性能。,承载能力,钢材强度高，结构重量轻，钢与砖石和混凝土相比，虽然密度较大，但强度更高，其密度与强度的比值较小，承受同样荷载时，钢结构要比其他结构轻。例如，当跨度和荷载均相同时，钢屋架的重量仅为钢筋混凝土屋架的1/31/4，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10。为运输和吊装提供了方便。由于钢构件常较柔细，因此稳定问题比较突出，应给予充分注意。钢结构建筑重量通常
5、仅相当于其设计承载能力的1/6，构件重量大大轻于钢筋混凝土构件。传统的钢筋混凝土建筑，其结构本身的重量往往等于其设计承载能力，预制构件重，对吊装的设备要求较高。,抗震性能,钢结构建筑在破坏前有较大的变形，易于觉察和躲避。同时，由于重量轻和节点力学特性，钢结构建筑具有好的抗震性能。传统的钢筋混凝土建筑基于混凝土的材料特性，钢筋混凝土建筑与轻钢结构相比更易产生脆性破坏，且抗震性能要明显低于钢结构建筑。,良好的加工性能和焊接性能,钢材具有良好的冷热加工性能和焊接性能，使钢结构的连接大为简化，可满足制作各种复杂结构形状的需要。便于在专业化的金属结构厂大批量生产出精度较高的构件，然后运至现场，进行工地拼
6、接和吊装，既可保证质量，又可缩短施工周期。但是钢材焊接的时候产生很高的温度，且温度应力分布很不均匀，结构各部位的冷却速度也不同。因此不但在高温区材料性质有变坏的可能，而且还会产生较高的焊接残余应力，使结构中的应力状态复杂化。,钢材的可重复使用性,钢结构加工制造过程中产生的余料和碎屑，以及废弃和破坏了的钢结构或构件，均可回炉重新冶炼成钢材重复使用。因此钢材被称为绿色建筑材料或可持续发展的材料。另外，废旧的钢材100%可以被回收利用；同时，薄壁轻钢结构建筑也可以使用再利用的钢材，在美国每5到6辆废车就可以建造一栋180平方米的房子。,大空间及平面布置,钢结构建筑内部空间宽敞，可较轻松地进行扩建和改
7、建，可灵活布设各种工业管线。传统的钢筋混凝土建筑跨度受限制，必须采用预应力等技术才能达到15m以上跨度，内部空间布置受限制，柱多，空间浪费大。建成后，较难改动其结构。结构设计与其他专业配合较为复杂。,移动性,钢结构建筑可采用螺栓连接，只需不多费用就可以很容易地被拆散、转移和易地组装，有很强的移动性。传统的钢筋混凝土建筑基本上不存在移动的可能性。,美观性,钢结构建筑诸如何网架结构等，具有较强烈的时代感和多变的外表，适于表达建筑师的想象。传统的钢筋混凝土建筑，尤其是工业建筑，外形比较单一、呆板缺少变化。,钢结构的特点,腐蚀性和耐火性 钢结构的低温冷脆倾向易失稳,腐蚀性和耐火性,钢结构建筑如果长期暴
8、露于空气或潮湿的环境中而未加有效的防护时，表面就会锈蚀。锈蚀就能引起应力集中，促使结构早期破坏。钢结构建筑耐热不耐火，由于钢材的特性，钢材长期经受100辐射热时，强度没多大变化，具有一定的耐热性能。但温度达150以上时，就须用隔热层加以保护。钢结构在450-650就会失去承载能力。一般未加保护的钢结构耐火性很低，就需要采取保护措施，从而大大增加费用。,钢结构的低温冷脆倾向,由厚钢板焊接而成的承受拉力和弯矩的构件及其连接节点，在低温下有脆性破坏的倾向，应引起足够的重视。,易失稳,钢结构的失稳分为两类：整体失稳和局部失稳。整体失稳大多数是由于局部失稳造成的，当受压部位或受弯部位的长细比超过允许值时
9、，会失去稳定。它受很多客观因素影响，如荷载变化、钢材的初始缺陷、支承情况的不同等。,二.钢结构的应用,1.大跨结构结构跨度越大，自重在荷载中所占的比例就越大，减轻结构的自重会带来明显的经济效益。钢材强度高结构重量轻的优势正好适合于大跨结构，因此钢结构在大跨空间结构和大跨桥梁结构中得到了广泛的应用。所采用的结构形式有空间桁架、网架、网壳、悬索（包括斜拉体系）、张弦梁、实腹或格构式拱架和框架等。,哈尔滨会展中心屋盖(230m跨),二.钢结构的应用,2.工业厂房 吊车起重量较大或者其工作较繁重的车间的主要承重骨架多采用钢结构。另外，有强烈辐射热的车间，也经常采用钢结构。结构形式多为由钢屋架和阶形柱组
10、成的门式刚架或排架，也有采用网架做屋盖的结构形式。,钢结构厂房,二.钢结构的应用,3.受动力荷载影响的结构 由于钢材具有良好的韧性，设有较大锻锤或产生动力作用的其他设备的厂房，即使屋架跨度不大，也往往由钢制成。对于抗震能力要求高的结构，采用钢结构也是比较适宜的。,重庆鹅公岩长江大桥,二.钢结构的应用,4.多层和高层建筑 由于钢结构的综合效益指标优良，近年来在多、高层民用建筑中也得到了广泛的应用。其结构形式主要有多层框架、框架支撑结构、框筒、悬挂、巨型框架等。,天津市首座高层钢结构建筑主体封顶,二.钢结构的应用,5.高耸结构 高耸结构包括塔架和桅杆结构，如高压输电线路的塔架、广播、通信和电视发射
11、用的塔架和桅杆、火箭（卫星）发射塔架等。图为于千禧龙年金秋落成的龙塔-黑龙江省广播电视塔，这座高度为336米，是当时的亚洲第一钢塔，宛如一颗镶嵌在龙江大地上的耀眼明珠，熠熠生辉，引人夺目。,黑龙江电视塔,二.钢结构的应用,6.可拆卸的结构钢结构不仅重量轻，还可以用螺栓或其他便于拆装的手段来连接，因此非常适用于需要搬迁的结构，如建筑工地、油田和需野外作业的生产和生活用房的骨架等。钢筋混凝土结构施工用的模板和支架，以及建筑施工用的脚手架等也大量采用钢材制作。,上图为鸟巢建成后工人在拆卸钢架,二.钢结构的应用,7.容器和其他构筑物冶金、石油、化工企业中大量采用钢板做成的容器结构，包括油罐、煤气罐、高
12、炉、热风炉等。此外，经常使用的还有皮带通廊栈桥、管道支架、锅炉支架等其他钢构筑物，海上采油平台也大都采用钢结构。,大庆油田油罐,二.钢结构的应用,8.轻型钢结构钢结构重量轻不仅对大跨结构有利，对屋面活荷载特别轻的小跨结构也有优越性。因为当屋面活荷载特别轻时，小跨结构的自重也成为一个重要因素。冷弯薄壁型钢屋架在一定条件下的用钢量可比钢筋混凝土屋架的用钢量还少。轻钢结构的结构形式有实腹变截面门式刚架、冷弯薄壁型钢结构（包括金属拱形波纹屋盖）以及钢管结构等。,总结,从以上几个方面的对比可以看出，钢混结构建筑比传统的钢筋混凝土建筑更具有优越性，尤其是在工业建筑方面。制约钢结构建筑发展的一个最主要原因是钢结构的防护和维修。对现有的工程，通过常规的方法，劳动强度将会非常繁重，但不易做到彻底除锈。相信随着我国经济的飞速发展和科学技术的不断进步，钢结构建筑将会更加广泛地被采用。今后发展的趋势钢结构建筑将会更加广泛地被采用。今后发展的趋势是钢结构建筑和钢筋混凝土建筑组成的一种新新型组合建筑，从而各自的优势，取得更好的效果。,
