鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)中的影響力
建筑鋼結(jié)構(gòu)
建筑鋼結(jié)構(gòu)是指用鋼板和熱扎、冷彎或焊接型材（工字鋼、H型鋼、壓型鋼板等）通過連接件（螺栓、高強(qiáng)螺栓錐頭等）連接而成的能承受荷載、傳遞荷載的結(jié)構(gòu)體系。鋼結(jié)構(gòu)建筑是指用鋼結(jié)構(gòu)作為主要受力結(jié)構(gòu)，經(jīng)設(shè)計(jì)、施工、安裝而成的建筑。
建筑鋼結(jié)構(gòu)與混凝土、木結(jié)構(gòu)等相比，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、受力均勻、易于產(chǎn)業(yè)化、能耗小、綠色環(huán)保、可循環(huán)使用、復(fù)合可持續(xù)性發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，其造價(jià)較高，對(duì)設(shè)計(jì)、制造、安裝的要求較高，需要相關(guān)的輔助材料與之配套（尤其是住宅房屋），使其發(fā)展與多種因素相互影響。
應(yīng)用范圍
傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于跨度大、高度大、荷載大、動(dòng)力作用大的各 種工程結(jié)構(gòu)中, 如產(chǎn)業(yè)廠房的承重骨架和吊車梁、大跨度的屋蓋結(jié)構(gòu)(圖1)、高 層建筑的骨架、大跨度的橋梁、起重機(jī)結(jié)構(gòu)、塔架和桅桿結(jié)構(gòu)、石油化工設(shè)備的 框架、工作平臺(tái)和海洋采油平臺(tái)、管道支架、水工閘門等;也常用于可裝拆搬遷 的結(jié)構(gòu),如臨時(shí)性展覽館、建筑工地用房、混凝土模板等。輕型鋼結(jié)構(gòu)常用于小 跨度輕屋面的各類房屋、自動(dòng)化高架倉庫等。此外,容器結(jié)構(gòu)、爐體結(jié)構(gòu)和大直 徑管道等也常用鋼材制成。
現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)已推廣向住宅、商用寫字樓、展館、體育館、等民用和公共建筑。
鋼結(jié)構(gòu)工程的焊接技術(shù)
選擇適當(dāng)?shù)暮附庸に嚕胶浮⒘⒑浮M焊、仰焊等；采用短弧焊接，弧長一般為2～4mm。焊口清理：檢查破口、組裝間隙是否符合要求，焊縫內(nèi)不能有油污和銹物。烘焙焊條時(shí)要符合規(guī)定的溫度與時(shí)間，從烘箱中取出焊條后，要放在焊條保溫桶內(nèi)保存。根據(jù)焊接層次、焊條型號(hào)、直徑、厚度，焊接技能等因素，選擇適宜的焊接電流。焊接速度：要求等速焊接，保證焊縫厚度、寬度的一致，從面罩內(nèi)看熔池中鐵水與熔渣要保持等距（2～3mm）。焊接根據(jù)焊條型號(hào)不同而確定，一般要求電弧穩(wěn)定，酸性焊條一般為3～4mm，堿性焊條一般為2～3mm。焊接角度通常有兩個(gè)方面，一是焊條與焊接前進(jìn)的方向之間夾角為60～75；二是焊條與焊接左右之間夾角有兩種情況，當(dāng)焊件厚度相等時(shí)，焊條與焊件之間的夾角均為45；當(dāng)焊件厚度不相等時(shí)，焊條與較厚焊件一側(cè)的夾角應(yīng)大于焊條與較薄焊件一側(cè)的夾角。每條焊縫焊到結(jié)束時(shí)，將弧坑填滿后，要往焊接方向相反的方向帶弧，使弧坑甩在焊道內(nèi)。焊接結(jié)束，采用氣割切除弧板，并修磨平整。清渣：整條焊縫焊完后清除熔渣，經(jīng)焊工自檢確無問題后，才可以更換工作地點(diǎn)繼續(xù)焊接作業(yè)。在冬期溫度低于0℃條件下進(jìn)行電弧焊時(shí)，除遵守常溫焊接的規(guī)定外，還應(yīng)該調(diào)整焊接工藝的參數(shù)，使焊縫和熱影響區(qū)緩慢冷卻。焊后未冷卻的接頭，要避免碰到冰雪。當(dāng)工作地點(diǎn)的溫度在0℃以下時(shí)，要進(jìn)行工藝試驗(yàn)，來確定適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度。
鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)間短、用于施工的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以是工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場安裝，可以大大縮短施工的時(shí)間，節(jié)約時(shí)間；空間大：由于鋼材的抗壓、抗側(cè)彎強(qiáng)度均為混凝土的1.5倍，因此在等同強(qiáng)度的條件下可以縮小截面從而增大了有效的空間；可循環(huán)利用：鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工材料可以實(shí)現(xiàn)再生利用，這樣就減少了大量的建筑垃圾。抗震性能好，由于鋼結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)、自重輕，能有效地降低地震響應(yīng)及災(zāi)害的影響程度，有利于抗震。耐火性差：鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼筋混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，其耐火性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度達(dá)到600℃的時(shí)侯，鋼結(jié)構(gòu)就會(huì)基本喪失其全部的強(qiáng)度和剛度。因此在鋼結(jié)構(gòu)建筑中抗火被看做重要一環(huán)；耐腐蝕性差：由于鋼材表面的鐵原子與空氣中的氧化合會(huì)生成氧化鐵銹，銹蝕能夠引起應(yīng)力集中，從而危害鋼結(jié)構(gòu)建筑的使用安全，使鋼結(jié)構(gòu)建筑壽命減短，因此對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行有效的防腐措施才能確保其使用時(shí)間。
鋼梁在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
輕鋼建筑在一些發(fā)達(dá)國家已被廣泛應(yīng)用于工廠、倉庫、體育館、展覽館、超市等建筑，而鋼結(jié)構(gòu)本身具備自重輕、強(qiáng)度高、施工快等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)高層、大跨度，尤其是超高層、超大跨度，采用鋼結(jié)構(gòu)更是非常理想。鋼結(jié)構(gòu)體系有著巨大的發(fā)展?jié)摿屠硐氲陌l(fā)展前景，鋼梁作為鋼結(jié)構(gòu)中的重要受力構(gòu)件，其力學(xué)性能必將在今后的發(fā)展中更加完善、合理。
一、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用
世界上已經(jīng)建成的幾個(gè)純鋼結(jié)構(gòu)建筑為目前世界上最高的超高層建筑，如美國紐約帝國大廈，美國紐約世界貿(mào)易中心，美國芝加哥西爾斯大廈，馬來西亞雙塔石油大廈等。巨型鋼結(jié)構(gòu)為高層或超高層建筑的一種嶄新體系[1]，它是為了滿足特殊功能或綜合功能而產(chǎn)生的。它具有良好的建筑適應(yīng)性和潛在的高效結(jié)構(gòu)性能，是一種很有發(fā)展前景的鋼結(jié)構(gòu)。
大跨度或較大跨度大多采用鋼結(jié)構(gòu)，大跨度鋼結(jié)構(gòu)多用于多功能體育場館、會(huì)議展覽中心、博覽館、候機(jī)廳、飛機(jī)庫等。最早的大跨度平板網(wǎng)架是上世紀(jì)60年代美國洛衫磯加里福尼亞大學(xué)體育館。世界上跨度最大的斜拉索橋?yàn)槿毡镜亩喽嗔_大橋，最大的懸索橋?yàn)槿毡镜拿髽颍疯F路兩用最大跨度橋?yàn)橄愀鄣那囫R大橋。世界最早的雙曲拋物面懸索屋蓋是美國雷里競技館。另外，歷屆奧運(yùn)會(huì)、博覽會(huì)等都可以顯示鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展水平。
二、鋼梁的力學(xué)特性
鋼梁在其對(duì)稱軸平面內(nèi)的橫向荷載作用下，一般只在該平面內(nèi)產(chǎn)生彎矩、剪力和撓度。但是，由于鋼梁的截面通常為高而窄的工字形或槽形，側(cè)向抗彎剛度和抗扭剛度較小，還可能發(fā)生側(cè)向彎曲扭轉(zhuǎn)屈曲而喪失整體穩(wěn)定[2]。對(duì)于組合梁而言，當(dāng)腹板或翼緣相對(duì)較薄時(shí)，還可能在受壓區(qū)發(fā)生局部失穩(wěn)而破壞。因此，設(shè)計(jì)鋼梁時(shí)須全面考慮并分別驗(yàn)算其彎應(yīng)力與剪應(yīng)力強(qiáng)度、撓度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。
在豎向荷載作用下，鋼梁一般只產(chǎn)生豎向位移，但對(duì)側(cè)向剛度較差的工字形截面或槽形截面鋼梁，當(dāng)梁的自由長度較大時(shí)，荷載加大到一定程度，常會(huì)迅速產(chǎn)生較大的側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)變形，使梁隨即喪失承載能力的現(xiàn)象稱為喪失整體穩(wěn)定或側(cè)扭屈曲。根據(jù)試驗(yàn)，一般低碳鋼和低合金鋼試件在受彎時(shí)，如同簡單拉伸試驗(yàn)一樣，也存在著屈服強(qiáng)度和屈服臺(tái)階，可視作理想的彈性塑性體。而且在超過彈性范圍受彎時(shí)仍符合彎曲構(gòu)件應(yīng)變的平面假定。因此，在靜力荷載作用下，鋼梁的彎曲大致可劃分為三個(gè)應(yīng)力階段。
鋼梁的強(qiáng)度包括抵抗彎曲、剪切以及豎向局部承壓的能力。抗彎能力可由材料力學(xué)中的彎曲應(yīng)力公式求得。當(dāng)按塑性設(shè)計(jì)時(shí)，考慮梁上形成塑性鉸及由此引起的內(nèi)力重分布。采用塑性設(shè)計(jì)的鋼梁，與按彈性階段設(shè)計(jì)的梁相比較，可減小截面尺寸，節(jié)省鋼材，但一般只適用于受靜力荷載的熱軋型鋼梁和等截面焊接組合梁，同時(shí)組合梁板件的寬厚比應(yīng)有較嚴(yán)格的限制，以免板件局部失穩(wěn)而降低梁的承載能力。當(dāng)按彈性階段設(shè)計(jì)時(shí)，取計(jì)算截面的邊緣纖維應(yīng)力達(dá)到鋼材的屈服點(diǎn)作為極限狀態(tài)。邊緣纖維應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)后，梁實(shí)際上還可繼續(xù)承受荷載。隨著荷載的繼續(xù)加大，最大彎矩所在截面上的塑性變形沿截面從邊緣向中央不斷發(fā)展和擴(kuò)大，最后在該截面處形成塑性鉸。梁上出現(xiàn)使梁成為可動(dòng)機(jī)構(gòu)的一定數(shù)量的塑性鉸后，梁即到達(dá)抗彎的極限狀態(tài)而破壞。鋼梁的抗剪能力，也可按材料力學(xué)中的有關(guān)公式計(jì)算。為了簡化，通常假定剪力完全由腹板的計(jì)算截面平均承受。型鋼的腹板較厚，抗剪強(qiáng)度一般都能滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)梁的抗彎強(qiáng)度按塑性階段設(shè)計(jì)時(shí)，剪力的存在會(huì)加速塑性鉸的形成；因此，對(duì)最大彎矩截面上的剪應(yīng)力，應(yīng)有比較嚴(yán)格的限制。
鋼梁上承受固定集中荷載處，當(dāng)荷載作用在翼緣上時(shí)，該處翼緣與腹板交界部位的腹板水平截面，應(yīng)具有足夠的抗豎向局部壓力的能力。承受豎向局部壓力的腹板水平截面的面積，為該豎向壓力在所驗(yàn)算水平截面上的假定分布長度與腹板厚度的乘積，并假定豎向壓應(yīng)力在該水平截面上為均勻分布。若計(jì)算截面的抗豎向局部承壓能力不足，可放大支承豎向荷載墊板的長度，或在該處設(shè)置腹板的加勁肋。
