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钢结构

(图)钢结构
钢结构景观桥
钢结构通常由型钢和钢板等制成的钢梁钢柱钢桁架等构件组成;各构件或部件之间采用焊缝、螺栓铆钉连接。有些钢结构还用钢铰线、钢丝绳或钢丝束以及铸钢等材料组成。
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特点
(图)钢结构
钢结构
钢材的组织结构均匀,接近于各向同性匀质体,因而钢结构的理论计算结果比较符合实际受力情况;钢材强度较高,弹性模量也高;钢结构塑性和韧性好、适宜于承受振动和冲击荷载;钢材容重与强度的比值一般小于混凝土木材,因而钢结构的重量轻;钢结构便于机械化制造,精确度较高,安装方便,是工程结构中工业化程度最高的一种结构;施工较快,可尽快地发挥投资的经济效益。钢结构的密封性较好,但耐锈蚀性较差,需要经常维护;耐火性也较差。 #3$$#%%%%%%%6$
  
应用范围
钢结构常用于跨度大、高度大、荷载大、动力作用大的各种工程结构中,如工业厂房的承重骨架和吊车梁、大跨度的屋盖结构、高层建筑的骨架、大跨度的桥梁、起重机结构、塔架和桅杆结构、石油化工设备的框架、工作平台和海洋采油平台、管道支架、水工闸门等;也常用于可装拆搬迁的结构,如临时性展览馆、建筑工地用房、混凝土模板等。轻型钢结构常用于小跨度轻屋面的各类房屋、自动化高架仓库等。此外,容器结构、炉体结构和大直径管道等也常用钢材制成。   
沿革发展
钢结构泸定桥
泸定桥

中国是最早用铁建造结构的国家之一,据明朝《南诏野史》记载,东汉明帝(公元58~75年)时在云南省景东地区的澜沧江上建有兰津桥,“以铁索系南北为桥”;在清朝《小方壶斋舆地丛钞•云南考略》中亦有同样记载。现存的最早的铁链桥为云南省永平县保山市之间跨越澜沧江的霁虹桥,建于明朝成化年间(1465~1487年),桥总长113.4米,净跨57.3米,宽3.7米,底部承重铁链16根(现存14根)。四川省泸定县大渡河上的泸定桥,净跨100米,宽2.7米,建成于清朝康熙四十五年(1706年)。此外,尚有许多纪念性建筑,如现存的、建于南汉大宝十年(967年)的广州光孝寺东铁塔,共7层,塔身高6.35米;另有建于963年的西铁塔,现仅存3层;宋朝在现湖北省当阳县建造的玉泉寺铁塔(1061年),塔身13层高17.9米(见彩图),和 在山东省济宁市铁塔寺建造的9层铁塔(1105年),塔身高13米。这些建筑物表明了中国古代冶金和营造技术的高度水平。

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钢结构玉泉寺铁塔
玉泉寺铁塔
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在西方国家,第一个完全用铸铁建造的桥梁于1779年出现在英国科尔布鲁克代尔,跨长30.5米。18世纪末,工业革命兴起,冶金技术和建筑事业随之发展,出现了生熟铁组合结构。19世纪20~30年代出现了铆钉连接,50年代和60年代相继发明转炉和平炉冶炼工艺,随着轧制型材的使用,钢铁结构应用范围不断扩大,在结构体系、跨度和高度方面都有较大发展,如巴黎埃菲尔铁塔。20世纪以来,钢材品种的增加,制造方法的改善,计算理论和设计规范的发展,使钢结构在工业与民用房屋以及其他工程结构中得到更广泛的应用。如西尔斯大厦是最高的高层房屋之一;英国亨伯桥是至今跨度最大的钢桥。 #$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$%

1949年中华人民共和国成立以后,钢结构在桥梁、较大跨度的重型厂房、大型公共建筑及高耸结构中得到较多的应用。如南京长江桥;1977年建成的上海锅炉厂重型容器车间,主跨36米,高40米,吊车起重量400/80吨是中国最大的厂房之一;1983年建成的北京首都国际航空港机库,屋盖结构采用跨度72米并设有10吨多支点悬挂吊车的钢桁架;1975年建成的上海体育馆屋盖结构采用平板型钢网架(见网架结构);1972年建成的上海电视塔总高210.55米;北京环境气象塔,是中国最高的钢构筑物之一。中国设计和援建外国的大型工程中,也采用钢结构,如1983年建成的摩洛哥体育中心体育馆屋盖结构采用边长100.8米方形钢网架。

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钢结构英国亨伯尔桥 钢结构南京长江大桥 钢结构埃菲尔铁塔
英国亨伯尔桥 南京长江大桥 埃菲尔铁塔
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结构设计

(图)钢结构
钢结构厂房
结构构件及其连接的净截面上的各项应力均应不超过钢材的相应设计强度。承受静力荷载的受弯或拉弯、压弯构件,如满足一定的构造要求,计算强度时可以考虑截面塑性变形的发展。
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稳定性  轴心受压构件、偏心受压构件和受弯构件有可能丧失整体稳定,这些构件的组成部件(腹板和翼缘等)也有可能丧失局部稳定。设计时应验算这些构件的整体稳定及其部件的局部稳定。必要时还应验算整个结构的整体稳定。 #3$$#%%%%%%%6$

刚度  钢结构的整体和各组成构件都有一定的刚度要求。设计时应使其满足规范规定的各项刚度要求,如变形和长细比等均应不超过容许最大值。 www.18art.com

疲劳强度  对于直接承受重复作用的动力荷载(见荷载)的钢结构或钢构件及其连接,当应力变化的循环次数频繁时,应进行疲劳计算,使其应力幅度不超过相应的容许应力幅度。    #3$$#%%%%%%%6$

钢材应用

(图)钢结构主体工程
钢结构主体工程
钢结构应根据结构的重要性,荷载特征,连接方法,工作温度等不同情况,选择适当的钢材。通常采用的钢材为普通低碳钢和普通低合金钢,含碳量一般宜在0.22%以下,否则将降低塑性和可焊性。对于承受较重荷载、特别是动力荷载,以及处于低温下的结构,常采用3号镇静钢或16锰钢、16锰桥钢、15锰钒钢等。
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热轧成型的钢材有钢板、角钢、槽钢、工字钢、钢管、方钢、圆钢等(见热轧型钢)。冷弯薄壁型钢是用厚度较小(一般为1.5~6毫米)的带钢或钢板经冷弯或冷轧成型,可制成角钢、卷边角钢、槽钢、卷边槽钢、卷边Z型钢、方管、圆管等。

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钢结构所用钢材须保证抗拉强度、伸长率、屈服点和硫、磷的极限含量,对焊接结构还须保证碳的极限含量。对重要的结构以及需要冷弯成型的构件,应保证冷弯试验合格;对直接承受动力荷载的重要结构,须根据结构所处的计算温度,保证相应的常温或低温冲击韧性。 #3$$#%%%%%%%6$

屈服点通常被认为是钢材强度计算的极限值,是确定钢材设计强度的主要依据;抗拉强度表明钢材屈服后的强度储备;而伸长率则表明钢材塑性性能的指标。冷弯试验可以反映钢材承受规定的弯曲变形的能力,并能检验钢材内部组织结构的缺陷。冲击韧性表明钢材在应力集中和冲击作用下抵抗脆性破坏的能力;温度降低,冲击韧性下降。  

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技术特点

1、防锈蚀技术

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钢结构表面不加保护则在周围介质的作用下会产生锈蚀。锈蚀的速率与周围介质的温度、湿度和有害物质的含量有关。防锈蚀的方法,最常用的是用油漆等保护;也可用镀锌等金属镀层保护;或采用化学氧化处理办法保护,如磷化处理。采用含铜、等元素的合金钢材可提高抗锈蚀能力。 www.18art.com

2、防火技术

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钢材虽不可燃,但不耐火。当温度超过 300°C以后,屈服点、抗拉强度和弹性模量均开始显著下降,到600°C时则几乎降到零。常用的防火办法是在钢结构外面包混凝土或砖砌体,也可在构件表面喷涂一层含蛭石石棉或其他材料的水泥浆。当钢结构表面长期受辐射热达150°C以上时,应用隔热层加以保护。 #$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$%

发展展望

(图)轻钢结构
轻钢结构
随着生产和科学技术的进展,钢结构也将相应发展。生产将对钢结构提出更多更复杂的要求,从而需要研究和发展新的结构形式和适合钢结构使用的高强度钢种。电子计算机的应用为钢结构的精确计算提供了手段,为较复杂的结构体系(如空间结构)的应用和优化设计创造了条件;对钢结构和构件的设计计算理论,如稳定计算(包括板件屈曲后的承载能力)、塑性阶段计算、可靠度分析,以及在动力荷载下的性能等都将有所进展。冷弯薄壁型钢结构,尤其是压型钢板组成的应力蒙皮结构,有自重轻、用钢省、安装快等优点,已有所发展。钢和混凝土组合结构充分发挥了两种材料的特点,应用范围正在逐渐扩大。钢结构连接,除高强度螺栓连接和焊接将进一步发展外,还会有其他连接方法出现。钢结构制造的工业化程度随着新技术的发展会进一步提高,继而对钢结构的标准化提出更高要求。  www.18art.com

中国在下列几个领域内钢结构量会增加:

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1、火力电厂的建设还会加快,主厂房和锅炉钢架用钢量会增加(包括核电厂厂房用钢、风力发电用钢等)。 #$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$%

2、交通工程中的桥梁会有所增加,铁路桥梁均采用钢结构,公路桥梁采用钢结构已成为发展趋势,京沪高速、跨海、跨江大桥采用钢桥,高速公路中的护栏、收费站、交通标志的钢结构用量也不少。飞机场候机楼、火车站候车大厅和站台的新建和扩建项目不断增加。 #3$$#%%%%%%%6$

3、市政建设中采用钢结构的量会增加,地铁和轻轨工程城市立交桥高架桥、环保工程、城市公共设施及临时房屋等均越来越多的采用钢结构。尤其在北京、上海、天津、重庆和各大省会城市,经济发达的中型城市,钢材消耗量会明显增加。如北京每年用于高架桥用钢约2万多吨。北京奥运会、上海世博会、广州亚运会、深圳世青会的配套设施将采用大量钢结构建筑。 www.18art.com

4、钢结构住宅将增加。国家提倡建设节能省地住宅,有关钢结构住宅的设计规范及配套技术、材料基本具备。到2008年中国仅有几百万㎡的钢结构住宅,发达国家却达到40%-50%。如中国每年竣工6亿平方米的城镇住宅建设有5%采用钢结构,按多层、高层建筑平均50kg/㎡钢书计,用钢量将达到每年150万吨。上述数字未将农村建筑用钢结构统计在内。 

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参考资料

[1]西安冶金建筑学院等编:《钢结构》,中国建筑工业出版社,北京,1980。

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[2]钢铁物流 http://www.yn56.com/html/200805/200805171148008141.html

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[3]中国有色科技网 http://www.cnitdc.com/hangyebaogao/hangyebaogaonews/2008-6-26/20080626C085324-3.html

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