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浅谈钢结构发展热点

摘要：文章从钢结构的材料、设计理论、结构形式，施工技术这几个方面浅析了钢结构的发展现状及发展热点，以便以后更好的为钢结构发展做出贡献。
关键词： 钢结构 发展
1 钢结构材料的研究热点
1.1钢材材质方面
我国在使用新材料方面，己取得不少成绩，如已制定了耐侯钢的技术标准，且宝钢已有产品，如规范厚板的性能，规定了“厚度方向性能的钢板”；在新修订的钢结构设计规范中增加了Q420级钢等等。这些新材料的采用对节约钢材有较大意义，如采用H型钢和冷弯型钢等高效钢材就可节约用钢量20%，这肯定会带来明显的经济意义。
但随着结构的高层化和大型化，所用钢材的厚度逐渐增加，加以我国又是地震多发区，提高建筑钢材的可焊性(焊接性能)和抗震性能，已是刻不容缓的事情了，从这个角度看我国建筑钢材的品种、性能、规格和国外先进国家相比，差距仍较大。
以日本为例，日本开发的以下钢材在都是走在世界前列的：
(1) 高强钢。590N ()和78oN()的高强钢。以22层的框架结构为例，采用590N钢比SN490节约钢材10%~20%。
(2) 耐侯钢(FR钢)，为在普通钢中添加等元素而成，其耐热温度为600℃(一般钢材仅为350℃，此时强度下降不超过1/3，按长期荷载考虑仍能保持承载力)。使用这种钢材对可燃物较少且空间较大的建筑物和体育馆、博物馆等有可能不用防火涂料，节约大量投资。
(3) 极软钢。所谓极软钢，即屈服点的软钢，其化学成分接近纯铁，合金元素极少，轧制后通过退火等热处理措施使其软化。这种钢主要用于减震结构，据日本研究，用极软钢做的减震措施和各种阻尼法相比，具有价格低、性能稳定、耐火性好等优点。
1.2热轧型钢方面
热轧型钢截面除了传统的角钢、槽钢、工字形钢，热轧H型钢(平行宽翼缘工字钢)也成为近年来常用的一种型钢截面。热轧H型钢是一种经济断面钢材，与普通工字钢相比，翼缘要宽，侧向刚度较大，一般绕弱轴的惯性矩要大一倍以上，抗压、抗弯、抗扭、抗震能力强，翼缘内、外表面平行，便于机械加工便于结构连接和安装，可使钢结构构件用钢量减少6%~17%，我国新的钢结构设计规范已列入热轧H型钢。现在我国马鞍山钢铁股份有限公司和莱芜钢铁集团有限公司等，己能轧制出截面高度为200~700m三种类型的优质热轧H型钢，符合国家标准《热轧H型钢和部分T型钢》(GB/T11263—1998)规定的型号系列，填补了我国钢材产品的空白，为我国工业与民用建筑提供了可选材料。
1.3薄壁板材方面
压型彩色钢板是在20世纪50年代末引入，由厚度0.5~lmm的薄钢板压成锯齿型。它具有一定的抗弯能力，作为非承重构件的压型钢板的模板使用，可兼作工作平台而不需脚手架，其经济性能和安全性显而易见，还可大大缩短施工周期。保温材料(聚氨脂塑料)与压型钢板组成的合成板，其使用范围更广，作为外墙板、屋面板在轻型厂房中使用的非常广泛，其白重仅10kg/㎡。压型钢板上面浇灌混凝土后，可用作楼盖层，压型钢板即是楼板的抗拉筋，又替代了模板，而且可以作为无耐火被覆的耐火构件。压型钢板与混凝十组成的合成板，是一种施工性好、经济性好的楼板形式，目前己成为钢结构建筑楼面的主流。
目前国内厂家生产的产品与国外同类产品(如BHP、ABC和Butler等)比较起来，数量较多，但质量良莠不齐，在耐久性(耐久性指板材在一个合理的时期内不剥落、不开裂或不褪色)和抗褪色性(其对于阳光较强的地带非常重要，因为那里紫外线辐射经常会损坏较深的色彩，如红色和蓝色)方面毫无优势可言。我们急需自行研究生产出能和国外同类产品相竞争的板材，以满足国内这个全球最大市场的需求。
1.4保温、隔热材料方面
随着时代的发展，人们对建筑物的节能要求逐步提高。从过去的历史看，保温问题并不是钢结构建筑行业中最头疼的问题，但人们对保温不足仍然抱怨不停。日前解决保温问题的方法是采用保温材料，其都是通过保温介质截留静止空气以减缓热传导来起作用的。不同类型的保温材料主要的差别就在于这种作用如何实现，其类型有：玻璃纤维保温棉毡、硬质保温材料(泡沫板)、夹心泡沫板和喷涂式保温材料。保温材料的厚度和类型对于房屋的热工性能有极大的影响。在这一节，不得不提到“冷凝现象”这个概念。当热空气冷却或遇上冷表面时，它将失去一部分水汽，就造成了冷凝现象，其会导致金属表面腐蚀、霉斑，从而丧失保温性能并毁坏面层。目前解决此问题的方法是在较暖面安装防水汽贴面，其可以减缓水汽的运动速度，特别是对潮湿的地区或有潮气散发的房屋是十分重要的。
1.5防锈、防腐蚀材料方面
钢结构的缺点之一为耐腐蚀性能差。新建造的钢结构一般要隔一定时间都要重新涂刷涂料，造成钢结构建筑维修费用较高。目前解决防腐蚀问题的方法有：在钢结构构件表面喷涂防锈涂料和采用不易锈蚀的耐候钢。钢结构防锈和防腐蚀采用的涂料、钢材表面的除锈等级以及防腐蚀对钢结构的构造要求等应符合现行国家标准《工业建筑防腐蚀设计规范》和《涂装前钢材表面锈蚀和防锈蚀等级》GB8923的规定。在设计文件中应注明所要求的钢材防锈等级和所用的涂料(或涂层)及涂(镀)层厚度。设计时应对构件的基材种类、表面除锈等级、涂层结构、涂层厚度、涂装方法、使用状况以及预期耐蚀寿命等综合考虑合性能更好的新钢种，努力改善和提高钢材质量。
1.6防火材料方面
钢结构的缺点之一为耐火性能差(耐热不耐火)，在火灾中，未加防护的钢结构一般只能维持20分钟左右。这一点在“9.11”事件中世贸大厦的倒塌中得到了充分证明。目前解决防火问题的方法有：在钢结构构件表面喷涂防火涂料，或在钢结构外面包混凝土或其他防火材料。这也是钢结构造价较高的原因之一，其部分原因阻碍了钢结构的发展。钢结构的防火应符合现行国家标准《建筑设计防火》的要求，结构构件的防火保护层应根据建筑物的防火等级对不同的构件所要求的耐火极限进行设计。防火涂料的性能、涂层厚度及质量要求应符合现行国家标准《钢结构防火涂料通用技术条件》和现行标准《钢结构防火涂料应用技术规范》CECS24:90的规定。
2 钢结构设计理论发展趋势
目前我国高层建筑结构设计的特点是：结构整体分析，单个构件设计。这种模式的结构分析与结构设计不一致。今后，我国高层建筑钢结构设计理论的发展趋势是：整体结构分析。整体结构设计，并以结构整体可靠度为结构设计的目标。为建立这种新型设计理论，需要展开以下几方面的工作：
2.1结构极限状态的划分与判别
高层建筑钢结构的极限状态可以分为以下三类：
（1）正常使用极限状态。包括两个水准：（1）人体舒适水准。以强风或弱地震作用下的人体舒适度为判别准则；（2）非结构构建无损水准。以非结构构建（如玻璃幕墙，内隔墙）在强风或常遇地震作用下不被破坏为判别准则。
（2）承载能力极限状态。包括两个水准：（1）不适于继续承载的变形水准。以结构产生不适于继续承载的变形为判别准则；（2）最大承载能力水准。以结构在自重和楼层活在作用下（考虑常温和火灾两种情况）及自重、楼层活载和风或水平地震作用下的整体稳定为判别准则。
（3）毁损极限状态。包括两个水准：（1）结构局部损毁水准。以结构局部不发生在风作用下的高周疲劳破坏、在地震作用下的低周疲劳破坏和在冲击荷载（煤气、锅炉的爆炸冲击、飞机的冲撞等）作用下的断裂破坏以及在大火作用下的扭曲破坏等为判别准则。（2）结构整体倒塌水准。以整体结构在强烈地震作用下不倒塌为准则。
2.2结构目标可靠度水平的确定
结构在各种极限状态下的目标可靠度，是现代概率结构设计中所需确定的一个重要指标。该指标影响结构安全域工程评价，需根据可靠与经济均衡的原则，按优化理论，确定结构的最佳目标可靠度水平。
2.3整体可靠度分析
整体可靠度分析是系统或体系可靠度分析问题，该问题正是目前结构可靠度理论中的一个研究热点。目前提出体系可靠度分析方法均为近似方法，且难于用于大型复杂结构。进行大型结构可靠度分析的主要困难来源于各构件抗力的完全相关和完全独立，解决大型结构可靠度的实用分析问题，成为实现以整体结构为目标的结构设计的关键。
3 钢结构主要结构形式
3.1大跨钢结构
空间结构从功能上讲是指能够形成较大的连续空间的结构体系，主要包括网架、网壳、索-膜结构以及组合、杂交结构。其特点是：连续的大跨度、大空间、大面积；、外观轻巧、美观、具有现代感的线型；抗震性能较好，结构受力较为单纯；构件类型较少，建设周期短，易于实现工业化；绿色环保和可循环使用。
大跨钢结构主要应用在：体育馆、会议厅、展馆、活动中心等大型公共活动建筑、机库、厂房、装饰门厅。
空间结构自60年代至今，一直稳步发展。空间结构的新动向是采用矩形钢管杆件的网架增多。近年在航站楼广泛采用空间衍架，其杆件多采用圆钢管。弦杆多采用曲线形。弓形结构的出现引起了人们的兴趣，但它的性能和应用规模还应进一步探讨。一些高校在对网架的锥头等零件进行研究和改进，目的是使产品的质量进一步提高。随着现代新结构概念与新材料的更新，空间结构有网架、网壳到正在发展完善中的索-膜、索张拉、预应力结构体系等。
3.2钢结构住宅
钢结构住宅依其自重轻，基础造价低，适用于软弱地基，安装容易，施工快，周期短，投资回收快，施工污染环境少，抗震性能好等综合优势而受到各方的重视。钢结构与砖混结构、混凝土结构等相比，在使用功能、设计、施工以及综合经济方面都具有优势。在住宅建筑中应用钢结构的优势主要体现在以下几个方面：
(1)利用钢材强度高的特点，设计可采用大开间布置，使建筑平面能够合理分隔，灵活方便，创造开放式住宅，而能合理布置功能区间。
(2)相同建筑面积的建筑楼层，钢结构自重轻。根据比较，6层轻钢结构住宅的重量，仅相当于4层砖混结构住宅的重量。而且钢材具有延性，能比较好地消耗地震带来的能量，所以抗震性能好，结构安全度高。
(3)钢结构构件，可以实行工厂化生产，现场安装。由于现场作业量小，对周围环境污染少，同时，
施工机械化程度高，加快了施工速度。根据统计，同样面积建筑物，钢结构比混凝土结构工期，可缩短三分之一，而且可节省支模材料。
(4)由于自重轻，基础费用降低，总体用料减少，直接成本降低，建设工期短，间接费用又可减少，所以综合造价低。
(5)钢结构适宜工厂大批量生产，工业化程度高，并且能将节能、防水、隔热、门窗等先进成品集合于一体，成套应用，将设计、生产、施工一体化，提高住宅产业化的水平。
从上面的分析中可以看出，钢结构是适合创新的住宅结构体系。钢结构可随着人们审美观的不同，使用功能要求的不同，设计各种造型、尺度、空间的新型房型。生产厂家能高精度、高质量、高速度完成，使建筑物达到既美观又经济的效果。
3.3轻型钢结构
轻型钢结构是只有圆钢、小角钢和薄壁型钢组成的结构[1](这是相对普通钢结构而言的)。轻型钢结构的屋面荷载较轻，因而杆件截面较小、较薄。它除具有普通钢结构的自重较轻，材质均匀，应力计算准确可靠，加工制造简单，工业化程度高，运输方便等特点外，一般还具有取材方便，用料较省，自重更轻等优点。轻型钢屋盖结构的用钢量一般为8~15kg/㎡，接近在相同条件下钢筋混凝土结构的用钢量，且能节约大量木材、水泥及其它建筑材料，将结构自重减轻为普通钢结构的70~80%，总的造价较低。
轻钢结构是近10年来发展最快的领域，在美国采用轻型钢结构占非住宅建筑投资的50%以上。这种结构工业化、商品化程度高，施工快，综合效益高，市场需求量很大，已引起结构设计人员重视，这种结构被广泛应用于仓库、办公室、工业厂房及体育设施。轻钢住宅的研究开发已在各地试点，是轻钢发展的又一个重要方向，目前已经有多种的低层、多层和高层的设计方案和实例。因其具有可做到大跨度、大空间，分隔使用灵活，而且施工速度快，抗震有利的特点，必将对我国传统的住宅结构模式产生较大冲击。
3.4钢管混凝土结构
钢管混凝土(CFST)，就是在钢管中充填素混凝土制成的建筑构件。它具有承载力高，抗震性能好，节约钢材和施工简捷等突出优点，因而在高层和超高层建筑中得到了日益广泛的应用。其推广与发展的速度十分迅猛，并将成为21世纪高层和超高层建筑群最为实用和主要的结构形式。
这种结构的特点是：
(1)钢管混凝土柱的抗压和抗剪承载力高，相当于钢管和混凝土二者之和的2倍以上；
(2)钢管混凝土柱截面比钢筋混凝土柱可减少60%以上，轮廓尺寸也比钢柱小，扩大了建筑物的使用空间和面积；
(3)柱子截面减小，自重减小，有利于结构抗震，相当于设防烈度下降一级；
(4)钢管混凝土柱自重减少，减轻了地基承受的荷载，相应降低了地基基础造价；
(5)钢管壁薄便于选材，制造与现场焊接，是施工最为快捷的建筑结构；
(6)钢管混凝土柱内的混凝土可大量吸收热能，其耐火性优于钢柱，从而比钢柱可节省耐火涂料50%以上；
(7)钢管混凝土具有的核心混凝土三向受压特性，利于刚刚问世的C60~80高强度混凝土安全可靠地推广应用。同时由于在高层建筑设计中，钢管混凝土柱可以仅控制长细比而不必限制轴压比。此外因其整体性能好，还克服了普通钢结构钢柱存在的局部失稳的缺点。因此，与钢筋混凝土柱相比，截面设计可以减少60%以上。
4 钢结构施工
随着大跨度结构及超高层结构的不断增多，施工技术的研究、施工技术的创新以及由此产生的施工力学问题日益突出。传统的施工技术在高大精尖等复杂结构中被慢慢淡出，随之而来的是一些创新的施工技术，如整体提升施工技术、整体顶升施工技术、整体滑移施工技术及其他特殊结构施工技术等。它们的最大特点：一是施工方案的创新与新结构形式紧密结合，根据新结构的构成和受力特点创新施工方案；二是施工力学问题的解决紧密依赖于计算技术的发展，可以通过施工过程的仿真，真实地了解和掌握结构在施工过程中的变形和内力的变化过程。
施工技术的创新也包括在现有一些施工技术的基础上注入新的技术，如整体提升采用液压穿心式千斤顶和计算机控制技术相结合，整体顶升技术应用在攀达穹顶网架结构和网壳结构的整体安装中等。一些特殊结构形式的施工技术，如摩天观光轮，可以根据其结构形式具体对待，但就一般共性的问题可先进行研究。新型施工技术的实施需要以模拟仿真分析的数据为指导，同时分析的结果也是评价方案优劣的重要依据。
仿真技术是一相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验的一门综合技术。简单的说，仿真技术是对系统模型的一种试验技术。建筑工程施工是一项将设计图建成实物的复杂工作。其施工方法和组织程序存在多样性、多变性。至今对施工方法和施工组织的优化主要建立在施工经验基础上。依靠施工经验对施工进行控制和优化，具有一定的局限性。特别是在全新的结构或复杂条件下施工，依靠经验对工程施工的可行性、控制优化、事故预测和生产调度优化等各方面的分析和预测，可能会由于思维惯性而忽略重要结果或由于力不从心只能分析局部和少量结果，更无法开展定量分析。而依靠仿真技术这一高效节省的实验方法，能够跟踪施工过程的各个环节，对施工生产全过程进行试验，验证优化施工技术和施工组织。鉴于仿真技术的显著优越性，圣淘沙名胜世界项目对仿真技术的应用于建筑工程进行了尝试。
5 结束语
作为土木工程的学生，只有了解好钢结构发展的现状，认识钢结构的发展热点，才能在以后的工作中不断的创新，为我国的钢结构发展添砖加瓦。

参考文献：
【1】陈绍蕃.《钢结构》,北京,中国建筑工业出版社.1994.
【2】沈祖严,陈扬骥,陈以一,钢结构基本原理,北京,中国建筑工业出版社,2002.05,
【3】丁大均,蒋永生,土木工程总论,北京,中国建筑工业出版社,1997.12,
【4】王肇民,建筑钢结构设计,上海,同济大学出版社,2001.02,
【5】AlexanderNewman著,余洲亮译,金属建筑系统设计与规范,清华大学出版社.加01.08
【6】张其林,索和膜结构,上海,同济大学出版社,2002.02
【7】中国工程建设标准化协会标准,门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102:98,北京
【8】刘西拉,我国结构工程学科应优先发展的领域,土木工程学报,vol.26,N0.4,1993