鋼結(jié)構(gòu)的應用與發(fā)展

王 銳

（首鋼長鋼設(shè)計規(guī)劃院，山西 長治 046031）

鋼結(jié)構(gòu)有著廣泛的應用領(lǐng)域。在房屋建筑中,有大量的鋼結(jié)構(gòu)廠房、高層鋼結(jié)構(gòu)建筑、大跨度鋼網(wǎng)架建筑，懸索結(jié)構(gòu)建筑等；在公路及鐵路上有各種形式的鋼橋；鋼塔及鋼桅桿則廣泛用作輸電線塔、電視廣播發(fā)射塔。目前，中國鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展十分迅速，特別是能夠代表我們國家經(jīng)濟實力、科技水平、材料工藝及建筑技術(shù)的一系列高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的建成，將鋼結(jié)構(gòu)在中國的應用與發(fā)展推上了新的高潮。如1996年建成的深圳地王大廈高度325 m，是國內(nèi)第一幢超高層鋼結(jié)構(gòu)大廈，1998年建成的大連遠洋大廈，系鋼結(jié)構(gòu)高層建筑（高度201 m，51層），從設(shè)計、制造、安裝以及鋼材供應，全部由中國自己完成。

1 鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)特點

1.1 鋼結(jié)構(gòu)材料自重輕，可顯著降低基礎(chǔ)工程造價

根據(jù)比較，6層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的重量，僅相當于4層磚混結(jié)構(gòu)住宅的重量。對于框剪結(jié)構(gòu)，當外墻采用玻璃幕墻，內(nèi)墻采用輕質(zhì)隔墻，包括樓面活載在內(nèi)對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)全部重力荷載約為15 kN/m2～17 kN/m2，其中梁、板、柱及剪力墻等自重約為10 kN/m2～12 kN/m2，但是對于鋼結(jié)構(gòu)全部重力荷載約為10 kN/m2～12kN/m2，其中，鋼結(jié)構(gòu)和混凝土樓板自重約為5 kN/m2～6 kN/m2。因此可知，兩類結(jié)構(gòu)自重比例約為2∶1，全部重力荷載的比例約為1.5∶1，所以對于這兩類結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的荷載差別將是十分驚人的。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

這是由于鋼材屬于金屬晶體具有各向同性的性質(zhì)，有很高的抗拉、抗壓和抗剪強度，更重要的是鋼材具有良好的延性。在地震的作用下，鋼結(jié)構(gòu)因其延性，不僅能減弱地震反應，而且屬于較理想的彈塑性結(jié)構(gòu)，且有抵抗強烈地震的變形能力。如日本明石海峽大橋，這座目前世界上主跨最長的懸橋(全長3911 m，主跨長1 991 m)，將日本的本州、九州、北海道和四國島連在了一起，該橋可承受里氏8.5級的強烈地震和80 m/s的暴風。

1.3 減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸，增加建筑使用面積

由于鋼材自重輕強度高，可使得建筑物梁柱截面積尺寸相對較小，因此其所占用的建筑面積也小，這樣就相當于增加了建筑物的使用面積，這對于投資方來說，將產(chǎn)生不小的經(jīng)濟效益。

1.4 質(zhì)量容易保證、施工速度快、周期短

鋼結(jié)構(gòu)施工的最大特點就是鋼構(gòu)件在工廠制作，因此鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量容易保證。鋼結(jié)構(gòu)一般均為現(xiàn)場安裝，作業(yè)比重大，而且其本不受氣候影響。而且混凝土樓板的施工可與鋼結(jié)構(gòu)安裝交叉進行。有時在上部安裝柱、框架的同時，下部可以進行內(nèi)部裝飾、裝修工程。因此，在保證技術(shù)、供應、管理等方面的條件下，可以提前投入使用。因此鋼結(jié)構(gòu)的施工速度常可快于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)約20%～30%，相應的施工周期也縮短能早日投入使用，使投資人在經(jīng)濟效益上及早獲得回報。如紐約帝國大廈，高381 m（加上后來修建的電視塔共高448 m），這座高102層的摩天大廈僅用了1年多的時間就建成了。

1.5 鋼結(jié)構(gòu)可以形成較寬敞的無柱空間，便于內(nèi)部靈活布置

便于大柱網(wǎng)大開間的建筑布置或轉(zhuǎn)換層或設(shè)備層、共享空間等建筑特殊平面與空間布置，便于設(shè)備管線的穿越設(shè)置。能更好地滿足建筑對大開間布置的要求，也可滿足地下車庫柱間可停數(shù)輛車的要求，這些都是同等條件下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)難以做到的。在鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)空間中，有許多孔洞與空腔，而且鋼梁的腹板也允許穿越小于一定直徑的管線，這樣使管線的布置較為方便，也增加了建筑凈高，而且管線的更換、修理都很方便。此外，集中荷載很大的轉(zhuǎn)換層或設(shè)備層均可以通過設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)層間絎架來解決，而這種絎架還可以起到加強與完善整個結(jié)構(gòu)體系的作用。如悉尼奧林匹克體育場，這座最多可容納11.5萬名觀眾的體育場，它由兩個長220 m、寬70 m的弧形鋼結(jié)構(gòu)支撐，其跨度可并排停放4架波音747客機。

1.6 鋼結(jié)構(gòu)建筑造價并不高

鋼結(jié)構(gòu)的造價與許多因素有關(guān)，對其造價的評估分析必須按動態(tài)的和綜合的經(jīng)濟評估進行分析。由于鋼結(jié)構(gòu)建筑在施工時可以節(jié)省支模、拆模的材料，由此降低成本,大大加快施工速度。資金價值在施工中充分體現(xiàn)，減少資金成本。根據(jù)目前掌握的數(shù)據(jù)和資料，鋼結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)間的差價約為工程總投資的5%～10%，如果從綜合效益看，采用鋼結(jié)構(gòu)后，由于自重輕而降低基礎(chǔ)造價，結(jié)構(gòu)尺寸小而增加建筑物使用面積和鋼結(jié)構(gòu)施工機械化高而縮短工期從而減少整個項目的投資。

1.7 鋼結(jié)構(gòu)耐熱性能好，但耐火性能差

（其耐火時限僅為15 min），鋼材在常溫至200℃以內(nèi)性能變化不大，但超過200℃以后，鋼材的強度將隨溫度升高而大大降低，到600℃時就完全失去承載能力。因此就要采取有效的防護措施,如用耐火材料做成隔熱層等以便提高鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能差。鋼結(jié)構(gòu)耐銹蝕能力差，據(jù)有關(guān)資料估算,約有10%～12%的鋼材損耗是屬于銹蝕損耗。因此鋼結(jié)構(gòu)必須采取防銹措施，應徹底除銹后按設(shè)防標準刷涂或噴涂防腐涂料以對其進行保護。目前，已經(jīng)有相應的保護規(guī)范、配套材料可使用，以提高鋼結(jié)構(gòu)的性能。

1.8 符合中國建筑產(chǎn)業(yè)化和可持續(xù)發(fā)展的要求

鋼結(jié)構(gòu)建筑現(xiàn)場作業(yè)量小、無噪聲、不污染周圍環(huán)境，改建和拆遷容易，材料的回收和再生利用率高。傳統(tǒng)建筑用的實心黏土磚，因大量浪費土地資源、污染環(huán)境已被限制禁止使用。相反，由于鋼結(jié)構(gòu)建筑易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)、標準化制作，可以采用節(jié)能、環(huán)保的新型墻體材料與之配套，因而，健康、環(huán)保、抗震較好的鋼結(jié)構(gòu)建筑，是中國現(xiàn)代化建筑發(fā)展的必然趨勢。

2 鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應用

（1）大跨度結(jié)構(gòu)。如體育館、影劇院、大會堂、展覽館、飛機維修庫等均采用鋼結(jié)構(gòu)。北京2008年奧運會的主體育場—鳥巢的主體結(jié)構(gòu)就為鋼結(jié)構(gòu)。

（2）工業(yè)廠房。如冶金廠房的平爐、轉(zhuǎn)爐車間、混鐵爐車間、初軋車間；重型機器制造廠的鑄鋼車間、鍛壓車間、總裝配車間等的主要承重構(gòu)件大多采用鋼結(jié)構(gòu)。如寶山鋼鐵公司的廠房結(jié)構(gòu)基本上是單層框架或排架體系的鋼結(jié)構(gòu)，其建設(shè)面積達到105萬m2。

（3）高聳結(jié)構(gòu)。如電線塔、電視廣播發(fā)射塔、鉆井塔、無線電天線桅桿等。

（4）高層建筑。由于結(jié)構(gòu)自重輕、強度高，同時抗震好、工期短、施工方便對高層建筑的修建極為有利。

（5）板殼結(jié)構(gòu)。如油庫、油罐、高爐、熱風爐、漏斗、煙囪、水塔以及各種管道等。

（6）可拆卸或移動的結(jié)構(gòu)。如建筑施工用的吊裝塔架，流動展覽館，移動式混凝土攪拌站，施工臨時用的房屋等。

（7）輕型鋼結(jié)構(gòu)。可用于使用荷載較輕或跨度較小的建筑。由于這類結(jié)構(gòu)布置靈活、制造安裝運輸都很方便，所以現(xiàn)已廣泛應用于倉庫、辦公室、工業(yè)廠房及體育設(shè)施。

（8）和混凝土組合成組合結(jié)構(gòu)，如組合梁和鋼管混凝土柱等。

3 鋼結(jié)構(gòu)建筑的鋼材選用

鋼結(jié)構(gòu)的原材料是鋼，鋼的種類繁多，對于鋼結(jié)構(gòu)用的鋼材：①承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫、磷含量的合格保證,對焊接結(jié)構(gòu)尚應具有碳含量的合格保證。②焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材還應具有冷彎試驗的合格保證。③對某些承受動力荷載的結(jié)構(gòu)以及重要的受拉或受彎的焊接結(jié)構(gòu)尚應具有常溫或負溫沖擊韌性的合格保證。

4 結(jié)束語

近幾年，國家建設(shè)部已經(jīng)把鋼結(jié)構(gòu)建筑列入全國重點推廣項目，北京、上海、天津等地，都相繼興建了一批鋼結(jié)構(gòu)住宅示范、試點工程。隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，土地資源的日益緊張，鋼結(jié)構(gòu)建筑必將是中國重要的發(fā)展對象，在未來的工程建設(shè)中擔當越來越重要的角色。