淺談鋼結構的建筑新時代

□敖夢強

一、引言

在20世紀50年代，西方列強基本完成了工業革命，掀起了工業大量冶煉金屬的一股熱潮，中國亦是如此。在這100年間西方國家冶煉技術飛速發展，尤其是鋼鐵技術方面更是發展到一個頂峰階段，并把鋼鐵運用到各個行業中；值得一提的是鋼鐵在建筑行業中得到了非常廣泛的運用，在西方建造了很多大規模的鋼結構建筑；我國也開始重視這一項技術，并把它廣泛運用于建筑業中。

在鋼結構建筑取得初步成效的同時，國家開始注重鋼鐵的產量；對此，我國鋼鐵的發展邁進了一個全新的階段。在20世紀末，我國鋼鐵技術基本成熟，全國各地逐漸興起許多大大小小的鋼鐵廠，在此后新修的化工廠、發電廠、造船廠等結構，國家都盡量提倡采用鋼結構。

21世紀初，我國鋼結構更是達到了一個更加輝煌的時期，不僅僅在大型鋼鐵聯合企業中得到十分廣泛的應用，更是利用此項技術建造出了許多一般修建無法建造的超高跨度橋梁、超高層建筑、超大規模建筑群等鋼結構建筑，例如：上海環球金融中心、上海中心大廈、國家體育場、國家大劇院等。鋼結構建筑的廣泛運用，不但帶動我國鋼鐵事業的蓬勃發展，而且拉動我國經濟建設飛速前行。

二、鋼結構特點

在鋼結構主要是通過使用鋼材按照一定的連接方式制成；例如：鋼板、型鋼通過螺栓連接。鋼結構是一種新型建筑方式，在一定程度上完全可以代替鋼筋混凝土。第一，鋼結構具有高強度、質量輕的特點，在用同等強度的鋼結構和混凝土結構的情況下，鋼結構的鋼材質量遠遠要小于它同等強度所使用的鋼筋混凝土材料的質量；第二，鋼結構表面平整組織均勻，混凝土中清水混凝土同樣可以達到表面光滑平整的程度，但其價格卻遠遠高于同樣的鋼材并且施工過程復雜繁瑣；第三，可塑性能良好，鋼材在一般情況下不會發生變形，特殊情況下的破壞：地震、荷載作用時鋼材會先屈服達到一定強度后才會破壞、斷裂；第四，現代化程度高，對于不同建筑可用不同規格的鋼材，但是煉鋼廠的模具有限，大多需要后來的加工，根據相應的建筑加工成所需要的型號，加工好以后運送至施工現場拼裝，只需使用一些吊裝設備就可以完成建筑，還可以在修建的同時拼裝；第五，拆遷方便，鋼結構的安裝只需要通過一些吊裝設施及人工的一些拼接就可以順利完成，在拆除的時候同樣可以使用如此方法進行拆除；第六，密閉性能優越，由于鋼材是煉鋼廠整塊成模澆筑而成，幾乎可以做到完全的密閉空間，對于特殊的氣體、液體、固體無疑是最好的選擇；第七，容易腐蝕，既然鋼結構由鋼材拼接而成，鋼材的化學性質鋼結構同樣有，鋼材擁有強度大、剛度大、穩定性高的特點，但鋼材都比較容易銹蝕，在一個濕度大或者是有侵蝕性介質的環境中容易引起化學變化，所以鋼結構需要定期的除銹、刷漆等一些防護措施；第八，耐火性差，盡管鋼材十分堅硬、承載能力強，但是卻不能經受高溫的輻射，在低溫時鋼材主要性質會變化，但屈服點和彈性模量下降幾乎可以忽略不計，說明鋼材耐熱性能還是可以的，如果溫度一旦達到250°或者以上溫度，鋼材性質驟然變化，內部結構變得不穩定，長時間鋼材會緩慢融化，所以鋼結構的防火問題應當特別注意。

三、鋼結構在建筑中的應用

(一)鋼結構適用建筑。根據鋼結構的特點，發現不是所有的建筑都可以采用鋼結構的，它具有一定的局限性，一是只能用于修建特許需求的建筑，如：廠房，在廠房內大多需要使用吊車對結構的承載能力有更高的需求，還有一些大型的工業廠房也是，生產大型零件所需要的設施都要求建筑具有特別的強度和承載能力。二是大跨度結構。飛機的裝配車間、體育館、展覽館、大會堂等，超遠距離的跨度使得對建筑整體性的要求增加，同時它還要具有較高的剛度。三是多層和超高層建筑，現代建筑的高度需求對一般結構而言存在著十分危險的隱患，采用鋼材會主體能很好解決過高高度所影響的強度問題。四是可拆卸、裝配式建筑，一些用作商業、旅游產業和建筑臨時房屋，因為人們不定期的使用條件需要能夠隨時拆卸或者組裝，一般建筑材料都無法滿足拆卸后再重新組裝使用，而鋼材通過連接拼裝的方式正好能夠滿足這些建筑的需求。五是輕型結構，現在建筑逐漸追求簡單便捷，對于一些倉庫、屋面、體育場雨蓬，需要面積大材質輕的建筑材料來裝飾或者遮蔽，鋼材正好可以發揮其特點。

(二)鋼結構使用性能及選用規則。鋼結構的主要成分就是鋼材，鋼材種類復雜多樣。用于建筑的鋼材必須在機械性能、加工工藝性能、貨源和價格方面有著十分硬性的要求。機械性能：鋼材的機械性能主要包括強度、塑性在承載力范圍內能夠較多地承受荷載帶來的壓力。工藝性能，要求冷彎性能與韌性合格，具體表現在冷加工時具有塑性變形的能力和在動力荷載下抵抗脆性破壞的能力，通過這些鋼材性質的檢驗來保證鋼結構具有足夠的強度、穩定性。可焊性能，鋼結構是通過鋼材的連接組裝而成，對于不同的結構其連接方式也不同，現在大多數的鋼結構連接都是采用焊接連接，那么對于鋼材是否具有一個良好的可焊性能就顯得十分重要。耐火、耐候性能，這是對于某些特點結構而專門設計的額外性能，對于使用功能不同的建筑要求其性能也不同。地方氣候環境同樣占據一部分因素。耐火性能的鋼材可以按照相應的防火要求，適當使用防火材料，加大鋼材的經濟效益；若鋼材長期處于一個裸露的環境下，需要對其外層養護，選擇表面鍍層或者是涂裝涂料保護和外加保護套等。鋼材種類繁多按照國家的標準可以大致按兩類劃分；一類是化學成分；一類是質量等級和性能。在實際建筑工程中，根據建筑需要選擇不同的鋼材，但選擇鋼材時要遵循某些原則，并不是所有適合使用的鋼材就可以直接使用。建筑選用鋼材的原則是，在結構安全可靠的同時保證經濟的合理。在保證安全時又要考慮諸多的因素，結構的重要性，在整個鋼結構建筑中它起了一個什么樣的作用；荷載特征，該結構在使用的過程中承受的荷載的類型是靜力荷載還是動力荷載；應力特征，對于構件而言拉應力容易引起結構內部變壞從而破壞結構，在選擇受拉構件時應這種考慮這方面可能存在的問題；連接方法，一般的鋼材連接方法為焊接和緊固件連接，焊接時產生的高溫會稍微影響鋼材內部結構；工作條件，處于低溫的鋼材容易發生冷脆現象，需要考慮不受低溫影響的材料；鋼材厚度，越厚的鋼材強度、塑性反而越差，在焊接時需著重考慮這方面的因素。

鋼結構的選用遵循一定的規則，在設計方面同樣如此。在設計的結構能夠滿足需要的使用功能前提下做到經濟合理。根據國家對結構功能的規定：必須滿足安全性、適用性、耐久性的要求同時還要滿足可靠度。對于這些功能通常采取計算的方法來確定承載的極限具體是多少，得到理論最大承受荷載值。

(三)鋼結構的連接。鋼結構除了計算承載力外，另外一個重點就是鋼結構的連接問題。鋼結構計算好后需要按照特定連接方式達到承載最大值。其主要連接方式為：焊接、栓接、鉚接。第一，焊接，通過電弧產生熱量熔化焊條讓焊件相接部分緊密連接起來，然后冷卻最終形成一個整體。焊接一種簡單連接方式，不需要大量的材料，生產效率高，并且在一定條件下可以實現機械自動化管理，除此之外，焊接出來的結構剛度等方面均能滿足要求，但是焊接產生的高溫對于鋼材局部會產生一定的影響，會讓受熱區域材質軟化容易斷裂。在經過長時間的改進后基本可以忽略這點影響，如今它已成為鋼結構連接中的主要方式，除了一些特殊結構限制不能使用外，一般的部位均可以使用；第二，栓接，是一種通過螺栓連接的方式，通過螺栓產生一個約束力，讓鋼材連接成一體；由于需要連接螺栓所以在鋼材上面需要預留一定的孔洞，在轉角處還需要設置一些連接設施，因此在建造方面增加許多難度并且材料使用量也將增加，在安裝時必須嚴格要求；但栓接的方式簡單快捷，施工速度有了一定保證，往后的拆裝維護更加方便，栓接仍然是一種常用的鋼材連接。按照使用的栓接等級分為普通強度栓接和高強度栓接兩種。普通栓接，采用一般性質的螺栓進行粗加工后直接投入工程的使用。高強度螺栓，對要使用的螺母進行熱處理增加它的強度以及使用性能，使用這種高強度螺栓后不易產生滑動，連接更加牢固，同時它還可以增加承載能力。第三，鉚接，一種半圓形的釘頭的鉚釘，在把釘桿燒紅以后插入連接的釘空中，然后將另一邊也做成釘頭完成固定，通過這種釘頭達到緊固的目的，20世紀鉚接曾是主要的連接方法，但由于消費過大逐漸被取代。

(四)鋼結構制作過程。除了鋼結構的連接之外它的制作過程同樣是一個重點問題，鋼結構的鋼材在一般專業的鋼材廠內都能生產除了一些特定需求之外；鋼材通過工廠生產出來后進行檢查和方樣，確定鋼材符合條件后再進行加工，再送至零件加工車間粗加工，最后有工人進行裝配、涂料、送至倉庫存放好。在鋼結構工程中細部的施工詳圖尤為重要，在出產前按照圖紙要求設計好，否則在送至施工現場發現有誤差的要重新進行制作；但是一些人工問題還是可以在現場進行校正的。為了避免這些情況可以預先拼裝好再送至施工現場，這就減少了因為施工場地條件不足無法及時更改誤差的犯錯率。安裝好后及時進行一次保養，對一些生銹的鋼材做除銹處理，保證鋼結構在使用時的穩定性。

鋼結構建筑在許多大城市得到廣泛應用，但一些地方由于地區的限制無法運進鋼材，相對對于鋼結構的運用就顯得不多。在我國鋼鐵大力發展的情況下，嘗試克服這些困難，將鋼結構技術引進，在這個鋼結構的大發展時代中脫穎而出。