鋼結構在土木工程中的應用研究

王雪征 曹廣健

摘 要：土木工程是建筑工程施工的基礎，是各種工程項目在施工中都不可缺少的一項關鍵的施工措施。土木工程結構常用到兩種材料，即鋼筋混凝土以及結構鋼，對于當前的土木工程來說，其在施工的過程中是通過相應的技術分析措施和管理手段逐步完善。其在施工中不僅僅是從結構特性的角度考慮，還要考慮施工的成本，對施工成本進行有效的管理和控制，提高施工中的鋼結構特點方式，并簡單的在其施工中進行處理。

關鍵詞：鋼結構;土木工程;應用探索

1 鋼結構建筑歷史和自身優勢

英國首先在建造房屋使用鋼結構，較為著名的代表是法國埃菲爾鐵塔。進入新世紀，鋼結構在土木工程建筑中應用更為廣泛。我國生產鋼材新技術增多，使得我國的建筑結構具有了時代氣息，鋼結構在我國前景廣闊。

鋼材之所以廣泛使用，與其優勢有關。一方面，鋼材強度高，適于跨度大、荷載重的建筑結構，較為安全。另一方面，鋼材易于塑型，吸收變形能力強;同時，鋼材韌性大，適宜動力荷載。此外，鋼結構比鋼筋混凝土施工時間短，有助于提高資金回籠和收益回報。而且鋼材建造拆除污染較少。從節能減排的角度出發，鋼結構住宅產業化能夠很好地節約各種資源，這些優勢對于新型住宅建筑建設意義重大。

2 我國鋼結構建筑基本分類

我國的鋼結構建筑基本目前應用最為廣泛的主要有三種。一種是大空間跨度鋼結構，二是高層重鋼結構，三是輕鋼結構建筑。其中，大空間跨度鋼結構建筑多出現機場、體育館等的建設。高層重鋼用型鋼、鋼板連接再焊接而成。輕鋼用薄鋼板冷軋型鋼組成骨架結構，用于廠房、倉庫等建筑。

3 土木工程中鋼結構應用特點

3.1 高強度。鋼結構構件能力由材料強度決定。一般是用國家標準來確定性能，建筑結構滿足CSA標準ASTM standardA992/A992M等標準。我國過去建筑結構強度數據摘于CISC記錄。屈服強度其范圍大約270～700Mpa，當然并非全部鋼種都有強度級別，特定的建筑鋼結構設計對鋼種類型和強度選擇重要。采用鋼結構能減少物料消耗、結構自重、支撐部件，降低建筑結構成本。

3.2 強剛度。振動、變形各種參數由構件剛度構成，由結構體系剛度決定。結構體系剛度包括構件以及其他連接件。簡單的說，其剛度由材料截面特性及彈性模量決定。而一般意義上的密度抗壓強度在20-40Gpa內混凝土彈性模量在21-29GPa內;高強度混凝土彈性模量在41-46GPa間，鋼結構鋼性剛性優勢顯著。

3.3 廣延性。延性指材料拉伸無斷裂能力。延性是結構設計中重要參數。材料延性并不都轉化為建筑結構內在延性，采取設計策略滯消機制。通常設計具有延性要有足夠截面、延性及結構延性。延性值要與變延性水平、構件延性以及結構延性相匹配。盡管鋼結構延性十分高，然而由于其結構受彎構件受力不是很穩定，構件曲率延性通常不足。

3.4 高韌性。韌性是材料斷裂能量吸收及變形能力指標。韌性的作用能抵抗缺口不穩定裂紋擴展。鋼結構使用中承受眾多工業變形是鋼結構基本特點。鋼構件韌性使它在彎曲、剪切、鉆孔等中降低裂紋產生。鋼結構斷裂韌性對受沖擊荷載建筑更為重要。溫度條件是影響鋼結構韌性的重要因素，溫度減小而降低。

3.5 整體性。誠如上述，鋼結構優于鋼筋混凝土，它可以建構異國建筑形式，鋼結構可以提供設計靈活性及最大空間利用率。鋼結構應用空腹鋼鐵托架，可以為管道及供電線路提供通道。鋼架被用來增加樓層。施工時施工所需人員少;鋼結構安裝及制作質量要可靠和簡便。修改時，鋼結構成本更低。附加支撐系統鋼結構可以加快施工進度。

4 土木工程中鋼結構應用的不足

需要指出的是，不是每種材料都是完美的。鋼結構從應用到施工的各個極端都存在著一定的不足和缺點，主要表現在以下幾個方面：

4.1 材料自身的缺點

前面說過，鋼結構剛度比混凝土是要大的。但是，如果在應用的過程中碰到較為大的負載量，鋼構件截面剛度小于混凝土結構。要提高構件穩定性，我們可以通過加強型鋼尺寸以提高截面的剛度。鋼材耐火性和耐腐性欠缺，溫度150度要采用隔熱層保護，重要部位鋼結構要涂刷防火涂料。

4.2 市場環境方面因素

第一，設計力量薄弱。設計建筑結構要注意結構功能要求。在設計承載力較高要使用鋼結構，要考慮用不適合繼續承載巨大變形為結構設計極限狀態為準則。鋼結構節點多要對螺絲、墊板及焊縫精確計算，鋼結構設計比混凝土結構設計復雜。

第二，鋼結構生產不成體系。只有在大規模生產的情況下才可以體現出鋼結構的優越性。目前鋼結構生產標準、價格標準以及質量標準都沒有統一，國家標準以及監管機制方面也都有欠缺，設計師及開發商相對茫然。

第三，價格存在的問題。鋼結構生產還沒有形成一定的體系，價格仍然較高。鋼產量雖有大幅度提高，但是人均產量仍然相對較低，鋼材仍是我國國民經濟中比較貴重的材料，而混凝土的價格優勢就體現出來了。鋼結構使用壽命五十年，很多人喪失購買的欲望。

5 鋼結構的施工與安裝要點

鋼結構的施工流程比較復雜，建筑要求不同細節上有很大差異性。具體有如下幾點。

第一，鋼結構的選材與連接。鋼材通常分為板材、型材、金屬制品以及管材四大類。土木工程中的建筑鋼材通常采用普通的低合金鋼、優質碳素結構鋼以及普通碳素鋼等，碳鋼的塑性比較低，但是硬度強度比較高。在鋼結構中，柱子截面一般多為箱形截面或者寬翼緣“工”字形，另外還有“十”字形截面等等;梁多數是焊接或者軋制的“H”型鋼梁，如果要求特殊也可以符合截面，在安裝前要對主要的焊接接頭做焊接工藝的試驗，定出焊接的格料和各項參數。型鋼采用型鋼切割機下料，鋼板采用半自動切割機下料，下料后應進行清渣修磨，編號歸類放置。先在構件上劃針和鋼尺劃出孔中心和直徑，在孔四周打四只沖孔，鉆孔后檢查。高強度螺栓摩擦面處理：噴砂處理高強度螺栓摩擦面的表面粗糙度：石英砂的粒度1.5～4ram，加工后的鋼材表面呈現灰白色。用電動砂輪機打磨鋼板的表面，砂輪打磨的方向與受力方向垂直，打磨范圍不應小于4倍螺栓直徑，打磨不應在鋼材表面磨出明顯凹坑。

第二，鋼構件堆放及選擇安裝機械地點。安裝結構是一個地區土地面積的1.5倍，從中轉支持結構鋼構件堆場，送到現場裝卸機械使用在其位置安裝機械回轉范圍內。如果運輸原因造成變形，在施工現場是會被糾正。鋼結構是塔式起重機，起重臂長度的覆蓋能力，安裝必須足以滿足解除組件的不同部分的要求。鋼絲繩起重能力能夠滿足高要求;提升速度等級，以滿足安裝要求。在多機操作的情況下，臂桿的高度必須足以防止不安全的碰撞，確保安全運行。之間的各種塔式起重機有適當的安全距離，確保不發生碰撞的手臂與塔。鋼經常比施工安裝生產線的布局水平因地制宜。

6 結束語

總之，隨著國家提倡節能環保，鋼結構建筑將大幅增加。中國鋼材價格低，勞動力成本低，鋼結構質量優良，有很強的競爭力，所以，我國鋼結構在土木工程存在具有潛力的應用領域和發展空間。

參考文獻

[1]李國強，陸燁，何天森.鋼結構在現代住宅中的應用[J].工程建設與設計，2005（2）.