淺談鋼結(jié)構(gòu)的建筑新時(shí)代

□敖夢(mèng)強(qiáng)

一、引言

在20世紀(jì)50年代，西方列強(qiáng)基本完成了工業(yè)革命，掀起了工業(yè)大量冶煉金屬的一股熱潮，中國(guó)亦是如此。在這100年間西方國(guó)家冶煉技術(shù)飛速發(fā)展，尤其是鋼鐵技術(shù)方面更是發(fā)展到一個(gè)頂峰階段，并把鋼鐵運(yùn)用到各個(gè)行業(yè)中；值得一提的是鋼鐵在建筑行業(yè)中得到了非常廣泛的運(yùn)用，在西方建造了很多大規(guī)模的鋼結(jié)構(gòu)建筑；我國(guó)也開(kāi)始重視這一項(xiàng)技術(shù)，并把它廣泛運(yùn)用于建筑業(yè)中。

在鋼結(jié)構(gòu)建筑取得初步成效的同時(shí)，國(guó)家開(kāi)始注重鋼鐵的產(chǎn)量；對(duì)此，我國(guó)鋼鐵的發(fā)展邁進(jìn)了一個(gè)全新的階段。在20世紀(jì)末，我國(guó)鋼鐵技術(shù)基本成熟，全國(guó)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(fā)電廠、造船廠等結(jié)構(gòu)，國(guó)家都盡量提倡采用鋼結(jié)構(gòu)。

21世紀(jì)初，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)更是達(dá)到了一個(gè)更加輝煌的時(shí)期，不僅僅在大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中得到十分廣泛的應(yīng)用，更是利用此項(xiàng)技術(shù)建造出了許多一般修建無(wú)法建造的超高跨度橋梁、超高層建筑、超大規(guī)模建筑群等鋼結(jié)構(gòu)建筑，例如：上海環(huán)球金融中心、上海中心大廈、國(guó)家體育場(chǎng)、國(guó)家大劇院等。鋼結(jié)構(gòu)建筑的廣泛運(yùn)用，不但帶動(dòng)我國(guó)鋼鐵事業(yè)的蓬勃發(fā)展，而且拉動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)飛速前行。

二、鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在鋼結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)使用鋼材按照一定的連接方式制成；例如：鋼板、型鋼通過(guò)螺栓連接。鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，在用同等強(qiáng)度的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的情況下，鋼結(jié)構(gòu)的鋼材質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)要小于它同等強(qiáng)度所使用的鋼筋混凝土材料的質(zhì)量；第二，鋼結(jié)構(gòu)表面平整組織均勻，混凝土中清水混凝土同樣可以達(dá)到表面光滑平整的程度，但其價(jià)格卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同樣的鋼材并且施工過(guò)程復(fù)雜繁瑣；第三，可塑性能良好，鋼材在一般情況下不會(huì)發(fā)生變形，特殊情況下的破壞：地震、荷載作用時(shí)鋼材會(huì)先屈服達(dá)到一定強(qiáng)度后才會(huì)破壞、斷裂；第四，現(xiàn)代化程度高，對(duì)于不同建筑可用不同規(guī)格的鋼材，但是煉鋼廠的模具有限，大多需要后來(lái)的加工，根據(jù)相應(yīng)的建筑加工成所需要的型號(hào)，加工好以后運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)拼裝，只需使用一些吊裝設(shè)備就可以完成建筑，還可以在修建的同時(shí)拼裝；第五，拆遷方便，鋼結(jié)構(gòu)的安裝只需要通過(guò)一些吊裝設(shè)施及人工的一些拼接就可以順利完成，在拆除的時(shí)候同樣可以使用如此方法進(jìn)行拆除；第六，密閉性能優(yōu)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(duì)于特殊的氣體、液體、固體無(wú)疑是最好的選擇；第七，容易腐蝕，既然鋼結(jié)構(gòu)由鋼材拼接而成，鋼材的化學(xué)性質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)同樣有，鋼材擁有強(qiáng)度大、剛度大、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，但鋼材都比較容易銹蝕，在一個(gè)濕度大或者是有侵蝕性介質(zhì)的環(huán)境中容易引起化學(xué)變化，所以鋼結(jié)構(gòu)需要定期的除銹、刷漆等一些防護(hù)措施；第八，耐火性差，盡管鋼材十分堅(jiān)硬、承載能力強(qiáng)，但是卻不能經(jīng)受高溫的輻射，在低溫時(shí)鋼材主要性質(zhì)會(huì)變化，但屈服點(diǎn)和彈性模量下降幾乎可以忽略不計(jì)，說(shuō)明鋼材耐熱性能還是可以的，如果溫度一旦達(dá)到250°或者以上溫度，鋼材性質(zhì)驟然變化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定，長(zhǎng)時(shí)間鋼材會(huì)緩慢融化，所以鋼結(jié)構(gòu)的防火問(wèn)題應(yīng)當(dāng)特別注意。

三、鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用

(一)鋼結(jié)構(gòu)適用建筑。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)不是所有的建筑都可以采用鋼結(jié)構(gòu)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?jī)?nèi)大多需要使用吊車(chē)對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力有更高的需求，還有一些大型的工業(yè)廠房也是，生產(chǎn)大型零件所需要的設(shè)施都要求建筑具有特別的強(qiáng)度和承載能力。二是大跨度結(jié)構(gòu)。飛機(jī)的裝配車(chē)間、體育館、展覽館、大會(huì)堂等，超遠(yuǎn)距離的跨度使得對(duì)建筑整體性的要求增加，同時(shí)它還要具有較高的剛度。三是多層和超高層建筑，現(xiàn)代建筑的高度需求對(duì)一般結(jié)構(gòu)而言存在著十分危險(xiǎn)的隱患，采用鋼材會(huì)主體能很好解決過(guò)高高度所影響的強(qiáng)度問(wèn)題。四是可拆卸、裝配式建筑，一些用作商業(yè)、旅游產(chǎn)業(yè)和建筑臨時(shí)房屋，因?yàn)槿藗儾欢ㄆ诘氖褂脳l件需要能夠隨時(shí)拆卸或者組裝，一般建筑材料都無(wú)法滿足拆卸后再重新組裝使用，而鋼材通過(guò)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(jié)構(gòu)，現(xiàn)在建筑逐漸追求簡(jiǎn)單便捷，對(duì)于一些倉(cāng)庫(kù)、屋面、體育場(chǎng)雨蓬，需要面積大材質(zhì)輕的建筑材料來(lái)裝飾或者遮蔽，鋼材正好可以發(fā)揮其特點(diǎn)。

(二)鋼結(jié)構(gòu)使用性能及選用規(guī)則。鋼結(jié)構(gòu)的主要成分就是鋼材，鋼材種類(lèi)復(fù)雜多樣。用于建筑的鋼材必須在機(jī)械性能、加工工藝性能、貨源和價(jià)格方面有著十分硬性的要求。機(jī)械性能：鋼材的機(jī)械性能主要包括強(qiáng)度、塑性在承載力范圍內(nèi)能夠較多地承受荷載帶來(lái)的壓力。工藝性能，要求冷彎性能與韌性合格，具體表現(xiàn)在冷加工時(shí)具有塑性變形的能力和在動(dòng)力荷載下抵抗脆性破壞的能力，通過(guò)這些鋼材性質(zhì)的檢驗(yàn)來(lái)保證鋼結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性?？珊感阅埽摻Y(jié)構(gòu)是通過(guò)鋼材的連接組裝而成，對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)其連接方式也不同，現(xiàn)在大多數(shù)的鋼結(jié)構(gòu)連接都是采用焊接連接，那么對(duì)于鋼材是否具有一個(gè)良好的可焊性能就顯得十分重要。耐火、耐候性能，這是對(duì)于某些特點(diǎn)結(jié)構(gòu)而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的額外性能，對(duì)于使用功能不同的建筑要求其性能也不同。地方氣候環(huán)境同樣占據(jù)一部分因素。耐火性能的鋼材可以按照相應(yīng)的防火要求，適當(dāng)使用防火材料，加大鋼材的經(jīng)濟(jì)效益；若鋼材長(zhǎng)期處于一個(gè)裸露的環(huán)境下，需要對(duì)其外層養(yǎng)護(hù)，選擇表面鍍層或者是涂裝涂料保護(hù)和外加保護(hù)套等。鋼材種類(lèi)繁多按照國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)可以大致按兩類(lèi)劃分；一類(lèi)是化學(xué)成分；一類(lèi)是質(zhì)量等級(jí)和性能。在實(shí)際建筑工程中，根據(jù)建筑需要選擇不同的鋼材，但選擇鋼材時(shí)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(jié)構(gòu)安全可靠的同時(shí)保證經(jīng)濟(jì)的合理。在保證安全時(shí)又要考慮諸多的因素，結(jié)構(gòu)的重要性，在整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)建筑中它起了一個(gè)什么樣的作用；荷載特征，該結(jié)構(gòu)在使用的過(guò)程中承受的荷載的類(lèi)型是靜力荷載還是動(dòng)力荷載；應(yīng)力特征，對(duì)于構(gòu)件而言拉應(yīng)力容易引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部變壞從而破壞結(jié)構(gòu)，在選擇受拉構(gòu)件時(shí)應(yīng)這種考慮這方面可能存在的問(wèn)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(shí)產(chǎn)生的高溫會(huì)稍微影響鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)；工作條件，處于低溫的鋼材容易發(fā)生冷脆現(xiàn)象，需要考慮不受低溫影響的材料；鋼材厚度，越厚的鋼材強(qiáng)度、塑性反而越差，在焊接時(shí)需著重考慮這方面的因素。

鋼結(jié)構(gòu)的選用遵循一定的規(guī)則，在設(shè)計(jì)方面同樣如此。在設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能夠滿足需要的使用功能前提下做到經(jīng)濟(jì)合理。根據(jù)國(guó)家對(duì)結(jié)構(gòu)功能的規(guī)定：必須滿足安全性、適用性、耐久性的要求同時(shí)還要滿足可靠度。對(duì)于這些功能通常采取計(jì)算的方法來(lái)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(jié)構(gòu)的連接。鋼結(jié)構(gòu)除了計(jì)算承載力外，另外一個(gè)重點(diǎn)就是鋼結(jié)構(gòu)的連接問(wèn)題。鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算好后需要按照特定連接方式達(dá)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(guò)電弧產(chǎn)生熱量熔化焊條讓焊件相接部分緊密連接起來(lái)，然后冷卻最終形成一個(gè)整體。焊接一種簡(jiǎn)單連接方式，不需要大量的材料，生產(chǎn)效率高，并且在一定條件下可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化管理，除此之外，焊接出來(lái)的結(jié)構(gòu)剛度等方面均能滿足要求，但是焊接產(chǎn)生的高溫對(duì)于鋼材局部會(huì)產(chǎn)生一定的影響，會(huì)讓受熱區(qū)域材質(zhì)軟化容易斷裂。在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的改進(jìn)后基本可以忽略這點(diǎn)影響，如今它已成為鋼結(jié)構(gòu)連接中的主要方式，除了一些特殊結(jié)構(gòu)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(guò)螺栓連接的方式，通過(guò)螺栓產(chǎn)生一個(gè)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(yù)留一定的孔洞，在轉(zhuǎn)角處還需要設(shè)置一些連接設(shè)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(shí)必須嚴(yán)格要求；但栓接的方式簡(jiǎn)單快捷，施工速度有了一定保證，往后的拆裝維護(hù)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(jí)分為普通強(qiáng)度栓接和高強(qiáng)度栓接兩種。普通栓接，采用一般性質(zhì)的螺栓進(jìn)行粗加工后直接投入工程的使用。高強(qiáng)度螺栓，對(duì)要使用的螺母進(jìn)行熱處理增加它的強(qiáng)度以及使用性能，使用這種高強(qiáng)度螺栓后不易產(chǎn)生滑動(dòng)，連接更加牢固，同時(shí)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(guò)這種釘頭達(dá)到緊固的目的，20世紀(jì)鉚接曾是主要的連接方法，但由于消費(fèi)過(guò)大逐漸被取代。

(四)鋼結(jié)構(gòu)制作過(guò)程。除了鋼結(jié)構(gòu)的連接之外它的制作過(guò)程同樣是一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題，鋼結(jié)構(gòu)的鋼材在一般專(zhuān)業(yè)的鋼材廠內(nèi)都能生產(chǎn)除了一些特定需求之外；鋼材通過(guò)工廠生產(chǎn)出來(lái)后進(jìn)行檢查和方樣，確定鋼材符合條件后再進(jìn)行加工，再送至零件加工車(chē)間粗加工，最后有工人進(jìn)行裝配、涂料、送至倉(cāng)庫(kù)存放好。在鋼結(jié)構(gòu)工程中細(xì)部的施工詳圖尤為重要，在出產(chǎn)前按照?qǐng)D紙要求設(shè)計(jì)好，否則在送至施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)有誤差的要重新進(jìn)行制作；但是一些人工問(wèn)題還是可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校正的。為了避免這些情況可以預(yù)先拼裝好再送至施工現(xiàn)場(chǎng)，這就減少了因?yàn)槭┕?chǎng)地條件不足無(wú)法及時(shí)更改誤差的犯錯(cuò)率。安裝好后及時(shí)進(jìn)行一次保養(yǎng)，對(duì)一些生銹的鋼材做除銹處理，保證鋼結(jié)構(gòu)在使用時(shí)的穩(wěn)定性。

鋼結(jié)構(gòu)建筑在許多大城市得到廣泛應(yīng)用，但一些地方由于地區(qū)的限制無(wú)法運(yùn)進(jìn)鋼材，相對(duì)對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的運(yùn)用就顯得不多。在我國(guó)鋼鐵大力發(fā)展的情況下，嘗試克服這些困難，將鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)引進(jìn)，在這個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的大發(fā)展時(shí)代中脫穎而出。