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钢结构在土木工程中的应用研究

2014-04-12 01:07

        摘要：土木工程结构常用到两种材料，即钢筋混凝土以及结构钢，对于土木工程来说，不仅要从结构特性的角度考虑，还要考虑施工的成本有效性以及施工有效性。本文就分析了钢结构在土木工程中的特点，并简单阐述钢结构的施工要点。
关键词：钢结构；土木工程

        1  土木工程中钢结构的特点
        1.1 强度  一般来说，结构构件承受或者容纳作用效应的能力是由材料的强度来决定的。可以利用有关的来确定结构钢的构件性能，这些标准中列出了钢结构可使用的材料，比如建筑结构钢要满足CSA标准ASTM standardA992/A992M或者CAN/CSA G40.20/C40.21等相关标准的要求。近几年来，建筑用钢发生了很大的变化，过去的建筑结构所用的抗拉强度以及屈服强度相关数据均摘自于CISC（2006）历史记录，而目前加拿大对于工程结构钢以及普通建筑结构钢的标准定出7个钢种和8个强度级别。根据屈服强度其范围为260~700Mpa。不过并不是全部的钢种都有所有的强度级别，因此如果是一个特定的建筑钢结构设计，那么对钢种类型和强度级别的选择就非常重要。从整体来说，采用钢结构可以减少物料消耗、减轻结构自重、降低支撑部件与地基的尺寸，最终降低整个建筑的结构成本。
        1.2 刚度  振动、变形等适用性参数由构件的刚度来决定，进而由结构体系的刚度来决定。结构体系的实际刚度又由其构件和连接件的分布来决定。不过简单说来，构件的刚度由材料的几何截面特性以及材料的弹性模量来决定，结构钢的弹性模量通常为200GPa。而普通密度抗压强度在20-40Gpa范围内的混凝土其弹性模量通常在20-28GPa范围内；即使对于高强度混凝土来说，其弹性模量也不过在40-45GPa之间，由此可见，钢结构的钢性是混凝土的十倍及五倍左右，所以钢结构的刚性有着显著的优势。 内容来自www.nseac.com
        1.3 延性  延性指的是某种材料拉伸的过程中无断裂的塑性变形能力。一般情况下延性是结构设计中，特别是抗震设计中比较重要的特性参数，地震中幸存的建筑物直接依赖于主要结构框架经历大的非弹性变形时的滞后耗能性。钢结构可以说是目前使用最广泛的、韧性最好的工程材料之一。不过材料内在的延性并不一定都会转化为建筑结构的内在延性，因此要充分认识到这一点，采取适当的设计策略和可靠、稳定的滞消机制。通常一个设计具有延性响应就要有足够的材料截面、材料延性以及结构延性和构件延性。延性值的能力和需求要与变延性水平、曲率延性（构件延性）以及位移延性（结构延性）所匹配。不过虽然钢结构的应变延性比较高，但是因为受弯构件的受力不稳定，所以构件的曲率延性经常不足。
        1.4 韧性  衡量材料断裂前吸收能量以及塑性变形的能力的指标就是韧性。它可以抵抗缺口部位的不稳定裂纹的扩展。韧性通常表示钢结构在制造、安装以及使用过程中可以承受比较大的工业变形，是钢结构一个很重要的特点。正是因为钢构件的韧性才使其在弯曲、剪切、冲孔、锻造、钻孔等制作过程中降低了产生裂纹的可能性。钢结构足够的断裂韧性是必须具备的，特别对受到交变荷载以及冲击荷载的建筑结构来说更要具备此特性。钢结构的断裂韧性对于温度条件很敏感，并且随着温度的减小而降低。所以在天气寒冷的地区设计钢结构，首先要考虑韧性。相对来说，低碳铌钢比高碳钢成分钢更能改善韧性。
        1.5 整体  由上可知，无论是从刚度、强度还是在延性方面，钢结构都要优于钢筋混凝土，并且钢结构可以比较容易建构出有异国风情的建筑形式，通常钢结构系统可以提供最佳的设计灵活性以及最大的空间利用率。钢结构的另一个优点就是：它还是一个理想的悬臂施工体系。适当的应用空腹钢铁托架以及构件腹板开孔，可以为管道以及其它供电线路提供通道，不仅降低了楼层的高度，而且增加了审美吸引力。钢架像在钢结构中一样，被用来扩展现有的混凝土建筑结构或者增加楼层。在进行施工时，装配钢结构的施工人员要远远少于混凝土建筑结构所需要的人数；与混凝土建筑相比，钢结构的安装以及制作质量都要更加的可靠和简便。并且在修改时，钢结构比混凝土结构更加容易，成本更低，特别是要附加支撑系统时，钢结构可以更加快施工进度。

        2  钢结构的缺点
        当然，每种材料都不是完美的，所以钢结构的应用和施工也存在着一定的缺点，其主要表现为以下几个方而：
        2.1 材料缺点  尽管钢结构的刚度要远远大于混凝土，但是对于一个给定的负载，钢结构的构件截面刚度则要小于与其对比的混凝土结构，这主要是因为钢的强度优势导致其构件的尺寸相对较小。因此要提高这些构件的稳定性，就要增加型钢的尺寸或者采取填充混凝土以及外包混凝土的措施，以提高截面的刚度。并且钢材的耐火性和耐腐蚀性都相对有欠缺。钢材长期受到100度的辐射热时强度的变化不大，表现出一定的耐热性能，但当温度达到150度时，就要采用隔热层进行保护，并且重要部位的钢结构一定要涂刷防火涂料。 

        2.2 市场环境
        2.2.1 设计力量较薄弱  在设计建筑结构时要注意结构的功能要求是不是属于钢结构合理的应用范围。通常在设计较高承载力需要使用钢结构时，要考虑用不适合继续承载的巨大变形为结构设计的极限状态为准则。钢结构有很多节点，