公共建筑設(shè)計(jì)中,鋼結(jié)構(gòu)因其高強(qiáng)度、輕質(zhì)和良好的塑性變形特性而受到青睞。其缺點(diǎn)包括高成本、復(fù)雜性以及可能的耐火性和耐久性問(wèn)題,這些都需要通過(guò)嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)來(lái)克服。鋼結(jié)構(gòu)在地震區(qū)的應(yīng)用需要額外的考量,以確保其安全性。盡管存在挑戰(zhàn),鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中仍扮演著重要的角色,尤其是在追求高效能和可持續(xù)性的項(xiàng)目中。
鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
- 優(yōu)點(diǎn)
- 強(qiáng)度高、自重輕:鋼材強(qiáng)度高,承受相同荷載時(shí)鋼結(jié)構(gòu)自重相對(duì)較輕,適用于大跨度和超高、超重型的建筑物,如大跨度橋梁、高層鋼結(jié)構(gòu)建筑等。例如在大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)建筑中,利用鋼材的高強(qiáng)度和輕自重特性,可以減少結(jié)構(gòu)自重帶來(lái)的荷載,使結(jié)構(gòu)受力更合理,同時(shí)基礎(chǔ)造價(jià)也可相應(yīng)降低。鋼材的密度較大,但由于其強(qiáng)度高,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以減小構(gòu)件的截面尺寸,從而減輕整體結(jié)構(gòu)重量。
- 變形能力強(qiáng)、韌性好:材料塑性、韌性好,可有較大變形,能很好地承受動(dòng)力荷載,如地震荷載、風(fēng)荷載等動(dòng)力作用。在地震區(qū),鋼結(jié)構(gòu)建筑憑借良好的韌性和變形能力,能夠吸收和耗散地震能量,減少結(jié)構(gòu)破壞的可能性,提高建筑的抗震性能。并且在承受沖擊荷載時(shí),如爆炸沖擊或重物撞擊,鋼結(jié)構(gòu)不容易發(fā)生突然斷裂破壞,具有較好的抗沖擊能力。
- 可靠性高:鋼材的勻質(zhì)性和各向同性好,屬理想彈性體,比較符合一般工程力學(xué)的基本假定。這使得在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)時(shí),能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的受力性能和變形情況,從而保證結(jié)構(gòu)的可靠性。同時(shí),鋼結(jié)構(gòu)的連接方式(如焊接、螺栓連接等)如果設(shè)計(jì)和施工合理,可以使結(jié)構(gòu)整體具有較好的整體性和穩(wěn)定性。
- 施工快速:鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件可以在工廠進(jìn)行預(yù)制加工,然后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。工廠化生產(chǎn)能夠保證構(gòu)件的質(zhì)量和精度,并且現(xiàn)場(chǎng)安裝速度快,可大大縮短施工工期。例如在一些大型工業(yè)廠房建設(shè)中,采用鋼結(jié)構(gòu)可以快速搭建起廠房結(jié)構(gòu),減少對(duì)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的影響時(shí)間。同時(shí),鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程相對(duì)干凈整潔,產(chǎn)生的建筑垃圾較少,對(duì)周?chē)h(huán)境的影響也較小。
- 建筑工業(yè)化程度高:可進(jìn)行機(jī)械化程度高的專業(yè)化生產(chǎn)。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的生產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?;?,有利于提高生產(chǎn)效率、降低成本。并且便于采用現(xiàn)代化的建筑施工技術(shù),如裝配式建筑技術(shù),將鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在工廠預(yù)制好后,在現(xiàn)場(chǎng)像搭積木一樣進(jìn)行組裝,提高建筑的工業(yè)化水平和建造質(zhì)量。
- 缺點(diǎn)
- 耐火性差:鋼結(jié)構(gòu)在高溫下強(qiáng)度會(huì)迅速降低,當(dāng)溫度達(dá)到一定程度(一般在500 - 600°C左右)時(shí),鋼材的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度等力學(xué)性能顯著下降。因此,鋼結(jié)構(gòu)建筑在使用過(guò)程中需要采取防火保護(hù)措施,如涂刷防火涂料、包覆防火材料等,以提高其耐火性能,滿足建筑防火規(guī)范的要求。
- 耐腐蝕性差:鋼材容易受到環(huán)境中腐蝕介質(zhì)(如空氣、水、化學(xué)物質(zhì)等)的侵蝕而生銹腐蝕,從而影響結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全性。所以在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用中,需要考慮防腐措施,如采用防腐涂料、鍍鋅等防腐處理方法,或者在設(shè)計(jì)上采取一些構(gòu)造措施避免積水等容易引起腐蝕的情況。
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則
- 結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)約且重量輕:簡(jiǎn)單合理的結(jié)構(gòu)形式不僅便于施工,而且可以減少鋼材的用量,降低成本。在滿足建筑功能和結(jié)構(gòu)安全要求的前提下,應(yīng)盡量選擇簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)體系,避免不必要的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。例如,采用合理的梁柱布局、簡(jiǎn)化的節(jié)點(diǎn)連接形式等,使結(jié)構(gòu)受力明確,傳力路徑直接。這樣可以提高結(jié)構(gòu)的效率,減少結(jié)構(gòu)自重,從而節(jié)省鋼材用量,并且方便施工安裝。
- 滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求
- 強(qiáng)度要求:結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)能夠承受各種荷載(包括永久荷載、可變荷載等)作用下產(chǎn)生的內(nèi)力,保證結(jié)構(gòu)在正常使用和承載能力極限狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞。在設(shè)計(jì)時(shí),需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力情況,按照相關(guān)規(guī)范計(jì)算構(gòu)件的內(nèi)力,并選擇合適的鋼材截面,使構(gòu)件的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。例如,對(duì)于軸心受拉構(gòu)件,要保證在拉力作用下,鋼材的應(yīng)力不超過(guò)其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;對(duì)于受彎構(gòu)件,要考慮彎曲正應(yīng)力、剪應(yīng)力等的綜合作用,確保構(gòu)件不發(fā)生強(qiáng)度破壞。
- 剛度要求:結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的剛度,以限制在荷載作用下的變形量。過(guò)大的變形不僅會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常使用功能(如造成建筑物的傾斜、門(mén)窗變形無(wú)法正常開(kāi)關(guān)等),還可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分布,影響結(jié)構(gòu)的安全性。在設(shè)計(jì)中,需要對(duì)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行驗(yàn)算,如梁的撓度、柱的側(cè)移等,使其變形量控制在規(guī)定的允許范圍內(nèi)。例如,對(duì)于一般的鋼梁,需要驗(yàn)算其在荷載作用下的撓度,確保撓度值不超過(guò)梁跨度的一定比例(如在樓蓋結(jié)構(gòu)中,鋼梁的撓度限值通常為梁跨度的1/250 - 1/400)。
- 穩(wěn)定性要求:鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在受壓或受彎時(shí)容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象,因此要保證結(jié)構(gòu)和構(gòu)件具有足夠的穩(wěn)定性。對(duì)于軸心受壓構(gòu)件,可能發(fā)生彎曲屈曲、扭轉(zhuǎn)屈曲或彎扭屈曲等失穩(wěn)形式;對(duì)于受彎構(gòu)件,要考慮其整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定問(wèn)題。在設(shè)計(jì)中,需要通過(guò)合理的構(gòu)件截面選擇、設(shè)置側(cè)向支撐等構(gòu)造措施來(lái)提高結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的穩(wěn)定性。例如,對(duì)于細(xì)長(zhǎng)的軸心受壓柱,可以通過(guò)增大截面回轉(zhuǎn)半徑(如采用工字形、箱形等合理的截面形式)或者設(shè)置柱間支撐來(lái)提高其穩(wěn)定性。
- 考慮耐久性:由于鋼結(jié)構(gòu)存在耐腐蝕性差的問(wèn)題,在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮結(jié)構(gòu)的耐久性,采取相應(yīng)的防腐措施。這包括選擇合適的鋼材材質(zhì)(如耐候鋼)、進(jìn)行有效的防腐處理(如涂刷防腐涂料、熱鍍鋅等)以及合理的構(gòu)造設(shè)計(jì)(如設(shè)置排水坡度避免積水等),以延長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命,降低維護(hù)成本。
- 符合建筑功能要求:鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足建筑的使用功能要求,如建筑的空間布局、采光、通風(fēng)等要求。例如,在工業(yè)廠房設(shè)計(jì)中,要根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求,合理確定廠房的跨度、高度、柱網(wǎng)間距等結(jié)構(gòu)尺寸;在公共建筑設(shè)計(jì)中,要考慮建筑內(nèi)部的空間劃分、人流疏散等功能要求,同時(shí)還要兼顧建筑的美觀性。
- 考慮經(jīng)濟(jì)性:在保證結(jié)構(gòu)安全和滿足建筑功能要求的前提下,要盡量降低鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)。這需要綜合考慮鋼材的選擇、結(jié)構(gòu)體系的選型、施工方法等因素。例如,選擇合適強(qiáng)度等級(jí)的鋼材,避免過(guò)度設(shè)計(jì);優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式,減少鋼材用量;采用合理的施工工藝,降低施工成本等。
鋼結(jié)構(gòu)的連接方式
- 焊接連接
- 優(yōu)點(diǎn)
- 連接強(qiáng)度高:焊接可以使構(gòu)件之間實(shí)現(xiàn)連續(xù)的連接,形成一個(gè)整體,能夠有效地傳遞內(nèi)力,連接強(qiáng)度通常可以達(dá)到甚至超過(guò)鋼材本身的強(qiáng)度。例如在大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁的主桁架節(jié)點(diǎn)處,采用焊接連接可以確保各個(gè)桿件之間的可靠連接,承受巨大的車(chē)輛荷載和風(fēng)力等作用。
- 節(jié)省材料:相比于螺栓連接和鉚釘連接,焊接不需要額外的連接件(如螺栓、螺母、鉚釘?shù)龋?,可以減少連接部分的材料用量,從而減輕結(jié)構(gòu)自重。同時(shí),焊接連接可以使結(jié)構(gòu)更加緊湊,有利于空間的合理利用。
- 密封性好:對(duì)于一些需要密封的結(jié)構(gòu)(如壓力容器、儲(chǔ)液罐等),焊接能夠提供良好的密封性能,防止液體或氣體泄漏。
- 缺點(diǎn)
- 焊接殘余應(yīng)力和變形:焊接過(guò)程中,由于局部加熱和冷卻不均勻,會(huì)在焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力,并且容易引起構(gòu)件的變形。焊接殘余應(yīng)力可能會(huì)降低結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度、影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,而變形過(guò)大可能會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安裝精度和正常使用功能。需要采取適當(dāng)?shù)暮附庸に嚧胧ㄈ鐚?duì)稱焊接、分層焊接等)和進(jìn)行焊后處理(如退火處理)來(lái)減小焊接殘余應(yīng)力和變形。
- 質(zhì)量要求高:焊接質(zhì)量受焊接工藝、焊工技術(shù)水平、焊接環(huán)境等多種因素影響。如果焊接質(zhì)量不合格(如存在焊接缺陷,如氣孔、夾渣、裂紋等),會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和可靠性。因此,對(duì)焊接施工的質(zhì)量控制要求較高,需要進(jìn)行嚴(yán)格的焊接工藝評(píng)定、焊工資格認(rèn)證和焊接質(zhì)量檢測(cè)(如無(wú)損檢測(cè))等。
- 可檢測(cè)性差:焊接內(nèi)部質(zhì)量難以直接觀察和檢測(cè),需要借助無(wú)損檢測(cè)技術(shù)(如超聲波檢測(cè)、射線檢測(cè)等)來(lái)檢測(cè)內(nèi)部缺陷,但是這些檢測(cè)方法也存在一定的局限性,如檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性受檢測(cè)人員技術(shù)水平和檢測(cè)設(shè)備的影響。
- 螺栓連接
發(fā)表評(píng)論
還沒(méi)有評(píng)論,來(lái)說(shuō)兩句吧...