钢结构与钢筋混凝土结构构建的框架体系稳定性探讨

郭万标 （安徽四方建设集团有限公司，安徽 合肥 230001）

钢筋混凝土是将钢筋布置在构件受力截面的受弯区。然后以水泥为胶结料，石子、砂为粗、细骨料浇筑成混凝土，将钢筋包裹在其中。利用钢筋的抗拉性能和混凝土的抗压性能，使得两种材料协同受力，较好地承受荷载作用。而钢材（包括型钢和钢板）本身密实度大、强度高、塑性和韧性好，各向受力均匀，加工成构件后，能很好地承受荷载作用。

1 两种材料构成结构件的特点分析

1.1 钢筋混凝土结构件特点

①抗压性能好，抗拉（弯）、抗剪性能较差

混凝土本身的抗压强度较高，而钢筋主要布置在构件的受拉（弯）区，抗剪切破坏主要是依靠构件中连续布置的箍筋，抗拉（弯）、抗剪切性能较差。

②构件自重大，施工工艺繁琐

钢筋混凝土容重较大，约2500kn/m3。有时候为保证较长构件的稳定性，减小长、细比，设计时往往要加大构件的截面，增加构件的自重。

钢筋混凝土构件需经过：立支撑——支模板——钢筋下料——绑扎——混凝土拌合——混凝土浇筑——养护——拆模等工艺环节，施工工艺繁琐，施工周期长。

③耐久性好、耐火性能佳。钢筋混凝土在钢筋外围形成保护层，能有效保证钢筋不受腐蚀，耐久性较好。同时，保护层能起到阻燃保护钢筋的作用，加之混凝土本身的耐火性能较好，钢筋混凝土构件的整体耐火性能较佳。

1.2 钢结构构件的特点

①钢材密度大、强度高、重量轻。钢材的密度与屈服点的比值较小，在相同荷载条件下，采用钢结构自重较轻；相同跨度和荷载条件下，钢构件的重量仅为钢筋混凝土重量的1/4～1/3，但强度更高。

②钢材材质均匀，塑性和韧性好。钢材的材质均匀，接近各向同性；在一定应力范围内，处于理想的弹性工作状态，符合工程力学所采用的基本假定；钢材的塑性和韧性较好，即使是在一定范围内的过载作用下也不至于发生脆断，可靠性高。

③具有可焊接性，便于工业化加工。钢材通过焊接，可以制作成各种构件；钢构件可以在工厂内制成，便于机械化大批量生产，效率高、制作精度高，质量有保证。

④防腐蚀、耐火性能较差。在没有保护层隔离的情况下，钢材中的碳元素易与空气中的水分（或其他腐蚀介质发生）发生化学反应，产生氧化膜，发生腐蚀现象；火灾发生时，高温作用下，钢材容易变柔软，危及结构安全。

2 两种结构件构建框架体系的稳定性

框架结构是工程建设中常用的一种结构体系，框架结构的荷载传递方式为：楼板（或屋面板）——梁——柱——基础，其整体稳定性取决于由梁、柱构建的空间框架的稳定性。

2.1 钢筋混凝土框架结构的稳定性

①钢筋混凝土梁因为上部有楼板的约束，当跨度和荷载较小时，梁截面尺寸较小，稳定性较好。但当跨度和荷载较大时，梁的截面相应增加，抗弯扭性能减弱，设计上通过在梁内增加抗弯扭钢筋来提高梁的稳定性。但随着截面的增大，梁的自重也明显增加，不利于构建大的跨度空间。

②钢筋混凝土柱是主要的承重构件，在承受并传递竖向荷载时，不仅要具备足够的强度，而且要满足长、细比要求，保证足够的刚度和稳定性。在构建较高楼层的建筑物时，钢筋混凝土柱的截面就要增加（或在柱的中间位置设置联系梁），不仅自重增加，而且占用空间。

③钢筋混凝土结构框架的稳定性取决于梁、柱构建的空间架体的稳定性，而关键节点是梁、柱接头部位的设计和施工质量。

工程力学所采用的设计模型中，框架梁、柱接头设定为刚性节点。设计时，采取的方法是将梁的钢筋弯锚，深入柱内一定长度。在柱头、梁端设置钢箍筋加密区，并在梁、柱接头内设置核心箍筋，尽可能地使其成为刚性节点。但钢筋混凝土本身是弹塑性材料，而且在施工过程中，梁的钢筋由于下料加工的误差，会造成弯锚长度不足。此外，梁的钢筋锚入柱头后，梁、柱接头是钢筋密集区，核心箍筋的绑扎很难保证位置准确。因此，钢筋混凝土梁、柱接头并不是完全意义上的刚性节点，不完全符合工程力学所采用的基本假定。

2.2 钢结构框架结构的稳定性

①钢梁、钢柱等构件，一般采用型钢直接制作而成，大型构件可以通过型钢加钢板制作成格构件，不仅强度高，而且自重轻，便于构建较大跨度的空间。

②单个钢构件可以通过焊接，加腹板（或加劲肋）的方式，有效地提高抗弯扭性能。

③钢构件可以在加工厂内工业化制作，切割、调直、焊接、除锈等工序均可以机械化进行。稳定的设备和作业条件，能很好地保证钢构件的加工精度和质量。

④钢结构框架的施工，是将加工成型的钢构件在现场，通过焊接、铆接、锚定等形式拼装而成，施工便捷。尤其是钢框架梁、柱接头，因为钢材是弹性材料，具备各向同性的特点，通过焊接形成的梁、柱接头很容易形成刚性节点，受力时处于理想的弹性工作状态，符合工程力学所采用的基本假定。

⑤钢结构框架通过在合理的部位设置垂直支撑和水平支撑，能极大地提高框架整体的空间稳定性，安全可靠。

⑥钢结构框架在设计、施工时，应该根据钢结构的特点，充分考虑钢材的材料特性，采取完善的防腐、防火措施，确保钢结构框架的耐久性和安全可靠性。

3 结束语

钢结构的特性及优点，使其相较于钢筋混凝土，在构建框架结构体系时，具备更好的强度、更轻的自重（高层钢结构自重一般仅为高层钢筋混凝土结构自重的1/2～3/5）、更好的稳定性、更佳的抗震性能。钢构件便于工业化加工，现场拼装便捷，有利于缩短施工周期，符合环保施工的理念。另外，钢结构的特性符合建筑产业化的发展方向，今后必将更广泛地应用于土木工程建设中，迎来更为广阔的发展空间。