浅谈钢结构的建筑新时代

□敖梦强

一、引言

在20世纪50年代，西方列强基本完成了工业革命，掀起了工业大量冶炼金属的一股热潮，中国亦是如此。在这100年间西方国家冶炼技术飞速发展，尤其是钢铁技术方面更是发展到一个顶峰阶段，并把钢铁运用到各个行业中；值得一提的是钢铁在建筑行业中得到了非常广泛的运用，在西方建造了很多大规模的钢结构建筑；我国也开始重视这一项技术，并把它广泛运用于建筑业中。

在钢结构建筑取得初步成效的同时，国家开始注重钢铁的产量；对此，我国钢铁的发展迈进了一个全新的阶段。在20世纪末，我国钢铁技术基本成熟，全国各地逐渐兴起许多大大小小的钢铁厂，在此后新修的化工厂、发电厂、造船厂等结构，国家都尽量提倡采用钢结构。

21世纪初，我国钢结构更是达到了一个更加辉煌的时期，不仅仅在大型钢铁联合企业中得到十分广泛的应用，更是利用此项技术建造出了许多一般修建无法建造的超高跨度桥梁、超高层建筑、超大规模建筑群等钢结构建筑，例如：上海环球金融中心、上海中心大厦、国家体育场、国家大剧院等。钢结构建筑的广泛运用，不但带动我国钢铁事业的蓬勃发展，而且拉动我国经济建设飞速前行。

二、钢结构特点

在钢结构主要是通过使用钢材按照一定的连接方式制成；例如：钢板、型钢通过螺栓连接。钢结构是一种新型建筑方式，在一定程度上完全可以代替钢筋混凝土。第一，钢结构具有高强度、质量轻的特点，在用同等强度的钢结构和混凝土结构的情况下，钢结构的钢材质量远远要小于它同等强度所使用的钢筋混凝土材料的质量；第二，钢结构表面平整组织均匀，混凝土中清水混凝土同样可以达到表面光滑平整的程度，但其价格却远远高于同样的钢材并且施工过程复杂繁琐；第三，可塑性能良好，钢材在一般情况下不会发生变形，特殊情况下的破坏：地震、荷载作用时钢材会先屈服达到一定强度后才会破坏、断裂；第四，现代化程度高，对于不同建筑可用不同规格的钢材，但是炼钢厂的模具有限，大多需要后来的加工，根据相应的建筑加工成所需要的型号，加工好以后运送至施工现场拼装，只需使用一些吊装设备就可以完成建筑，还可以在修建的同时拼装；第五，拆迁方便，钢结构的安装只需要通过一些吊装设施及人工的一些拼接就可以顺利完成，在拆除的时候同样可以使用如此方法进行拆除；第六，密闭性能优越，由于钢材是炼钢厂整块成模浇筑而成，几乎可以做到完全的密闭空间，对于特殊的气体、液体、固体无疑是最好的选择；第七，容易腐蚀，既然钢结构由钢材拼接而成，钢材的化学性质钢结构同样有，钢材拥有强度大、刚度大、稳定性高的特点，但钢材都比较容易锈蚀，在一个湿度大或者是有侵蚀性介质的环境中容易引起化学变化，所以钢结构需要定期的除锈、刷漆等一些防护措施；第八，耐火性差，尽管钢材十分坚硬、承载能力强，但是却不能经受高温的辐射，在低温时钢材主要性质会变化，但屈服点和弹性模量下降几乎可以忽略不计，说明钢材耐热性能还是可以的，如果温度一旦达到250°或者以上温度，钢材性质骤然变化，内部结构变得不稳定，长时间钢材会缓慢融化，所以钢结构的防火问题应当特别注意。

三、钢结构在建筑中的应用

(一)钢结构适用建筑。根据钢结构的特点，发现不是所有的建筑都可以采用钢结构的，它具有一定的局限性，一是只能用于修建特许需求的建筑，如：厂房，在厂房内大多需要使用吊车对结构的承载能力有更高的需求，还有一些大型的工业厂房也是，生产大型零件所需要的设施都要求建筑具有特别的强度和承载能力。二是大跨度结构。飞机的装配车间、体育馆、展览馆、大会堂等，超远距离的跨度使得对建筑整体性的要求增加，同时它还要具有较高的刚度。三是多层和超高层建筑，现代建筑的高度需求对一般结构而言存在着十分危险的隐患，采用钢材会主体能很好解决过高高度所影响的强度问题。四是可拆卸、装配式建筑，一些用作商业、旅游产业和建筑临时房屋，因为人们不定期的使用条件需要能够随时拆卸或者组装，一般建筑材料都无法满足拆卸后再重新组装使用，而钢材通过连接拼装的方式正好能够满足这些建筑的需求。五是轻型结构，现在建筑逐渐追求简单便捷，对于一些仓库、屋面、体育场雨蓬，需要面积大材质轻的建筑材料来装饰或者遮蔽，钢材正好可以发挥其特点。

(二)钢结构使用性能及选用规则。钢结构的主要成分就是钢材，钢材种类复杂多样。用于建筑的钢材必须在机械性能、加工工艺性能、货源和价格方面有着十分硬性的要求。机械性能：钢材的机械性能主要包括强度、塑性在承载力范围内能够较多地承受荷载带来的压力。工艺性能，要求冷弯性能与韧性合格，具体表现在冷加工时具有塑性变形的能力和在动力荷载下抵抗脆性破坏的能力，通过这些钢材性质的检验来保证钢结构具有足够的强度、稳定性。可焊性能，钢结构是通过钢材的连接组装而成，对于不同的结构其连接方式也不同，现在大多数的钢结构连接都是采用焊接连接，那么对于钢材是否具有一个良好的可焊性能就显得十分重要。耐火、耐候性能，这是对于某些特点结构而专门设计的额外性能，对于使用功能不同的建筑要求其性能也不同。地方气候环境同样占据一部分因素。耐火性能的钢材可以按照相应的防火要求，适当使用防火材料，加大钢材的经济效益；若钢材长期处于一个裸露的环境下，需要对其外层养护，选择表面镀层或者是涂装涂料保护和外加保护套等。钢材种类繁多按照国家的标准可以大致按两类划分；一类是化学成分；一类是质量等级和性能。在实际建筑工程中，根据建筑需要选择不同的钢材，但选择钢材时要遵循某些原则，并不是所有适合使用的钢材就可以直接使用。建筑选用钢材的原则是，在结构安全可靠的同时保证经济的合理。在保证安全时又要考虑诸多的因素，结构的重要性，在整个钢结构建筑中它起了一个什么样的作用；荷载特征，该结构在使用的过程中承受的荷载的类型是静力荷载还是动力荷载；应力特征，对于构件而言拉应力容易引起结构内部变坏从而破坏结构，在选择受拉构件时应这种考虑这方面可能存在的问题；连接方法，一般的钢材连接方法为焊接和紧固件连接，焊接时产生的高温会稍微影响钢材内部结构；工作条件，处于低温的钢材容易发生冷脆现象，需要考虑不受低温影响的材料；钢材厚度，越厚的钢材强度、塑性反而越差，在焊接时需着重考虑这方面的因素。

钢结构的选用遵循一定的规则，在设计方面同样如此。在设计的结构能够满足需要的使用功能前提下做到经济合理。根据国家对结构功能的规定：必须满足安全性、适用性、耐久性的要求同时还要满足可靠度。对于这些功能通常采取计算的方法来确定承载的极限具体是多少，得到理论最大承受荷载值。

(三)钢结构的连接。钢结构除了计算承载力外，另外一个重点就是钢结构的连接问题。钢结构计算好后需要按照特定连接方式达到承载最大值。其主要连接方式为：焊接、栓接、铆接。第一，焊接，通过电弧产生热量熔化焊条让焊件相接部分紧密连接起来，然后冷却最终形成一个整体。焊接一种简单连接方式，不需要大量的材料，生产效率高，并且在一定条件下可以实现机械自动化管理，除此之外，焊接出来的结构刚度等方面均能满足要求，但是焊接产生的高温对于钢材局部会产生一定的影响，会让受热区域材质软化容易断裂。在经过长时间的改进后基本可以忽略这点影响，如今它已成为钢结构连接中的主要方式，除了一些特殊结构限制不能使用外，一般的部位均可以使用；第二，栓接，是一种通过螺栓连接的方式，通过螺栓产生一个约束力，让钢材连接成一体；由于需要连接螺栓所以在钢材上面需要预留一定的孔洞，在转角处还需要设置一些连接设施，因此在建造方面增加许多难度并且材料使用量也将增加，在安装时必须严格要求；但栓接的方式简单快捷，施工速度有了一定保证，往后的拆装维护更加方便，栓接仍然是一种常用的钢材连接。按照使用的栓接等级分为普通强度栓接和高强度栓接两种。普通栓接，采用一般性质的螺栓进行粗加工后直接投入工程的使用。高强度螺栓，对要使用的螺母进行热处理增加它的强度以及使用性能，使用这种高强度螺栓后不易产生滑动，连接更加牢固，同时它还可以增加承载能力。第三，铆接，一种半圆形的钉头的铆钉，在把钉杆烧红以后插入连接的钉空中，然后将另一边也做成钉头完成固定，通过这种钉头达到紧固的目的，20世纪铆接曾是主要的连接方法，但由于消费过大逐渐被取代。

(四)钢结构制作过程。除了钢结构的连接之外它的制作过程同样是一个重点问题，钢结构的钢材在一般专业的钢材厂内都能生产除了一些特定需求之外；钢材通过工厂生产出来后进行检查和方样，确定钢材符合条件后再进行加工，再送至零件加工车间粗加工，最后有工人进行装配、涂料、送至仓库存放好。在钢结构工程中细部的施工详图尤为重要，在出产前按照图纸要求设计好，否则在送至施工现场发现有误差的要重新进行制作；但是一些人工问题还是可以在现场进行校正的。为了避免这些情况可以预先拼装好再送至施工现场，这就减少了因为施工场地条件不足无法及时更改误差的犯错率。安装好后及时进行一次保养，对一些生锈的钢材做除锈处理，保证钢结构在使用时的稳定性。

钢结构建筑在许多大城市得到广泛应用，但一些地方由于地区的限制无法运进钢材，相对对于钢结构的运用就显得不多。在我国钢铁大力发展的情况下，尝试克服这些困难，将钢结构技术引进，在这个钢结构的大发展时代中脱颖而出。