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钢结构技术
一、什么是钢结构
钢结构工程是以钢材制作为主的结构，主要由型钢和钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成，各构件或部件之间通常采用焊缝、螺栓或铆钉连接，是主要的建筑结构类型之一。
钢结构因其自重较轻，且施工简便，广泛应用于大型厂房、桥梁、场馆、超高层等领域。
二、钢结构的应用及其前景
钢结构建筑是一种新型的建筑产业体系,其融合了建筑、钢铁冶金业以及目前炙手可热的房地产业。钢结构建筑不仅解决了钢铁业的产品渠道问题,也提升了建筑业的科技含量,在一定程度上解决了建筑业的能耗和污染难题,此外,钢结构建筑为房地产业注入了新的血液。在2l世纪,钢结构建筑作为绿色建筑、低碳建筑成为建筑业关注的焦点
从短期来看,钢结构建筑的行业需求主要为新建厂房、体育场馆、歌剧院等公共建筑。这些公共建筑不受地产调控影响,且地产调控使钢价稳中有降。这就使得钢结构公司可能在成本端受益,更促进了钢结构建筑的发展。2010上海世博会吸引了国内外人士的眼球,在这个占地5.28平方公里的园区内场馆使用钢结构的建筑比例高达80%,无疑是钢结构建筑发展的锦上添花之作,也印证了钢结构的历史舞台已经铺开。
钢材是一种不会燃烧的建筑材料，它具有抗震、抗弯等特性。在实际应用中，钢材既可以相对增加建筑物的荷载能力，也可以满足建筑设计美感造型的需要，还避免了混凝土等建筑材料不能弯曲、拉伸的缺陷，因此钢材受到了建筑行业的青睐，单层、多层、摩天大楼，厂房、库房、候车
材料的强度高，塑性和韧性好。刚才和其他建筑材料诸如混凝土，砖石和木材相比，强度要高的多。因此，特别适用于跨度大或者何在很大的结构和构件。钢材还具有塑性和韧性好的特点。塑性好，结构在一般条件下不会因为超载而突然锻炼；韧性好，结构对动力荷载的适应性强。良好的吸能性和延展性还使钢结构具有优越的抗震性能。
钢结构的质量较轻。钢材的密度虽比混凝土等建筑材料的密度大，但钢结构却比钢筋混凝土结构轻，原因是钢材的强度与密度之比要比混凝土大得多。以同样的跨度承受同样的荷载，钢屋架的质量最多不过钢筋混凝土屋架的1/4~1/3,冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10，为吊装提供了方便条件。对于需要远距离运输的结构，质量轻也是一个重要的有利条件。屋盖结构的质量轻，对抵抗地震作用有利。
钢材耐腐蚀性差。钢材耐腐蚀的性能比较差，必须对结构注意防护。尤其是暴露在大气中的结构如桥梁，更应该特别注意。钢结构的这种性能使结构的维护费用比钢筋混凝土结构的高。但近几年出现的耐候钢具有较好的抗锈蚀性能，已经逐步推广应用。
随着“低碳”理念的日益深入人心,建筑行业也刮起了节能减排的低碳旋风。从材料上来说。越来越提倡绿色节能环保的装修材料;从房屋结构上来说,大家越来越青睐轻钢结构和木结构;而从节能减排的角度说,越来越多的人把节能和环保放在首位。
钢结构与其他结构在建筑流程上有着很大的区别。后者的整个建筑过程都集中于工地,更多是室外操作,其噪音较大,粉尘也较多,对于周围环境的污染指数较高。我们常会受到如
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斯困扰,工地一天到晚轰鸣声不断、周遭灰尘较大,严重影响了居民的日常生活。而钢结构建筑其流程可分为两个阶段:构件制作与现场安装。构件制作主要是由承办商在其工厂车间进行集中制作,制作完成的构建通过车、船发往工地,再进行现场安装。整个过程在现场工作的时间较短,对于周遭环境的影响也较少,更符合现代的“绿色”理念,
能源问题已成为世界各国关注的重点,可持续发展是我们追求的长期目标。然而,我国的资源超支严重,在建筑业更是如此。开山采石现象比比皆是,后代子孙的资源在不知不觉中被现代人占用。较之其他建筑结构,钢结构由于自重减轻,基础施工取土量少,对土地这一宝贵资源破坏小且大量减少混凝土和砖瓦的使用。当房子使用寿命到期,结构拆除产生的固体垃圾也少,而废钢更可100%回收,循环利用。在某种情况下,钢结构建筑的保温隔热效果也较好,能够节约居住时的暖气、空调等运行费用,环保且节约资源。此外,钢结构建筑的干式施工技术,也有利于节约用水。
钢结构体系在生活应用中的选择
5－6层下面的部分可采取框架的体系，或者运用框架——支撑的体系；6层以上的部 分可运用框架来支持体系，或者采用框架－混凝土剪力墙体系。大多数的高层房屋运用了双重承重体系。
如果框架柱之内有钢骨砼柱、H型钢柱以及钢管砼柱，前两个类型是组合柱型的。在小高层建筑中，Ｈ型钢柱的用钢量比组合型要省得多。
如果钢支撑的性能比剪力墙支持的性能高，那么，在经历地震时延性低的支撑所受到的地震力将会非常大，但是延性好的支撑所受到的地震力则是非常小的。鉴于此，在抗大震方面，应采用砼剪力墙米钢支撑的效果
钢框架砼剪力墙体系可以被划归到混合结构中，当前，科学界对它的抗震性能研究还不是很充分，也没有划入抗震的规范中来。尽管眼下用的比较多，但应慎重选用。应该采用小钢柱加强核心筒，这对安装有帮助。
三、钢结构的优缺点
和其它材料的结构相比，钢结构具有以下特点： 1、钢结构重量轻
钢结构的容重虽然较大，单与其它建筑材料相比，它的强度却高很多，因而当承受的荷载和条件相同时，钢结构要比其它结构轻，便于运输和安装，并可跨越更大的跨度。 2、钢材的塑性和韧性好
塑性好，使钢结构一般不会因为偶然超载或局部超载而突然断裂破坏。韧性好，则使钢结构对动力荷载的适应性较强。钢材的这些性能对钢结构的安全可靠提供了充分的保证 3、钢材更接近于匀质和各向同性体
钢材的内部组织比较均匀，非常接近匀质和各向同性体，在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。这些性能和力学计算中的假定比较符合，所以钢结构的计算结果较符合实际的受力情况。
4、钢结构制造简便，易于采用工业化生产，施工安装周期短
钢结构由各种型材组成，制作简便。大量的钢结构都在专业化的金属结构制造厂中制造；精确度高。制成的构件运到现场拼装，采用螺栓连接，且结构轻，故施工方便，施工周期短。此外，已建成的钢结构也易于拆卸、加固或改造。
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5、钢结构的密封性好
钢结构的气密性和水密性较好。 6、钢结构的耐热性好，但防火性能差
钢材耐热而不耐高温。随着温度的升高，强度就降低。当周围存在着辐射热，温度在150度以上时，就应采取遮挡措施。如果一旦发生火灾，结构温度达到500度以上时，就可能全部瞬时崩溃。为了提高钢结构的耐火等级，通常都用混凝土或砖把它包裹起来。 7、钢材易于锈蚀，应采取防护措施
钢材在潮湿环境中，特别是处于有腐蚀介质的环境中容易锈蚀，必须刷涂料或镀锌，而且在使用期间还应定期维护
钢结构与其它结构相比，在使用功能、设计、施工、以及综合经济方面都具有优势，在住宅建筑中应用钢结构的优势主要体现在以下几个方面：
1、钢结构住宅比传统建筑能更好的满足建筑上大开间灵活分隔的要求，并可通过减少柱的
截面面积和使用轻质墙板，提高面积使用率，户内有效使用面积提高约6％。 2、节能效果好，墙体采用轻型节能标准化预制墙板代替粘土砖，保温性能好，节能50％，
每户每平方米可节约取暖纳凉费用18元。
3、将钢结构体系用于住宅建筑可充分发挥钢结构的延性好、塑性变形能力强，具有优良的
抗震抗风性能，大大提高了住宅的安全可靠性。尤其在遭遇地震、台风灾害的情况下，能够避免建筑物的倒塌性破坏。如95年的日本阪神大地震中，99年的台湾大地震中未倒塌的几乎全部为H型钢制作的钢结构建筑物。
4、建筑总重轻，钢结构住宅体系自重轻，约为混凝土结构的一半，可以大大减少基础造价。 5、施工速度快，工期比传统住宅体系至少缩短三分之一，因而可降低综合造价，综合造价
降低5%。加快资金周转，大大提高投资效益。
6、环保效果好。钢结构住宅施工时大大减少了砂、石、灰的用量，所用的材料主要是绿色，
可回收或降解的材料，在建筑物拆除时，大部分材料可以再生或降解，不会造成很多垃圾。
7、具有较高的性能价格比。
8、建筑风格灵活、丰实。大开间设计，户内空间可多方案分割，满足用户的不同需求。 9、符合住宅产业化和可持续发展的要求。钢结构适宜工厂大批量生产，工业化程度高，并
且能将节能、防水、隔热、门窗等先进成品集合于一体，成套应用，将设计、生产、施工一体化，提高住宅产业的水平。
四、钢结构的分类
1、大跨结构
结构跨度越大，自重在荷载中所占的比例就越大，减轻结构的自重会带来明显的经济
效益。钢材强度高结构重量轻的优势正好适合于大跨结构，因此钢结构在大跨空间结构和大跨桥梁结构中得到了广泛的应用。所采用的结构形式有空间桁架、网架、网壳、悬索（包括斜拉体系）、张弦梁、实腹或格构式拱架和框架等。 2、工业厂房
吊车起重量较大或者其工作较繁重的车间的主要承重骨架多采用钢结构。另外，有强
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烈辐射热的车间，也经常采用钢结构。结构形式多为由钢屋架和阶形柱组成的门式刚架或排架，也有采用网架做屋盖的结构形式。近年来，随着压型钢板等轻型屋面材料的采用，轻钢结构工业厂房得到了迅速的发展。其结构形式主要为实腹式变截面门式刚架。 3、受动力荷载影响的结构
由于钢材具有良好的韧性，设有较大锻锤或产生动力作用的其他设备的厂房，即使屋
架跨度不大，也往往由钢制成。对于抗震能力要求高的结构，采用钢结构也是比较适宜的。
4、多层和高层建筑
由于钢结构的综合效益指标优良，近年来在多、高层民用建筑中也得到了广泛的应用。
其结构形式主要有多层框架、框架－支撑结构、框筒、悬挂、巨型框架等。 5、高耸结构
高耸结构包括塔架和桅杆结构，如高压输电线路的塔架、广播、通信和电视发射用的塔
架和桅杆、火箭（卫星）发射塔架等。 5、可拆卸的结构
钢结构不仅重量轻，还可以用螺栓或其他便于拆装的手段来连接，因此非常适用于需要
搬迁的结构，如建筑工地、油田和需野外作业的生产和生活用房的骨架等。钢筋混凝土结构施工用的模板和支架，以及建筑施工用的脚手架等也大量采用钢材制作。 6、容器和其他构筑物
冶金、石油、化工企业中大量采用钢板做成的容器结构，包括油罐、煤气罐、高炉、热
风炉等。此外，经常使用的还有皮带通廊栈桥、管道支架、锅炉支架等其他钢构筑物，海上采油平台也大都采用钢结构。 7、轻型钢结构
钢结构重量轻不仅对大跨结构有利，对屋面活荷载特别轻的小跨结构也有优越性。因为
当屋面活荷载特别轻时，小跨结构的自重也成为一个重要因素。冷弯薄壁型钢屋架在一定条件下的用钢量可比钢筋混凝土屋架的用钢量还少。轻钢结构的结构形式有实腹变截面门式刚架、冷弯薄壁型钢结构（包括金属拱形波纹屋盖）以及钢管结构等。 8、钢和混凝土的组合结构
钢构件和板件受压时必须满足稳定性要求，往往不能充分发挥它的强度高的作用，而混
凝土则最宜于受压不适于受拉，将钢材和混凝土并用，使两种材料都充分发挥它的长处，是一种很合理的结构。近年来这种结构在我国获得了长足的发展，广泛应用于高层建筑(如深圳的赛格广场)、大跨桥梁、工业厂房和地铁站台柱等。主要构件形式有钢与混凝土组合梁和钢管混凝土柱等。
六、钢结构主要内容与CAD技术的结合
1、钢结构CAD设计与CAM制造技术
(1)主要技术内容
推广与应用钢结构的关键是钢结构欣的CAD技术，CAD技术包括：各类钢结构的建模、计算分析(平面与三维空间分析)、节点设计(框架的粱柱节点、柱脚节点，桁架的杆件连接节点、支座节点，排架的柱脚节点、牛腿节点、支撑节点)与施工图的绘制(各类钢框架、桁架、排架、网架、网壳、粱、柱等结构与构件)．钢结构CAM用于钢结构的辅助制造技术，包括杆件与板材的优化下料，钢管相贯节点下料及网架与网壳杆件
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与节点的计算机辅助加工，随着CAM技术的发展，将对钢结构加工技术的进步起到积极作用。 (2)技术指标
钢结构CAD设计技术可保证钢结构设计的准备性，提高设计效率，CAM技术可显著提高钢结构加工效率、节省钢材，这二个技术的应用对于提高设计与施工速度，降低工程成本有积极意义。 (3)适用范围
该技术可应用于多、高层钢结构、单层门式刚架、单层工业厂房、各类桁架与屋架、大跨度体系场馆与公共建筑等钢结构的设计，在确保结构安全的前提下，提高设计效率、节省钢材。 2、钢结构施工安装技术 厚钢板焊接技术
(1)主要技术内容
在高层建筑钢结构柱与一些特殊大跨度重荷载桁架与梁的设计与施工中，厚钢板大量应用，而影响钢结构焊接质量的一个最主要因素是厚钢板的焊接。为解决厚钢板的焊接司题要考虑如下因素：材料方面应采用有z向性能要求的钢板；焊缝形式应合理设计，以减小层状撕裂：焊接材料采用低氢型焊条：焊接工序要选择合适的预热温度与焊后热控制，并严格控制焊 接顺序。 (2)技术指标
对于板厚大于或等于40mm，且承受沿板厚方向拉力作用的焊接时,应考虑厚钢板的焊接问题。板材要有Z向性能保证，符合国家标准《厚度方向性能钢板》GB／T 5313的规定。 (3)适用范围
适用于高层、超高层的钢结构的柱制作的焊接(箱型柱，11型柱)、粱柱节点焊接，大跨度重载粱的翼缘与腹板的焊接，大跨度重载桁架节点焊接等方面. 结构安装施工仿真技术 (1)主要技术内容
钢结构构安装施工仿真技术主要包括以下四个方面:1．大型构件的吊装仿真,检验构件安装中与其它构件的及支架的碰撞与干涉问题，得出正确的安装方式；2．施工进度仿真模拟，以直观实现对于施工进度与质量的管理；3、结构安装的预变形技术，包括安装构件的起拱与预变位，以最终实现结构安装完成后的正确几何位置；4．结构构件的预拼装模拟。 (2)技术指标
施工安装仿真技术须依靠计算机建立三维实体模型，正确反映构件与各构件在结构中的关系。在吊装仿真中要模拟构件在吊装中的运动关系，以实见构件的正确就位，提高施王安装效率：施工进度模拟要反映工程中各工序关系，达到实时模拟的要求。 (3)适用范围
适用于复杂型体的钢结构与大跨度钢结构的安装
大跨度空司结构与大型钢构件的滑移施王技术
(1)主要技术内容
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钢结构技术
