1.3 钢结构的发展

钢结构的发展与钢铁产量和钢铁冶炼技术有着密切的关系。我国古代钢铁冶炼技术在世界处于领先地位，因此，我国是最早用钢铁建造桥梁等承重结构的少数几个国家之一。早在公元前二百多年（秦始皇时代），就用铁建造桥墩；公元 60 年前后（汉明帝时代），开始在我国西南地区的深山峡谷上建造铁链悬桥。其中以四百多年前（明代）云南的沅江桥、三百多年前（清代）贵州的盘江桥及四川泸定的大渡河桥最为著名。这些都是举世公认的世界上最古老的铁桥。除铁链悬桥外，我国古代还建造了许多纪念性建筑，如建于公元 1061 年（宋代）湖北当阳的 13 层玉泉寺铁塔，山东济宁的铁塔寺铁塔和江苏镇江的甘露寺铁塔等。

18 世纪欧洲工业革命以后，由于钢铁工业的发展，钢结构在欧洲各国的应用逐渐增多，范围也不断扩大，而我国由于长期受封建主义社会制度的束缚，特别是 1840 年鸦片战争以后，沦为半殖民地半封建的国家，经济停滞不前，钢结构发展非常缓慢，与欧美各国差距拉大。在这段时期，我国也建造了一些钢结构厂房、桥梁等工程，如 1927 年建成的沈阳皇姑屯机车厂钢结构厂房,1931 年建成的广州中山纪念堂圆屋顶钢结构,1937 年建成的杭州钱塘江大桥等，均是由我国自己设计和建造的代表性工程。

1949 年中华人民共和国成立以后，钢结构的设计理论、学术水平、制造和安装技术都有了很大的提高，培养了大批从事钢结构设计、研究的人才，并建造了大量的钢结构厂房和民用建筑，其规模和技术难度都接近世界先进水平。例如，在第一、第二个五年计划期间建成的鞍钢、武钢等大型冶金联合企业，上海、大连等地的造船厂，太原、富拉尔基重型机器制造厂，长春第一汽车制造厂以及洛阳拖拉机厂。

1961 年建成的北京工人体育馆（图 1.2），能容纳 15 000 名观众，比赛大厅屋盖采用直径为 94 m的平置车轮形双层悬索结构（ suspension structure）;1967 年 9 月建成了我国第一座大跨度平板网架结构——北京首都体育馆（图 1.3）;1970 年 9 月建成的上海文化广场屋盖结构为三向平板网架，平面形状为扇形，这是我国第一座采用空心球节点和钢管杆件的大跨度网架结构。1973 年 10 月建成的上海体育馆圆形屋盖，平面直径 D = 110 m,周边向外悬挑 7.5 m,为三向平板网架结构。这些大型网架结构的建成，标志着我国网架结构在设计、制造和安装方面跨上了一个新的台阶，为空间结构的发展打下了良好的基础。

1978 年改革开放以来，全国以经济建设为中心，国民经济得到了空前的发展，每年以 10%左右的速度持续增长。1996 年我国钢产量首次突破一亿吨，跃居世界第一位，为我国钢结构的快速发展奠定了物质基础；在此期间建成的典型建筑有：上海浦东金茂大厦，高 420.5 m;上海体育场屋盖结构，采用马鞍形大悬挑钢管空间结构，长轴为 288.4 m,短轴为 274.4 m,中间敞开椭圆孔的长轴为 213 m,短轴为 150 m,屋盖面积为 36 100 m ² 。64 榀悬挑主桁架的一端分别固定在 32 根钢筋混凝土柱上，最大悬挑跨度达 73.5 m;北京 2008 年奥运会国家体育场——鸟巢、国家体育馆、游泳馆——水立方等大型空间钢结构。此外，我国的斜拉桥技术也进入世界领先水平，在全国各地建成了不少大跨度斜拉桥和悬索桥（图 1.4）。

随着国民经济的发展、钢产量增加和钢材品种增多，钢结构的应用将进入一个空前繁荣的发展时期，钢结构的技术水平也需要进一步地提高，主要有以下几个方面：

（1）低合金钢等优质高强钢材的研制和应用

目前，除了Q235 钢、Q390 钢、Q420 钢以外，《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）中增加了Q460 钢。为了更好地满足我国钢结构发展的需要，今后应加强以下几个方面的工作：

①研制强度更高、综合性能更好的低合金新钢种。

②提高低合金钢的产量和在钢结构中应用的比率。

③改善和提高低合金钢的性能。

（2）结构设计理论与方法的研究

在保证结构安全的前提下，为了充分发挥钢材的作用，更合理地使用钢材，还应该深入研究结构设计理论与方法，使结构和构件的计算方法更能反映实际工作情况。有待研究的问题有：压弯构件的弯扭屈曲问题，薄板屈曲后强度的利用问题，钢结构的塑性设计问题，残余应力对结构强度和稳定性的影响以及门式刚架体系的整体稳定和结构的空间工作问题等。

（3）轻型钢结构的研究和应用

轻型钢结构主要指薄壁型钢结构以及由圆钢和小角钢组成的轻型结构。我国自 20 世纪60 年代开始有组织地研究薄壁型钢结构，并批量地用于屋架和檩条等承重结构。1975 年制定了我国第一部《薄壁型钢结构技术规范》（TJ 18—75），总结和推动了我国轻型钢结构的发展。后又在总结工程实践经验和科研成果的基础上对规范进行了修订，先后发布了《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GBJ 18—87）和《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB 50018—2002）。

（4）钢与混凝土组合构件的研究和应用

钢与混凝土组合构件充分利用了钢材抗拉和混凝土耐压的特性，且使一个构件有多种用途，因此是一种非常合理和经济的结构，目前在桥梁和房屋楼盖中已有应用。例如，房屋楼盖中应用的钢梁与钢筋混凝土板组合结构；用压型钢板（shaped steel plate）作为底模，再用抗剪键与混凝土板相连而使压型钢板与混凝土板成为整体工作的组合板；用于地下建筑结构中的钢管混凝土结构等。组合构件是一种很有发展前途的构件形式，有待进一步研究开发。

（5）高层钢结构的研究

近十几年来，我国沿海各大城市建造了大批高层建筑，其中有些采用了钢结构体系或钢结构框架与钢筋混凝土筒体相结合的混合结构体系。随着高层建筑的发展，钢结构是超高层建筑的主要结构形式（图 1.5）。

（6）新结构和新技术的研究和应用

平板网架结构、网壳结构、张拉结构、预应力钢结构等新技术的应用，在减轻结构自重、节约钢材方面有很大作用。平板网架结构具有空间刚度大、受力均匀，经济效果好等优点，在我国发展非常迅速，经过 30 多年的工程实践，在设计、制造、安装各个方面，技术上已非常成熟，并广泛应用于工业与民用建筑中。全国已建成许多大跨度网架，其中某些已达到世界先进水平。在发展平板网架结构的基础上，目前正在研究和发展网壳结构，并已成功地建成了不少大跨度网壳结构的房屋。

张拉结构包括悬索屋盖、斜拉桥、索穹顶结构、索膜结构等，是一种结构效率更高、更为省钢的大跨结构形式。其中，索穹顶结构采用高强度钢索作为主要受力构件，配合使用轴心受力杆件，通过施加预应力，巧妙地张拉成穹顶结构，在穹顶上覆盖高强轻质膜材料或轻型屋面材料，构成大跨穹形屋盖，其平面形状可建成圆形、椭圆形或其他形状（图 1.6），目前最大跨度已达 210 m。张拉结构在我国大跨度建筑中具有广阔的应用前景。

钢结构施加预应力后，能增强结构的刚度，提高承载能力，从而节省钢材。预应力钢结构可应用于桁架、梁及框架等结构或构件，但目前应用较少，有待研究和发展。

将网架、悬索、拱等几种不同的结构结合在一起的组合结构，也是一种在建筑形式上新颖别致，受力非常合理的结构形式，如江西体育馆、北京北郊综合体育馆等。

除上述几个方面外，钢结构优化设计的应用和推广、钢结构的防腐和防火处理等也都是有待研究的问题。 U33Woyqmyd05ZjS9qkYjb/2GISx3Ef2ZktePcvPUkzQmmrmaPew34g9acIiJ5fkO