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1.1 钢结构的特点和应用范围

钢结构的特点和应用范围

1.1.1 钢结构的特点

由钢板、热轧型钢、冷加工成型的薄壁型钢以及钢索制成的工程结构称为钢结构。钢结构(steel structure)有以下特点:

(1)钢材强度高,结构重量轻

钢材与混凝土和木材相比,虽然容重较大,但由于强度(strength)很高,容重与屈服点的比值相对较低。因此,在承载力相同的条件下,钢结构与钢筋混凝土结构、木结构相比,构件体积小,结构重量轻,运输和安装方便。例如,当跨度和荷载相同时,普通钢屋架的重量仅为钢筋混凝土屋架重量的 1/4~ 1/3。若采用薄壁型钢屋架则更轻。所以钢结构特别适用于跨度大、建筑物高、荷载重的结构,也适用于要求装拆和移动的结构。

(2)材质均匀,有良好的塑性和韧性

与钢筋混凝土和木材相比,钢材的内部组织比较均匀,各个方向的物理力学性能基本相同,可视为各向同性材料,钢材的弹性模量(modulus of elasticity)大( E = 2.06×10 5 N/mm 2 ),具有良好的塑性(plasticity)和韧性(toughness)。这些物理力学性能,最符合目前所采用的计算方法和结构分析中的基本假定,所以钢结构的实际受力情况与结构分析结果最接近,在使用中安全可靠。

(3)安装方便,施工周期短

钢结构装配化程度高,一般均采用工厂制造后运至工地安装,因此具有精确度高和大件、批量生产的特点,现场装配速度很快,施工( construction)周期很短。例如,建筑面积为 10 000 m 2 左右的轻钢结构厂房,全部钢结构仅需一个月即可安装完毕,因此可以节省投资,降低造价,提高经济效益和资金周转率。

(4)密闭性好

由于钢材具有不渗漏性和可焊性(weldability),因此可以采用焊接制成完全密封的焊接密闭结构。例如,气密性和水密性要求较高的高压容器、大型油库、煤气柜、大型管道等板壳结构。

(5)钢结构耐热,但不耐火

当钢材温度在 150℃以内时,物理力学性能变化很小,当在 250℃左右时,钢材的抗拉强度提高而塑性降低,冲击韧性下降;当温度高于 300℃时,屈服点和极限强度急剧下降;温度到达 600℃左右时,强度接近于零。钢结构通常在温度 450~ 650℃时,失去承载能力,所以钢结构耐热(≤150℃ ),但不耐火。当钢结构长期经受 150℃以上的辐射热时,必须在局部区域采取隔热保护措施。此外,对轻型钢结构还应根据建筑物的耐火极限时间,对承重构件采取有效的防护措施,如涂刷防火涂料等,但费用较高。

(6)钢结构易锈蚀,维护费用大

钢结构的最大缺点是容易锈蚀(rustiness),新建的钢结构必须先除锈,然后刷防锈涂料或镀锌,且每隔一段时间要重复一次,维护费用较大。若采用不易锈蚀的耐候钢,则可节省大量劳动力和维护费用,但一次性投入较大,目前还较少采用。

1.1.2 钢结构的应用范围

(1)重型厂房结构

重型厂房是指设有起重量很大(100 t以上)或运行非常频繁(重级工作制)的吊车的厂房,以及直接承受很大振动荷载或受振动荷载影响很大的厂房。例如,冶炼厂的平炉车间、热轧车间、混铁炉车间;重型机械厂的铸钢车间、锻压车间、水压机车间;造船厂的船体车间;飞机制造厂的装配车间等。

(2)大跨度房屋的屋盖结构

结构的跨度越大,其自重在全部荷载中所占的比例越大。由于钢结构具有强度高、自重轻的优点,最适用于大跨度结构(large span structure),如飞机库、体育馆、展览厅、影剧院、大型交易市场等屋盖结构。

(3)高层及多层建筑

钢结构由于结构自重轻、构件体积小、装配化程度高,对高层结构(high-rise structure)特别有利。因此,在高层建筑,特别是超高层建筑中,宜采用钢结构或钢结构框架与钢筋混凝土筒体相结合的组合结构。此外,钢结构还适用于多层工业厂房(industrial plant building),如炼油工业中的多层多跨框架等。

(4)轻型钢结构

轻型钢结构(light steel structure)是由冷弯薄壁型钢、薄壁钢管或小角钢、圆钢等组成的结构。屋面和墙体常用压型钢板等轻质材料。由于轻型钢结构具有建造速度快、用钢量省、综合经济效益好等优点,适用于吊车吨位不大于20 t的中、小跨度单层厂房、仓库以及中、小型体育馆等大空间民用建筑。此外,由于轻型钢结构装拆方便,宜用于需要拆迁的结构。

(5)其他结构

1)塔桅结构

塔桅结构包括电视塔、微波塔、无线电桅杆、高压输电塔、石油钻井塔、化工排气塔、导航塔及火箭发射塔等。

2)板壳结构

板壳结构包括大型储气柜、储液库等要求密闭的容器以及大直径高压输油管、输气管等。另外,还有高炉的炉壳、轮船的船体等。

3)桥梁结构

钢结构一般用于跨度大于 40 m的各种形式的大、中跨度桥梁。

4)移动式结构

移动式结构包括桥式起重机、塔式起重机、龙门式起重机、缆式起重机、装卸桥等起重运输机械以及水工闸门、升船机等。 YJeKxR4fI6tBQAoy/a+xhc1be2eiN7fPkyA3T1tIPLXI8eyZcV+oh141bvfWUsOy

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