浅析钢结构在土木工程中的应用

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　　 【摘要】钢结构建材市场的空前发展，使其越来越广泛地应用于土木工程建造中。本文在概述钢结构在土木工程中的应用历史和现状，分析了钢结构的优势和特点基础上，提出钢结构在应用中的一些制约因素和解决途径。
　　 【关键词】钢结构；土木工程；应用
　　
　　 1 钢结构在土木工程中应用的历史和现状
　　 最早在建造房屋中应用钢结构的国家是18世纪的英国，100年后，法国建成了人类历史上第一个著名的钢铁建筑“埃菲尔铁塔”，成为当时欧洲标志性的建筑物。到了近现代，我国钢材生产的新技术、新工艺不断增多，各种新型产品，尤其是各种类型的建筑钢材纷纷涌向市场，为钢结构建筑的发展提供了更为厚实的平台。而且，我国钢铁生产原材料丰富，钢材年产量超过1亿吨，全国有54个大型龙头钢铁企业，马鞍山钢厂已经成为我国最大的H型生产线，能够提供充足的钢铁建材。我国钢结构建筑也如雨后春笋，一座座拔地而起。1997年，上海金茂大厦的建筑高度达421m，结构高度达395m，共有95层[1]。此后，70层的深圳赛格广场大厦，以其279m的高度，且全部采用钢管混凝土建造[2]，再次创造了钢结构在建筑中的奇迹。
　　 2 钢结构在土木工程应用中的优势和特点
　　 2.1 钢结构建材自身性能好
　　 一般来说，钢材是用铁、锰、钛、硅等元素以及其他元素、材料组成的合金，这种钢材因为合成元素的多样化，也具有了一般水泥、混凝土、乃至元素较纯的铁难以达到的多种优良特性。首先，具有较高的强度和刚度，即较强的容纳或承受作用效应的能力以及较好的抗震动等性能。其次，钢材抗压抗震的延展性和韧性也是一般水泥、混凝土所不具备的。因此，钢材大都具有强度高，抗震、抗压性能好等优良特点。更为重要的是，因为炼制钢材的元素和材料的多样性，先进的炼钢技术还可以根据需要分别炼制出韧性好、抗疲劳、抗冲击的桥梁专用钢；具有抗氧化和高温的耐热钢；以及耐腐蚀的不锈钢等等各种不同用途的建筑专用钢材。使施工人员在建设中可以根据需要各取所需，不但增强建筑用途、延长建筑寿命，而且最大限度地发挥了建筑材料的功用，减少浪费。
　　 2.2 施工速度快、安全、质量易保证
　　 一般以沙石为基本建材的传统土木工程，往往会受到天气影响，只要遇到大雨等天气，就会严重影响施工进度。而钢结构建材在工厂专门合成，可以直接应用于建筑工地。其次，钢结构安装还可与混凝土楼板的施工交叉进行，也可以在外部装修的同时，进行内部安装。当建材短缺之时，还可以将钢材的生产与建筑施工同时进行。据统计，钢结构的施工要比钢筋混凝土结构施工的速度快约20%到30%。此外，钢材特有的可延性、韧性和抗压性能，提高了建设施工的安全性和建筑物的质量。钢材的可延性和韧性使钢材在拉伸过程中不会断裂，而会产生塑性变形，使钢材在安装、使用过程中可以承受较大的冲击力或压力。
　　 2.3 用途广，可塑性强
　　 由于钢材的耐压、有韧性、轻便等特点，可以被广泛应用于建设各种不同的建筑设施，尤其是一些传统土木工程难以做到的大空间跨度建筑。如在现代机场、剧院、体育场等大空间建筑内，林立的柱子不利于建筑内人们的工作和娱乐，而韧性好，强度大的钢材的使用，可以建造没有柱子支撑的大空间。其次，钢材耐挤压可焊接的特点，还使建筑史上出现新型的钢铁建筑。法国的“埃菲尔铁塔”是先例，继之后，以钢板连接、焊接构成的高层重钢建筑成为建筑中的新潮流。在我国，20世纪80年代到如今，已经有近百幢高层重钢建筑。其三，当今新型轻钢的出现，又带给钢结构建筑新的惊喜。这种轻钢坚韧性好，质量轻，被广泛应用于各种轻工业厂房、仓库的建设中。
　　 2.4 环保节能
　　 钢结构建筑的施工，具有作业量较小，噪声少，污染少等有利于环保的特点，和投入少收益大、易于拆迁，回收率高的优点，使钢结构成为建材场上最受欢迎的主角。首先在施工的时候，没有污染的钢材替代了成堆的沙尘、砖瓦、混凝土等容易带来漫天沙尘污染的材料，尤其在人口密集区，钢材堆放的空间比较小，也不易像沙石砖瓦那样易于破碎散开，因此，钢材更受广大建筑人员以及周围民众的欢迎。其次，当建筑拆除时，水泥、石灰、砖瓦等易碎材料，大多不可回收，只能当作垃圾丢掉，而水泥的不可溶性，还带来较大环境污染。而钢材则可以回收或再利用，极大地减少了灰色建筑垃圾的污染和浪费。其三，随着科技的进步，新型合成钢材的成本越来越少，性能却越来越高，为整个建筑工程带来较大的综合效益，大大节约了成本。而钢材所具有的超强度的韧性和抗压性等性能，能够以少的体积替代大体积的水泥、混凝土等材料，缩小了建筑面积，扩大了使用空间，也因此带来了较多的经济效益。
　　 3 现阶段钢结构在应用中的制约因素
　　 钢结构在土木工程中的应用有其鲜明的优势，也日益走火建材市场，但随着钢结构应用的增多，其潜在的制约性因素和新问题也逐渐暴露出来。
　　 3.1 缺乏相应的技术及其工作人员
　　 钢结构的应用，是土木建筑行业的新课题。我国钢结构建筑其实尚处于开发阶段。因此，在这方面的技术还在起步阶段，相关科技人员也相当缺乏，而施工中，技术人员则是最重要的指挥员。据统计，我国较多建成或在建的钢结构建筑中，因为设计经验的不足和设计方案的欠缺，造成用钢量过大，增加了造价成本。也有些因为缺乏熟练的技术工人，人为耽误了施工进度，甚至使建筑与理想蓝图相差甚远。
　　 3.2 钢结构耐火性差带来建筑防火难题
　　 钢材虽然不是可燃性物质，也有一定耐高温的性能，但当外界的温度升高到一定程度的时候，钢材的力学指标也会跟着发生改变。据相关资料，钢材在温度超过200摄氏度以后，强度将随温度的升高而降低，到600摄氏度后，就会完全失去承载能力[4]。而在一般建筑内，防火依然是一大难题。当建筑物内失火，温度达到一定高度的时候，钢材的稳定性和承载力就会下降，最终易于导致建筑物崩塌。
　　 3.3 缺乏规范性的钢结构应用规范
　　 相对缺乏的科研技术和人员，造成了相关研究的欠缺，使钢结构在工程建设中的应用也缺乏相应的标准和规范。钢结构大型建筑设计的不合理，导致过多使用钢材；使用过高性能或过低性能钢材等造成的浪费或建筑不达标等问题，除了设计人员经验、技术不足，也与国内缺乏比较规范的不同类型钢材的元素含量标准和钢结构建筑设计标准有关。如一般情况下，含铬量wcr需要大于12％的钢材具有不锈钢的特点，而如果不严格规范不锈钢含铬量，其耐锈程度也就不一样。虽然稍微差别的铬含量仅凭肉眼难以分辨，但如果实际应用到建设施工中，就会带来较大的影响。此外，我国对国外大量采用的镀锌轻钢龙骨的受力状况、耐久性等缺乏相关实验数据，在建筑设计中，找不到针对性的规范措施，但却盲目购买应用，使钢结构建筑工程的安全性和应用性受到很大质疑，也给施工带来不利影响。
　　 4 解决途径
　　 4.1 加快国内钢材制造和钢结构应用的技术提升，培养高科技专业人才是目前解决我国钢结构在土木工程应用中诸多问题的根本途径。提高技术首先在人才。结合当前高校教育情况，可以扩展高校在钢结构专业方面的人才招收和教育。同时，加强对相关技术人员的培训，并派遣部分优秀人员去国外深造学习，增加我国专业人才数量，提升相关科技人员研究设计水平。
　　 4.2 充分吸收、引进国外先进技术和标准。在我国技术和相关建造规范还很不成熟和完善的情况下，学习国外先进技术是加快提升国内技术水平的最好方法。如其花费大量财力购买国外钢材，不如有计划地投资建造一批实验工程，引进外国先进技术。然后结合本国实际情况，改进技术，从而生产出自己的高性能钢材，尽快结束我国少技术无规范标准的低水平钢结构建筑局面。
　　 4.3 在现有科技条件下，多方寻求方法解决钢结构建筑中的耐火性差等问题。首先，可以根据建筑用途和场所，确定建筑物可能遭遇火灾的等级和频度，确定耐火等级，选择适当钢材。其次，可以采用外加条件加强钢材防火耐热程度，如给钢材喷涂、包敷或冷却，增强钢材耐火限度。
　　 综上所述，钢结构自身良好的性能，大大降低了现代建筑成本，提高了建筑的质量，也因此被广泛应用于现代各种土木工程建设中，不仅出现在大型机场、桥梁，也广泛应用于小型住宅中。因此，钢结构建筑在我国、乃至世界都有广阔的发展空间，我国还应结合当前钢结构应用现状，加快钢结构技术的提高和对相关技术人员的培养，为我国钢结构建筑业的发展提供新的科学技能支持。
　　 参考文献：
　　 [1]雷宏刚.21世纪建筑钢结构的应用及展望[J]，山西建筑，2002（02）。
　　 [2]窦立军，袁令欣，袁志仁.钢结构发展与应用中的问题[J]，长春工程学院学报，2002（02）。
　　 [3]陈富生，邱国华.高层建筑钢结构设计[M] ，北京：中国建筑工业出版社，2000。
　　 [4]王锐.钢结构的应用于发展[J] ,科学之友，2010（05）。

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