| （中国建筑西北设计研究院有限公司 710018） 【摘要】本文主要介绍一些在建筑中关 于钢结构的稳定性的设计方法以及钢结构 在工程中的应用要点的分析，探讨如何在 设计中使经济与安全相平衡；同时由于钢 筋混凝土和结构钢在土木工程结构是最常 用到两种材料，如果要分析一项工程，单 单考虑工程结构的特性还是远远不够的， 对于施工的成本有效性和施工有效性这一 方面也是必须考虑的内容，因此对于钢结 构的施工要点笔者也会做一个简单的分析。 【关键词】钢结构；土木工程；稳定设计； 应用 一、土木工程中钢结构的优点 对于土木工程中钢结构优点的认识是 研究钢结构在土木工程中的稳定设计与应 用的一个重要前提。 1. 钢结构关于“强度”的优越性 所谓强度，指的就是结构构件承受或 者容纳作用效应的能力，但是对于不同的 材料来说，其强度也会有所区别。如果工 程的目标是一个特定的建筑钢结构设计的 话，那么为了能够符合这种特定钢结构的 要求，就要在钢种类型以及钢的强度级别 的选择上多做考虑。从宏观角度考虑，钢 结构在工程中的使用可以实现节能、减重、 缩小支撑构件与地基的尺寸的目标，从而 大大减少了工程在在结构上的成本。 2. 钢结构在“刚度”方面的优越性 在一个工程中结构体系的刚度决定了 构件的刚度，而构件的刚度又直接决定了 振动、变形等适用性参数。简而言之，一 个构件的刚度其实就是由料的弹性模量和 材料的几何截面特性来共同决定的。对于 普通的钢结构的弹性模量来说，一般是处 于180 到220GPa 之间。但是一般的混凝 土其弹性模量却只有20-28GPa 范围内；即 使是对于高强度混凝土而言，其弹性模量 也仅仅是45GPa 左右。根据以上对比可知， 钢结构的钢性远远超过混凝土的刚性，因 此在选择时也会优先考虑。 3. 钢结构良好的延性 所谓延性是指材料的结构、构件或构 件的某个截面从屈服开始到达最大承载能 力或到达以后而承载能力还没有明显下降 期间的变形能力。在工程的结构设计中， 尤其是抗震设计，延性都是一个非常重要 的参数。而钢结构又是目前最被广泛应用、 公认的韧性最好的工程材料之一，但是值 得注意的是材料内在的延性并不一定都会 转化为建筑结构的内在延性，所以在设计 时要充分考虑到这一点，使用灵活的设计 方案。 4. 钢结构具有良好的韧性 材料的韧性是表示材料在塑性变形和 断裂过程中吸收能量的能力。韧性越好， 则发生脆性断裂的可能性越小。它的作用 能够阻止缺口部位的不稳定裂缝的继续扩 张。由于钢结构具有很好的韧性，因此以 承受在制造、安装或是使用中产生的比较 大的工业变形。同样也是因为钢构件的这 种良好的韧性使得其在弯曲、剪切、冲孔、 锻造、钻孔等制作过程中大大降低了产生 裂纹几率。对于钢结构来说，良好的的断 裂韧性是必须具备的特性之一，尤其是对 于受到交变荷载或是冲击荷载的建筑结构 而言更显得重要。但是值得注意的是温度 对钢结构的断裂韧性的影响很强烈，并表 现为随着温度的减小而降低。因此当钢结 构设计运用在寒冷地区的工程时，要格外 注意这一点。 二、了解目前钢结构的特点 每一种材料都有其自身的局限性，因 此钢结构也同样存在缺点。只有准确的认 识到钢结构的缺点，才能够采取有效措施 进行避免，进而达到扬长避短的目的，其 局限性主要体现如下。 虽然钢结构的刚度大于混凝土结构是 毋庸置疑，但是如果是对于给定负载的情 况下，混凝土结构的刚度则会大于与其对 比的钢结构的构件截面刚度，造成这一情 况的这主要原因是钢的强度优势使得钢结 构的尺寸不会太大。通过这一分析可知若 要增强这些构件的稳定性，就要通过增大 构件钢的尺寸或是别的有效措施以提高构 件钢截面的刚度。同时值得指出的是钢材 的耐火性和耐腐蚀性都比较弱。还有钢材 的耐热性在特定的温度环境下也会有较大 变化，比如，在100 度的辐射热时其强度 无明显变化，但是当如果温度超过150 度后， 就要采取必要的防护措施来进行防护。 三、钢结构施工安装要点 首先钢结构的施工从大体上来说是一 个非常复杂的过程，其次对于不同的建筑 其要求也是不同，从而会使在建筑细节上 就会产生很大的差异性。下面将通过几个 方面列举说明。 1. 关于选材与连接问题 在所有的钢材中，板材、型材、金属 制品以及管材是我们最常用的四大类材料。 对于普通的低合金钢和普通碳素钢等常常 是用于土木工程中。碳钢的塑性虽然比较 低，可是却有着比较高的硬度和强度。在 一般的钢结构中，“工”字形、“十”字形 是比较常见的截面形状。在安装各种梁结 构前要做好各种焊接试验，确定出焊接的 格料以及各种参数的数值。同时，在加强 梁与梁之间、梁与柱之间的相连接上，使 用焊接连接或者高强螺栓连接是一个不错 的方法，但是其螺栓的连接孔位的精度一 定要把握得足够到位。 2. 关于钢构件的堆放和选择安装机械 位置的分析 根据安装流水作业的步骤，当钢构件 被运送至现场后必须要用装卸机械将钢构 件放在安装机械的回转半径的范围里。若 是由于意外使得构件发生了变形，那么就 需要在施工现场对已经变形的钢构件进行 矫正。在对钢构件的安装过程中，塔式起 重机是大多时候的选择，同时要求臂杆长 度的覆盖面要足够大，并且在起重能力上 要绝对的足够，只有这样才能完成各种不 同部位构件的起吊任务。如果是多机作业 的话，还要要求臂杆的高差要满足要求， 从而以规避不安全的事故，保证各项工作 安全进行。 四、关于钢结构的稳定设计问题的探讨 在工程中，由于影响结构功能的因数 具有各异性和随机性的特点，因此在设计 时，设计方法要遵循实际情况而定。但是 三个基本原则不变：技术先进性、经济合 理化、安全可靠性。除了要遵循一定的原 则外，也要有科学合理的流程步骤：1、结 构方案，2、荷载计算，3、荷载组合，4、 内力分析，5、构件设计，6、构件要求，7、 施工详图。对于钢结构，其设计方法主要 有容许应力设计法和极限状态设计法两种 基本方法。所谓的容许应力指的就是结构 中任意一点的应力超过容许应力，结构就 会马上失效。但是其安全系数都是由工作 经验而定，因此这种方法存在一定的不合 理性。关于极限状态设计则是将具有变异 性的设计参数采用概率分析的方法引入结 构设计中去，由此可见这种方法较为先进。 在使用极限状态设计法时，一定要了解承 载力极限状态的情况。情况有：构件已经 达到了自身的最大承受力；在结构中有某 一作为刚体的部分失去平衡；结构的塑性 变形过于严重；整个结构已经形成了几何 可变体系或是结构已经失去了稳定性等情 况。在设计的同时，要对设计所需的各种 数据进行严格精确的计算，如：根据结构 构件极限状态设计表达式将永久载荷效应 和可变载荷效应计算出来，同时还要计算 抗力分项系数、结构重要性系数等等。 除此之外，也要学会使用各种国内外 的设计软件如ETABLS、STRAND7、TUS 等软件。 参考文献 [1] 李国强，陆烨，何天森. 钢结构在 现代住宅中的应用[J]. 工程建设与设计， 2005（2） [2] 孙生玉. 钢结构焊接中的常见问题 探讨[J]. 中国新技术新产品，2009，（2） [3] 王彩华，吴剑锋，张丽娜. 钢结构 的腐蚀与防护[J]. 建材技术与应用，2009 （2） |
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