浅谈对土木工程中钢结构的认识

王朋

摘 要：钢结构由于其自重轻、强度高、工业化程度高等优点，因此在现代土木工程中得到广泛的应用，然而，钢结构如果结构设计出现缺陷，容易失稳破坏造成人员伤亡、财产损失，本文先介绍土木工程钢结构的特点，再研究其结构的结构优缺点，最后探讨建筑钢结构厂房设计中应该注意的问题。

关键词：土木工程；钢结构

1.土木工程中钢结构的特点

1.1结构构件承受或者容纳作用效应的能力

一般来说，结构构件承受或者容纳作用效应的能力由材料的强度来决定。可以利用有关的国家标准来确定结构钢的构件性能，这些标准中列出了钢结构可使用的材料，比如建筑结构钢要满足CSA标准ASTMstandardA992/A992M或者CAN/CSAG40.20/C40.21等相关标准的要求。近几年来，建筑用钢发生了很大的变化，过去的建筑结构所用的抗拉强度以及屈服强度相关数据均摘自于CISC（2006）历史记录，而目前加拿大对于工程结构钢以及普通建筑结构钢的标准定出7个钢种和8个强度级别。根据屈服强度其范围为260～700Mpa。不過并不是全部的钢种都有所有的强度级别，因此如果是一个特定的建筑钢结构设计，那么对钢种类型和强度级别的选择就非常重要。从整体来说，采用钢结构可以减少物料消耗、减轻结构自重、降低支撑部件与地基的尺寸，最终降低整个建筑的结构成本。

1.2钢结构可提供更大的空间利用率

由上可知，无论是从刚度、强度还是在延性方面，钢结构都要优于钢筋混凝土，并且钢结构可以比较容易建构出有异国风情的建筑形式，通常钢结构系统可以提供最佳的设计灵活性以及最大的空间利用率。钢结构的另一个优点就是：它还是一个理想的悬臂施工体系。适当的应用空腹钢托架以及构件腹板开孔，可以为管道以及其它供电线路提供通道，不仅降低了楼层的高度，而且增加了审美吸引力。钢架在钢结构中被用来扩展现有的混凝土建筑结构或者增加楼层。在进行施工时，装配钢结构的施工人员要远远少于混凝土建筑结构所需要的人数；与混凝土建筑相比，钢结构的安装以及制作质量都要更加的可靠和简便。并且在修改时，钢结构比混凝土结构更加容易，成本更低，特别是要附加支撑系统时，钢结构可以更加快施工进度。

1.3刚度振动、变形等适用性参数

刚度振动、变形等适用性参数由构件的刚度来决定，进而由结构体系的刚度来决定。结构体系的实际刚度又由其构件和连接件的分布来决定。不过简单说来，构件的刚度由材料的几何截面特性以及材料的弹性模量来决定，结构钢的弹性模量通常为200GPa。而普通密度抗压强度在20-40Gpa范围内的混凝土其弹性模量通常在20-28GPa范围内；即使对于高强度混凝土来说，其弹性模量也不过在40-45GPa之间，由此可见，钢结构的钢性是混凝土的五倍到十倍左右，所以钢结构的刚性有着显着的优势。

1.4钢结构的延性

延性指的是某种材料拉伸的过程中无断裂的塑性变形能力。一般情况下延性是结构设计中，特别是抗震设计中比较重要的特性参数，地震中幸存的建筑物直接依赖于主要结构框架经历大的非弹性变形时的滞后耗能性。钢结构可以说是目前使用最广泛的、韧性最好的工程材料之一。不过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，因此要充分认识到这一点，采取适当的设计策略和可靠、稳定的滞消机制。通常一个设计具有延性响应就要有足够的材料截面、材料延性以及结构延性和构件延性。延性值的能力和需求要与变延性水平、曲率延性（构件延性）以及位移延性（结构延性）所匹配。不过虽然钢结构的应变延性比较高，但是因为受弯构件的受力不稳定，所以构件的曲率延性经常不足。

1.5钢结构的韧性

韧性衡量材料断裂前吸收能量以及塑性变形的能力的指标就是韧性。它可以抵抗缺口部位的不稳定裂纹的扩展。韧性通常表示钢结构在制造、安装以及使用过程中可以承受比较大的工业变形，是钢结构一个很重要的特点。正是因为钢构件的韧性才使其在弯曲、剪切、冲孔、锻造、钻孔等制作过程中降低了产生裂纹的可能性。钢结构足够的断裂韧性是必须具备的，特别对受到交变荷载以及冲击荷载的建筑结构来说更要具备此特性。钢结构的断裂韧性对于温度条件很敏感，并且随着温度的减小而降低。所以在天气寒冷的地区设计钢结构，首先要考虑韧性。相对来说，低碳铌钢比高碳钢成分钢更能改善韧性。

2.土木工程中钢结构的优缺点

2.1钢结构的不足

钢结构因其优势而得到广泛应用，近年来产生的钢结构住宅也促进了住宅产业化的发展进程，尤其钢结构使用过程的环保性还符合社会可持续发展的需要，带来了良好的综合效益。但钢材也存在其固有不足。比如钢材的耐腐蚀性和耐火性较差，因此钢结构使用时需要进行较严格的防护，其防护时费用高于钢筋混凝土结构。钢材虽有一定的耐热性，但在温度达150℃以上时，钢结构需要加隔热层加以保护。钢材不耐火，重要的结构必须注意采取防火措施。钢材的强度高，所做构件多数壁薄且截面较小，受压时为了在强度与稳定之间取得最优，往往满足了稳定的要求，而使得强度不能充分发挥等。

2.2钢结构的材料优势

钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的。和混凝土等其它材料的结构相比，钢结构具有诸多优势。首先，钢材的强度高，塑性和韧性好。强度高使其适用于跨度大或荷载很大的构件和结构，而塑性和韧性好使这些结构对动力荷载的适应性较强，不会轻易因超载而突然断裂。钢结构还具有良好的吸能能力和延性，这赋予了钢结构优越的抗震性能。其次，钢材内部组织接近于匀质和各向同性，在一定的应力幅度内钢材的反应几乎是完全弹性的，加之冶炼和轧制过程中材质波动的范围小，因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合，有助于提供设计施工的精确性。

3.建筑钢结构土木工程设计中应注意的问题

3.1钢材及连接材料的选择

钢结构的主体材料就是钢材，选用钢材应具有较高的质量，既承受静力荷载又承受动力荷载。根据规范，承重结构的钢材宜采用Q345钢、Q390钢和Q420钢等，保证在抗拉强度、伸长率、屈服强度等方面满足要求。对受拉和受弯的钢材应防止钢材产生断裂。与非焊接结构钢材相比，焊接结构钢材的质量要求更高。对处于较低温度环境下的焊接钢结构，应选用化学成分和力学性能质量较好的钢材。焊接结构和非焊接结构在不同的工作温度下选择不同的钢材质量等级。随着冶金技术、焊接工艺及构件加工水平的不断提高，新型材料的不断出现，钢结构材料将会有更多的选择。

3.2钢结构的腐蚀及防腐

钢结构腐蚀的诱因很多。环境方面，应避免钢结构长期暴露在相对湿度比较大的环境中，而且环境中的酸、盐等化学物质会加速钢结构的腐蚀；其次是设计不合理，例如：钢架和墙体相距太近；施工时由于涂料质量控制及涂膜厚度的检查不严格也会造成腐蚀。钢结构的腐蚀生锈害处很大，既会降低钢结构的强度和承载能力，又可能因腐蚀造成钢结构变形、断裂、垮塌，一旦引发事故就会造成巨大损失。因此，做好防腐工作是钢结构建筑的重要工作，可以选用防腐涂料来预防钢结构的腐蚀。从涂料的防腐年限、保光保色性、是否便于维修等方面进行选择，室外钢结构宜采用总漆膜厚度不小于150μm的长效防腐涂料。室内钢结构宜采用铁红醇酸底漆一度、云铁醇酸防锈漆一度、醇酸面漆两度，总漆膜厚度160μm。

结语：

钢结构具有多种优点，在现代土木工程建设中被普遍应用。施工单位在应用钢结构技术的时候，可以把钢结构与混凝土技术融合，加强建筑的效果。本文对土木工程中钢结构的特点、不足及与混凝土联用进行了探讨。

参考文献：

[1]李国强. 钢结构在现代住宅中的应用[J]，工程建设与设计，2015（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，2017（2）.