钢结构在土木工程中的应用研究

王雪征 曹广健

摘 要：土木工程是建筑工程施工的基础，是各种工程项目在施工中都不可缺少的一项关键的施工措施。土木工程结构常用到两种材料，即钢筋混凝土以及结构钢，对于当前的土木工程来说，其在施工的过程中是通过相应的技术分析措施和管理手段逐步完善。其在施工中不仅仅是从结构特性的角度考虑，还要考虑施工的成本，对施工成本进行有效的管理和控制，提高施工中的钢结构特点方式，并简单的在其施工中进行处理。

关键词：钢结构;土木工程;应用探索

1 钢结构建筑历史和自身优势

英国首先在建造房屋使用钢结构，较为著名的代表是法国埃菲尔铁塔。进入新世纪，钢结构在土木工程建筑中应用更为广泛。我国生产鋼材新技术增多，使得我国的建筑结构具有了时代气息，钢结构在我国前景广阔。

钢材之所以广泛使用，与其优势有关。一方面，钢材强度高，适于跨度大、荷载重的建筑结构，较为安全。另一方面，钢材易于塑型，吸收变形能力强;同时，钢材韧性大，适宜动力荷载。此外，钢结构比钢筋混凝土施工时间短，有助于提高资金回笼和收益回报。而且钢材建造拆除污染较少。从节能减排的角度出发，钢结构住宅产业化能够很好地节约各种资源，这些优势对于新型住宅建筑建设意义重大。

2 我国钢结构建筑基本分类

我国的钢结构建筑基本目前应用最为广泛的主要有三种。一种是大空间跨度钢结构，二是高层重钢结构，三是轻钢结构建筑。其中，大空间跨度钢结构建筑多出现机场、体育馆等的建设。高层重钢用型钢、钢板连接再焊接而成。轻钢用薄钢板冷轧型钢组成骨架结构，用于厂房、仓库等建筑。

3 土木工程中钢结构应用特点

3.1 高强度。钢结构构件能力由材料强度决定。一般是用国家标准来确定性能，建筑结构满足CSA标准ASTM standardA992/A992M等标准。我国过去建筑结构强度数据摘于CISC记录。屈服强度其范围大约270～700Mpa，当然并非全部钢种都有强度级别，特定的建筑钢结构设计对钢种类型和强度选择重要。采用钢结构能减少物料消耗、结构自重、支撑部件，降低建筑结构成本。

3.2 强刚度。振动、变形各种参数由构件刚度构成，由结构体系刚度决定。结构体系刚度包括构件以及其他连接件。简单的说，其刚度由材料截面特性及弹性模量决定。而一般意义上的密度抗压强度在20-40Gpa内混凝土弹性模量在21-29GPa内;高强度混凝土弹性模量在41-46GPa间，钢结构钢性刚性优势显著。

3.3 广延性。延性指材料拉伸无断裂能力。延性是结构设计中重要参数。材料延性并不都转化为建筑结构内在延性，采取设计策略滞消机制。通常设计具有延性要有足够截面、延性及结构延性。延性值要与变延性水平、构件延性以及结构延性相匹配。尽管钢结构延性十分高，然而由于其结构受弯构件受力不是很稳定，构件曲率延性通常不足。

3.4 高韧性。韧性是材料断裂能量吸收及变形能力指标。韧性的作用能抵抗缺口不稳定裂纹扩展。钢结构使用中承受众多工业变形是钢结构基本特点。钢构件韧性使它在弯曲、剪切、钻孔等中降低裂纹产生。钢结构断裂韧性对受冲击荷载建筑更为重要。温度条件是影响钢结构韧性的重要因素，温度减小而降低。

3.5 整体性。诚如上述，钢结构优于钢筋混凝土，它可以建构异国建筑形式，钢结构可以提供设计灵活性及最大空间利用率。钢结构应用空腹钢铁托架，可以为管道及供电线路提供通道。钢架被用来增加楼层。施工时施工所需人员少;钢结构安装及制作质量要可靠和简便。修改时，钢结构成本更低。附加支撑系统钢结构可以加快施工进度。

4 土木工程中钢结构应用的不足

需要指出的是，不是每种材料都是完美的。钢结构从应用到施工的各个极端都存在着一定的不足和缺点，主要表现在以下几个方面：

4.1 材料自身的缺点

前面说过，钢结构刚度比混凝土是要大的。但是，如果在应用的过程中碰到较为大的负载量，钢构件截面刚度小于混凝土结构。要提高构件稳定性，我们可以通过加强型钢尺寸以提高截面的刚度。钢材耐火性和耐腐性欠缺，温度150度要采用隔热层保护，重要部位钢结构要涂刷防火涂料。

4.2 市场环境方面因素

第一，设计力量薄弱。设计建筑结构要注意结构功能要求。在设计承载力较高要使用钢结构，要考虑用不适合继续承载巨大变形为结构设计极限状态为准则。钢结构节点多要对螺丝、垫板及焊缝精确计算，钢结构设计比混凝土结构设计复杂。

第二，钢结构生产不成体系。只有在大规模生产的情况下才可以体现出钢结构的优越性。目前钢结构生产标准、价格标准以及质量标准都没有统一，国家标准以及监管机制方面也都有欠缺，设计师及开发商相对茫然。

第三，价格存在的问题。钢结构生产还没有形成一定的体系，价格仍然较高。钢产量虽有大幅度提高，但是人均产量仍然相对较低，钢材仍是我国国民经济中比较贵重的材料，而混凝土的价格优势就体现出来了。钢结构使用寿命五十年，很多人丧失购买的欲望。

5 钢结构的施工与安装要点

钢结构的施工流程比较复杂，建筑要求不同细节上有很大差异性。具体有如下几点。

第一，钢结构的选材与连接。钢材通常分为板材、型材、金属制品以及管材四大类。土木工程中的建筑钢材通常采用普通的低合金钢、优质碳素结构钢以及普通碳素钢等，碳钢的塑性比较低，但是硬度强度比较高。在钢结构中，柱子截面一般多为箱形截面或者宽翼缘“工”字形，另外还有“十”字形截面等等;梁多数是焊接或者轧制的“H”型钢梁，如果要求特殊也可以符合截面，在安装前要对主要的焊接接头做焊接工艺的试验，定出焊接的格料和各项参数。型钢采用型钢切割机下料，钢板采用半自动切割机下料，下料后应进行清渣修磨，编号归类放置。先在构件上划针和钢尺划出孔中心和直径，在孔四周打四只冲孔，钻孔后检查。高强度螺栓摩擦面处理：喷砂处理高强度螺栓摩擦面的表面粗糙度：石英砂的粒度1.5～4ram，加工后的钢材表面呈现灰白色。用电动砂轮机打磨钢板的表面，砂轮打磨的方向与受力方向垂直，打磨范围不应小于4倍螺栓直径，打磨不应在钢材表面磨出明显凹坑。

第二，钢构件堆放及选择安装机械地点。安装结构是一个地区土地面积的1.5倍，从中转支持结构钢构件堆场，送到现场装卸机械使用在其位置安装机械回转范围内。如果运输原因造成变形，在施工现场是会被纠正。钢结构是塔式起重机，起重臂长度的覆盖能力，安装必须足以满足解除组件的不同部分的要求。钢丝绳起重能力能够满足高要求;提升速度等级，以满足安装要求。在多机操作的情况下，臂杆的高度必须足以防止不安全的碰撞，确保安全运行。之间的各种塔式起重机有适当的安全距离，确保不发生碰撞的手臂与塔。钢经常比施工安装生产线的布局水平因地制宜。

6 结束语

总之，随着国家提倡节能环保，钢结构建筑将大幅增加。中国钢材价格低，劳动力成本低，钢结构质量优良，有很强的竞争力，所以，我国钢结构在土木工程存在具有潜力的应用领域和发展空间。

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）.