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鋼結構在土木工程中的應用研究
摘要:土木工程結構常用到兩種材料,即鋼筋混凝土以及結構鋼,對于土木工程來說,不僅要從結構特性的角度考慮,還要考慮施工的成本有效性以及施工有效性。本文就分析了鋼結構在土木工程中的特點,并簡單闡述鋼結構的施工要點。
關鍵詞:鋼結構;土木工程

        1  土木工程中鋼結構的特點
        1.1 強度  一般來說,結構構件承受或者容納作用效應的能力是由材料的強度來決定的?梢岳糜嘘P的國家標準來確定結構鋼的構件性能,這些標準中列出了鋼結構可使用的材料,比如建筑結構鋼要滿足CSA標準ASTM standardA992/A992M或者CAN/CSA G40.20/C40.21等相關標準的要求。近幾年來,建筑用鋼發生了很大的變化,過去的建筑結構所用的抗拉強度以及屈服強度相關數據均摘自于CISC(2006)歷史記錄,而目前加拿大對于工程結構鋼以及普通建筑結構鋼的標準定出7個鋼種和8個強度級別。根據屈服強度其范圍為260~700Mpa。不過并不是全部的鋼種都有所有的強度級別,因此如果是一個特定的建筑鋼結構設計,那么對鋼種類型和強度級別的選擇就非常重要。從整體來說,采用鋼結構可以減少物料消耗、減輕結構自重、降低支撐部件與地基的尺寸,最終降低整個建筑的結構成本。
        1.2 剛度  振動、變形等適用性參數由構件的剛度來決定,進而由結構體系的剛度來決定。結構體系的實際剛度又由其構件和連接件的分布來決定。不過簡單說來,構件的剛度由材料的幾何截面特性以及材料的彈性模量來決定,結構鋼的彈性模量通常為200GPa。而普通密度抗壓強度在20-40Gpa范圍內的混凝土其彈性模量通常在20-28GPa范圍內;即使對于高強度混凝土來說,其彈性模量也不過在40-45GPa之間,由此可見,鋼結構的鋼性是混凝土的十倍及五倍左右,所以鋼結構的剛性有著顯著的優勢。
        1.3 延性  延性指的是某種材料拉伸的過程中無斷裂的塑性變形能力。一般情況下延性是結構設計中,特別是抗震設計中比較重要的特性參數,地震中幸存的建筑物直接依賴于主要結構框架經歷大的非彈性變形時的滯后耗能性。鋼結構可以說是目前使用最廣泛的、韌性最好的工程材料之一。不過材料內在的延性并不一定都會轉化為建筑結構的內在延性,因此要充分認識到這一點,采取適當的設計策略和可靠、穩定的滯消機制。通常一個設計具有延性響應就要有足夠的材料截面、材料延性以及結構延性和構件延性。延性值的能力和需求要與變延性水平、曲率延性(構件延性)以及位移延性(結構延性)所匹配。不過雖然鋼結構的應變延性比較高,但是因為受彎構件的受力不穩定,所以構件的曲率延性經常不足。
        1.4 韌性  衡量材料斷裂前吸收能量以及塑性變形的能力的指標就是韌性。它可以抵抗缺口部位的不穩定裂紋的擴展。韌性通常表示鋼結構在制造、安裝以及使用過程中可以承受比較大的工業變形,是鋼結構一個很重要的特點。正是因為鋼構件的韌性才使其在彎曲、剪切、沖孔、鍛造、鉆孔等制作過程中降低了產生裂紋的可能性。鋼結構足夠的斷裂韌性是必須具備的,特別對受到交變荷載以及沖擊荷載的建筑結構來說更要具備此特性。鋼結構的斷裂韌性對于溫度條件很敏感,并且隨著溫度的減小而降低。所以在天氣寒冷的地區設計鋼結構,首先要考慮韌性。相對來說,低碳鈮鋼比高碳鋼成分鋼更能改善韌性。
        1.5 整體  由上可知,無論是從剛度、強度還是在延性方面,鋼結構都要優于鋼筋混凝土,并且鋼結構可以比較容易建構出有異國風情的建筑形式,通常鋼結構系統可以提供最佳的設計靈活性以及最大的空間利用率。鋼結構的另一個優點就是:它還是一個理想的懸臂施工體系。適當的應用空腹鋼鐵托架以及構件腹板開孔,可以為管道以及其它供電線路提供通道,不僅降低了樓層的高度,而且增加了審美吸引力。鋼架像在鋼結構中一樣,被用來擴展現有的混凝土建筑結構或者增加樓層。在進行施工時,裝配鋼結構的施工人員要遠遠少于混凝土建筑結構所需要的人數;與混凝土建筑相比,鋼結構的安裝以及制作質量都要更加的可靠和簡便。并且在修改時,鋼結構比混凝土結構更加容易,成本更低,特別是要附加支撐系統時,鋼結構可以更加快施工進度。
        2  鋼結構的缺點
        當然,每種材料都不是完美的,所以鋼結構的應用和施工也存在著一定的缺點,其主要表現為以下幾個方而:
        2.1 材料缺點  盡管鋼結構的剛度要遠遠大于混凝土,但是對于一個給定的負載,鋼結構的構件截面剛度則要小于與其對比的混凝土結構,這主要是因為鋼的強度優勢導致其構件的尺寸相對較小。因此要提高這些構件的穩定性,就要增加型鋼的尺寸或者采取填充混凝土以及外包混凝土的措施,以提高截面的剛度。并且鋼材的耐火性和耐腐蝕性都相對有欠缺。鋼材長期受到100度的輻射熱時強度的變化不大,表現出一定的耐熱性能,但當溫度達到150度時,就要采用隔熱層進行保護,并且重要部位的鋼結構一定要涂刷防火涂料。 

        2.2 市場環境
        2.2.1 設計力量較薄弱  在設計建筑結構時要注意結構的功能要求是不是屬于鋼結構合理的應用范圍。通常在設計較高承載力需要使用鋼結構時,要考慮用不適合繼續承載的巨大變形為結構設計的極限狀態為準則。鋼結構有很多節點,要對每個螺絲、墊板以及焊縫進行精確的計算,而且每個專業要一次性到位,所以鋼結構的設計要比混凝土結構的設計更復雜,并且圖紙也遠遠多于混凝土結構。
        2.2.2 鋼結構生產未形成體系  只有在大規模生產的情況下才可以體現出鋼結構的優越性。并且目前鋼結構的生產標準、價格標準以及質量標準都沒有統一,國家標準以及監管機制方面也都有一定的欠缺,因此很多設計師以及開發商都相對比較茫然。2.2.3 價格問題  由于鋼結構的生產未形成體系,因此鋼結構的價格比較高。雖然鋼產量近年有大幅度的提高,但是人均產量仍然相對較低,鋼材仍是我國國民經濟中比較貴重的材料,而混凝土的價格優勢就體現出來了。
        2.2.4 鋼結構的使用年限  混凝土結構號稱永不損壞,但是鋼結構一般的使用壽命只有五十年,如果鋼結構用在住宅建筑中,那么人們想到自己花費終身積蓄而購買的房子只能住五十年,會讓很多人喪失購買的欲望。不過隨著保險業的發展,住宅壽命問題應該相對容易解決。
        3  鋼結構施工安裝要點
        整體來說鋼結構的施工流程比較復雜,并且建筑的要求不同,在細節上也有很大的差異性。此處列舉三點進行簡單說明。
        3.1 選材與連接  鋼材通常分為板材、型材、金屬制品以及管材四大類。土木工程中的建筑鋼材通常采用普通的低合金鋼、優質碳素結構鋼以及普通碳素鋼等,碳鋼的塑性比較低,但是硬度強度比較高。在鋼結構中,柱子截面一般多為箱形截面或者寬翼緣“工”字形,另外還有“十”字形截面等等;梁多數是焊接或者軋制的“H”型鋼梁,如果要求特殊也可以符合截面,在安裝前要對主要的焊接接頭做焊接工藝的試驗,定出焊接的格料和各項參數。梁與梁之間、梁與柱之間的連接,可以采取焊接連接或者高強螺栓連接,要注意高強螺栓的連接孔位的精度。制孔主要有兩種,一種是精度較高的數控鉆孔,另外一種則是精度相對較低的模板制孔。在技術條件允許時比較適合采用多軸數控鉆孔。在運到工地以后要對螺栓參數進行檢驗,安裝時不能用扳手強行擰入或者用榔頭強行打入,擰入的步驟要經過初擰、復擰以及終擰。
        3.2 鋼構件的堆放以及選擇安裝機械地點  通常情況下安裝結構的用地面積應為結構占地面積的1.5倍。依照安裝流水的順序,從中轉堆場配套運送至現場的鋼構件要采用裝卸機械把其安置于安裝機械的回轉半徑內。如果因為運輸的原因造成了構件的變形,則在施工現場就要加以矯正。一般鋼結構的安裝采用的是塔式起重機,臂桿長度要有夠的覆蓋面,并且起重能力要相應足夠,從而滿足各種不同部位構件的起吊要求。鋼絲繩容量也要能滿足起吊的高度要求;起吊速度有足夠的檔次可以滿足安裝要求。在多機作業的情況下,臂桿的高差要足夠,以避免不安全的碰撞,保證安全運轉。各個塔式起重機之間要有相應的安全距離,以保證臂桿與塔身不相碰撞。鋼結構比較適用于規整、勻稱以及較平的建筑平面,所以安裝流水線的布置要因地制宜。
        3.3 油漆工藝流程
        3.3.1 基層處理  首先把金屬的表面清理干凈,然后再做除銹。手工處理先用鋼絲刷反復刷打,再用精砂布打磨,使得表面光亮、平滑,然后再用棉紗或者紗布把打磨下的銹粉和浮灰清理干凈。如果表面腐蝕嚴重,則用鋼絲刷和鏟刀處理,大面積的銹蝕則可以用砂輪機來配合清理。
        3.3.2 涂防銹漆、刮膩子  在涂漆前要保證金屬表面的干燥,如果有水份則要立即擦干。施涂時要刷細、刷滿、涂刷到位,并且要注意鉚孔內不能有涂料涂入。待到防銹漆干燥后,采用和油漆配套的膩子把構件的表面缺陷刮平?梢栽谀佔又屑尤脒m量的紅丹粉或者厚漆,從而增加其干硬性。在膩子干燥后要打磨平整,并清理干凈。如果堆放的時間太長,則要再做一次涂刷。
        3.3.3 涂磷化底漆  磷化底漆包括底漆和磷化液兩部分。在涂刷磷化底漆兩個小時以后就可以涂刷其它面漆或底漆。通常情況下,二十四個小時后可以用清水或者毛刷清理表面的磷化殘留物。干燥后如果表面形成了均勻的灰褐色的磷化膜,則代表已經達到了磷化的要求。
        3.3.4 刷涂面漆  刷涂面漆時要多理多刷,油要不流不墜、飽滿均勻、色澤光亮一致。涂刷后要及時檢查避免漏刷。鋼結構的面漆通常需要刷兩遍以上,厚度達70微米。
 
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