鋼結構的應用與分析
一、基本介紹
1、定義
鋼材的特點是強度高、自重輕 、整體剛度好、抵抗變(biàn)形能力強，适用於(yú)建造大跨度和超高、超重型的建築物特别适宜；材料勻質性和各向同性好，屬理想彈性體，最符合一般工程力學的基本假定；材料塑性 、韌性好 ，可有較大變(biàn)形，能很好地承受動力荷載；建築工期短；其工業化程度高，可進行機械化程度高的專業化生産。
鋼結構應研究高強度鋼材，大大提高其屈服點強度；此外要軋制新品種的型鋼，例如H型鋼（又稱(chēng)寬翼緣型鋼）和T形鋼以及壓型鋼闆等以适應大跨度結構和超高層(céng)建築的需要。
另外還有無熱橋輕鋼結構體系，建築本身是不節能的，本技術用巧妙的特種連接件解決瞭(le)建築的冷熱橋問題；小桁架結構使電纜和上下水管道從(cóng)牆裏穿越，施工裝修都方便。
2、特點
1）材料強度高 ，自身重量輕
鋼材強度較高，彈(dàn)性模量也高。與混凝土和木材相比，其密度與屈服強度的比值相對較低，因而在同樣受力條件下鋼結構的構件截面小，自重輕，便於(yú)運輸和安裝，适於(yú)跨度大 ，高度高，承載重的結構。
2）鋼材韌性，塑性好 ，材質均勻 ，結構可靠性高
适於(yú)承受沖(chōng)擊和動力荷載，具有良好的抗震性能。鋼材内部組織結構均勻，近於(yú)各向同性勻質體。鋼結構的實際工作性能比較符合計算理論。所以鋼結構可靠性高 。
3）鋼結構制造安裝機械化程度高
鋼結構構件便於(yú)在工廠制造、工地拼裝。工廠機械化制造鋼結構構件成品精度高、生産(chǎn)效率高 、工地拼裝速度快、工期短。鋼結構是工業化程度最高的一種結構。
4）鋼結構密封性能好
由於(yú)焊接結構(gòu)可以做到完全密封 ，可以作成氣密性，水密性均很好的高壓容器 ，大型油池 ，壓力管道等 。
5）鋼結構耐熱不耐火
當溫度在150℃以下時，鋼材性質變化很小。因而鋼結構适用於(yú)熱車間，但結構表面受150℃左右的熱輻射時，要採(cǎi)用隔熱闆加以保護 。溫度在300℃ -400℃時.鋼材強度和彈性模量均顯著下降，溫度在600℃左右時 ，鋼材的強度趨於(yú)零 。在有特殊防火需求的建築中，鋼結構必須採(cǎi)用耐火材料加以保護以提高耐火等級 。
6）鋼結構耐腐蝕性差
特别是在潮濕和腐蝕性介質的環境中，容易鏽蝕。一般鋼結構要除鏽、鍍鋅或塗料，且要定期維護。對處於(yú)海水中的海洋平台結構，需採(cǎi)用“鋅塊陽極保護”等特殊措施予以防腐蝕。
7）低碳、節能、綠色環保，可重複利用
鋼(gāng)結構建築拆除幾乎不會産(chǎn)生建築垃圾，鋼(gāng)材可以回收再利用。
二、發展曆程
1）鋼結構的上遊行業爲鋼鐵等原材料供應行業
鋼鐵行業是鋼結構産業發展的物質基礎，鋼鐵行業的技術進步爲鋼結構的應用創造瞭(le)有利條件 。國内鋼鐵行業的一些大企業已經開始瞭(le)建築結構用鋼的品種和技術的研發，相繼開發瞭(le)高強鋼和耐火 、耐候、耐海水 、抗層(céng)狀撕裂、抗低溫用鋼，以及H 型鋼 、高性能彩塗鋼闆、冷彎型鋼等，爲鋼結構産業的發展奠定瞭(le)良好的應用基礎。
2）上下遊對本行業的影響
鋼結構的上遊主要是鋼鐵行業，鋼材産品價格波動直接影響本行業的採(cǎi)購成本。從整體上看，上遊行業基本屬於(yú)競争性行業，生産用於(yú)鋼結構的各類鋼闆、鋼管、型鋼等鋼材 ，其中H 型鋼和中厚闆是鋼結構建築中最爲常用的産品。産業洞察研究數據2011 年粗鋼産量達6.96 億噸 ，産量相對飽和，鋼結構生産所需的原材料能獲得穩定的供應。
下遊行業對鋼結構行業的發展具有較大的牽引和驅動作用，它們的需求變(biàn)化直接決定瞭(le)行業未來的發展狀況。鋼結構以其強度高、自重輕、抗震性能好、工業化程度高、施工周期短、可塑性強、節能環保等綜合優勢 ，在工業廠房、市政基礎設施建設、文教體育建設、電力、橋梁、海洋石油工程、航空航天等行業得到瞭(le)廣泛的應用，市場空間逐步擴大。另外，一旦住宅鋼結構市場取得突破 ，逐步取代傳統建築形态進入住宅建設領域，鋼結構行業将引來爆發性的增長。
三、應用
1）屋面系統
是由屋架、結構OSB面闆 、防水層(céng) 、輕型屋面瓦（金屬或瀝青瓦）及相關連接件組成的。邁特建築輕鋼結構的屋面，外觀可以有多種組合 。材料也有多種。在保障瞭(le)防水這一技術的前提下，外觀有瞭(le)許多的選擇方案。
2）牆體結構
輕鋼結構住宅的牆體主要由牆架柱、牆頂梁 、牆底梁、牆體支撐(chēng)、牆闆和連接件組成。建築輕鋼結構住宅一般将内橫牆作爲結構的承重牆，牆柱爲C形輕鋼構件，其壁厚根據所受的荷載而定，通常爲0.84～2毫米，牆柱間距一般爲400～600毫米， 建築輕鋼結構住宅這種牆體結構布置方式，可有效承受並(bìng)可靠傳遞豎向荷載 ，且布置方便。
四、性能指标
1)強度
鋼材的強度指标由彈性極限σe，屈服極限σy，和抗拉極限σu，設計時以鋼材的屈服強度爲基礎，屈服強度高可以減輕結構的自重，節省鋼材，降低造價 。抗拉強度σu即是鋼材破壞前所能承受的最大應力，此時的結構因塑性變(biàn)形很大而失去使用性能，但結構變(biàn)形大而不垮，滿足結構抵抗罕遇地震時的要求。‘σu/σy值的大小 ，可以看作鋼材強度儲備(bèi)的參數。
2)塑性
鋼材的塑性一般指應力超過屈服點後，具有顯著的塑性變(biàn)形而不斷裂的性質。衡量鋼材塑性變(biàn)形能力的主要指标是伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率ψ。
3)冷彎性能
鋼材的冷彎性能是衡量鋼材在常溫下彎曲加工産(chǎn)生塑性變(biàn)形時對産(chǎn)生裂紋的抵抗能力。鋼材的冷彎性能是用冷彎實驗來檢驗鋼材承受規定彎曲程度的彎曲變(biàn)形性能 。
4)沖擊韌性
鋼材的沖(chōng)擊韌性是指鋼材在沖(chōng)擊荷載作用下，斷裂過程中吸收機械動能的一種能力，是衡量鋼材抵抗沖(chōng)擊荷載作用，可能因低溫 、應力集中，而導(dǎo)緻脆性斷裂的一項機械性能 。一般通過标準試件的沖(chōng)擊試驗來獲得鋼材的沖(chōng)擊韌性指标。
5)焊接性能
鋼材的焊接性能是指在—定的焊接工藝條件下，獲得性能良好的焊接接頭。焊接性能可分爲焊接過程中的焊接性能和使用性能上的焊接性能兩種。焊接過程中的焊接性能是指焊接過程中焊縫及焊縫附近金屬不産生熱裂紋或冷卻不産生冷卻收縮裂紋的敏感性。 焊接性能好，是指在一定焊接工藝條件下，焊縫金屬和附近母材均不産生裂紋。使用性能上的焊接性能是指焊縫處的沖擊韌性和熱影響區内延性性能，要求焊縫及熱影響區内鋼材的力學性能不低於(yú)母材的力學性能 。我國採(cǎi)用焊接過程的焊接性能試驗方法，也採(cǎi)用使用性使用性質上的焊接性能試驗方法。
6)耐久性
影響鋼材耐久性的因素很多。首先是鋼材的耐腐蝕性差，必須採(cǎi)取防護措施，防止鋼材腐蝕生鏽。防護措施有 ：定期對鋼材油漆維護，採(cǎi)用鍍鋅鋼材，在有酸，堿，鹽等強腐蝕介質條件下，採(cǎi)用特殊防護措施，如海洋平台結構採(cǎi)用“陽極保護”措施防止導管架腐蝕，在導管架上固定上鋅錠，海水電解質會自動先腐蝕鋅錠，從而達到保護鋼導管架的功能。其次由於(yú)鋼材在高溫和長期荷載作用下，其破壞強度比短期強度降低較多，故對長期高溫作用下的鋼材，要測定持久強度。鋼材随時間推移會自動變硬、變脆、即“時效”現象。對低溫荷載作用下的鋼材要檢驗其沖擊韌性。
四、要求
設備(bèi)鋼(gāng)結構通常會在以下方面提出特殊要求或者更高要求：
結構件：材質、表面粗糙度、公差 、表面處理、直線度（或弧度）
連接：孔位偏差 、螺栓等級；焊接方法、焊接标準、焊材；氣密性，要求進行無損檢測、液體滲透檢測等
整體結構：垂直度、水平度等
包裝：包裝材料、包裝方法
倉儲：環境溫度、環境濕度
運輸：裝卸、車内擺放、集裝箱内擺放，等等。
五、加固技術措施
鋼結構也是有損壞的時候，我們要即時發現即時解決問題，鋼結構網介紹鋼結構損壞的主要因素有：
1）由荷載變(biàn)化，超期服役，規範和規程改變(biàn)導(dǎo)緻結構承載力不足；
2）構件由於(yú)各種意外産生變(biàn)形、扭曲、傷殘、凹陷等，緻使構件截面削弱，杆件翹曲，連接開裂等；
3）溫差作用下引起構(gòu)件或連接變(biàn)形、開裂和翹曲；
4）由於(yú)化學物質的侵蝕而産(chǎn)生腐蝕以及電化學腐蝕緻使鋼結構構件截面削弱；
5）其它包括設計、生産(chǎn)、施工中的失誤及服役期中的違規(guī)使用和操作等。
鋼結構的加固技術措施主要有三種：
1） 截面補(bǔ)強法 ：在局部或沿構件全長(zhǎng)以鋼材補(bǔ)強，連成整體使之共同受力；
2） 改變(biàn)計算簡圖 ：增設附加支承，調(diào)整荷載分布情況，降低内力水平，對超靜定結構支座進行強迫位移，降低應力峰值；
3） 預應力拉索法：利用高強拉索加固結構(gòu)薄弱環節或提高結構(gòu)整體承載力、剛(gāng)度和穩度。
五、鋼結構的産量
中國鋼結構行業呈現持續和快速的增長勢頭，鋼結構産(chǎn)量從2002年的850萬噸增長到2009年的2294萬噸，年均複合增長率達到15.24%。據相關數據估計，2010年，鋼結構産(chǎn)量達到2600萬噸。2011年，鋼結構産(chǎn)量約爲2900萬噸。我國鋼結構行業正處於(yú)迅猛發展時期。
中國鋼結構行業總體集中度較低。年産量1萬噸以下、1-5萬噸、5-30萬噸、30萬噸以上的鋼結構企業數量分别爲4000-5000、100、20、6-8;擁有鋼結構特級制造資質的企業51家，擁有輕型鋼結構工程設計專項甲級資質的企業82家，而同時擁有上述資質及專業承包一級資質的企業更少。随著(zhe)行業不斷發展，行業内並(bìng)購整合現象将成爲常态。
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