钢结构建筑是一种新型的节能环保的建筑体系,被誉为21世纪的“绿色建筑”。

2017-06-05

钢结构建筑是一种新型的节能环保的建筑体系,被誉为21世纪的“绿色建筑”。钢结构建筑是一种重量轻、强度高、抗震性能好、节能环保、能循环使用的建筑结构,符合发展节能建筑和经济持续健康发展的要求。

目前我国正积极发展钢结构行业。首先,积极扩展建筑钢结构用钢材的品种,提高产品性能。具体措施如下:研究和开发高性能建筑专用钢材系列产品,包括优质焊接结构钢、高强度优质厚板、热成型管材、优质可焊铸钢等;扩大冷弯型钢和热轧H型钢的品种和规格,包括大截面冷弯管材、大截面H型钢和轻型H型钢等;合理推广采用耐候钢、耐火钢、Z向钢和药芯焊条等。其次,大力推动建筑钢结构的发展,进一步提高其应用技术水平。具体措施如下:高层和超高层建筑优先采用合理的钢结构或钢-混凝土结构体系;大跨度建筑积极采用空间网格结构、立体桁架结构、索膜结构和施加预应力的结构体系;低层建筑大力推广采用经济适用的轻型钢结构体系;总结试点经验,结合市场需求,积极开发钢结构住宅建筑体系,并逐步实现产业化。

钢结构建筑工程中应用钢管概况

自然界中显示了圆管形状在受压、受扭和多方向受弯下的卓越结构性能,人们正是从风中芦苇、雨中翠竹、支撑人体重量的大腿骨得到启发,将管结构优越的结构性能与极具魅力的建筑外形相结合形成了钢管结构。钢管结构的最大优点是能将人们对建筑物的功能要求、感观要求和经济效益要求完美地结合在一起。钢管结构凭借其自身优越的性能,近年来应用飞速发展,应用范围几乎涉及所有结构领域,包括房屋建筑、桥梁、堤坝、海洋平台结构和塔桅等。


我国的钢管结构应用要晚于西欧、北美和日本,但是最近10年,钢管结构在我国得到快速发展。如长春体育馆、上海体育馆、虹口体育馆、广州体育馆、首都机场新航站楼、成都双流机场新航站楼、广州新白云机场航站楼、济南遥墙国际机场等,已大量使用钢管结构。其中,长春体育馆是我国首次使用大截面方钢管的国内最大跨度的方钢管网壳工程;广州新白云国际机场航站楼屋盖是国内大型的圆管结构建筑,它的指廊和高架连廊则采用了方管结构。

根据中国钢结构协会对17家特级和29家一级钢结构制作厂消耗的钢材品种统计,目前我国钢管消耗量占钢结构产量的9%~10%。按每年2000万吨钢结构产量计算,用于工程中的结构用钢管约为200万吨,远少于热轧H型钢,也远低于日本、美国和欧洲的用量,表明钢管在我国有着较大的发展空间。

钢管结构的分类和特点

目前工程中使用的钢管结构可按截面形状、结构形式和制作方法进行分类。按截面形式,钢管结构可分为圆管结构(CHS)、方(矩)形管结构(RHS)和其他形状三类。由于在外表和受力性能方面的优越性,圆管结构和方管结构的应用最广。按结构形式来分,钢管结构可分为网架(网壳)、桁架、框架和钢管混凝土结构四种。钢管结构形式是指采用圆管和方管作构件,管与管之间通过相贯焊接连接的形式。按制作方法来分,钢管结构可分为热轧钢管结构、冷轧钢管结构、焊接钢管结构三种。热轧钢管壁厚较厚、制作成本高,冷轧钢管壁厚相对较薄。

圆管和方(矩)形钢管结构的特点如下:圆管和方(矩)形截面都具有双轴对称、截面形心和剪心重合等特点;圆管和方管截面,截面惯性矩对各轴相同,作为受弯和受压构件的优势最突出;截面闭合,抗扭刚度大、板件局部稳定好,尤其是圆管截面,截面的极轴分布均匀,抵抗扭矩特别有效;外观简洁、平滑,杆件可直接焊接于同一点,可不用节点板,以节省钢材。

相比于普通的钢结构,钢管结构的优势如下:一、相比于普通开口截面形式的型钢而言,圆管和方(矩)形截面具有表面平整、无死角和外表面积小等特点,这样有利于节省防腐和防火涂料,便于除尘。二、钢管截面的风阻力系数小,应用于暴露在流体(如风、水流)中时有着显著的优点。三、钢管结构的内部空间可利用。例如填充混凝土(钢管混凝土结构),不仅能提高构件的承载力,而且还能延长构件的耐火极限(平均可达2小时);管内注水,可利用内部水循环进行防火。四、管内能够传输液体,目前已根据该特点开发了输油管桥、排雨水管等。五、管内还可以放预应力索,施加体内预应力。

钢管结构在钢结构工程中的应用要求和前景

钢管用钢强度级别在各个应用技术规程里均有规定,但均应满足《钢结构设计规范》(GB50017-2003)的要求。一般分Q235、Q345、Q380、Q420四级。承重结构的钢材应有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证,焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊接承重结构和重要的非焊接承重结构还应具有冷弯试验的合格保证。钢材的强度设计值,应符合设计规范中的规定。设计者根据钢管在结构中的功能和重要性选用各类钢管,包括无缝钢管、直缝焊接管、螺旋形缝焊接管、冷弯方矩管、双焊缝冷弯方矩钢管、低压流体输送用焊接钢管等。遇到设计中采用大直径、厚壁钢管时,一般由钢结构加工厂专门制作,各类结构也规定了最小截面尺寸和技术要求。

随着美国的钢铁工业以底层商业建筑市场为开发目标,钢管结构的需求也呈上升之势,有成为露天结构材料的替代用材料的趋势。最近5年,美国结构管材的消耗量每年以5%~10%的速度增长。日本是一个地震多发国家,建筑业采用H型钢结构比较多,所以H型钢的产量占型钢总产量的50%~60%。最近几年日本也在大力开发和应用钢管结构,且规格大型化,断面复杂化,现已生产边长700mm、壁厚16mm~32mm的大型钢管结构,用于建筑结构柱。在我国,钢结构方矩管的发展空间很大。我国H型钢年产量约为500万吨,方矩管产量仅为50万吨,产量比为1︰0.1。而在发达国家,该比值一般为1︰1。