高性能钢材在钢结构工程中的应用与展望

高性能钢材在钢结构工程中的应用与展望

文玲敏

新疆城建（集团）股份有限公司 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000

摘要：中国钢产量已经连续几十年居世界首位，这标志着我国钢结构工程技术水平的已达到先进水平，生产出高强度、高延性钢、高强度 Z向性能钢、高强度耐候钢、高强度耐火钢、高性能控轧( TMCP ) 钢等高性能钢材，高性能钢材的应用为我国钢结构发展提出更高的要求，需要相关人员的研发和应用。现代钢结构工程发展与科技进步有必然联系。因此，建议有关单位统一规划组织有关高性能钢材系列产品的研发与设计应用开发更多节能、环保的新型材料，它属绿色环保性建筑，可再生重复利用，符合可持续发展的战略。作到优材优用、合理用材。

关键词：高性能钢材；高强度钢；钢结构工程；应用

目前，钢结构住宅属于高技术、高效率的产业，加快对钢结构住宅的研究，将促进建筑业向技术密集型产业转化，并将带动建材、冶金、信息机械尤其是钢铁企业的发展。钢结构住宅的发展将带动住宅施工行业的革新。钢结构住宅的发展将有着非常光明、广阔的前景。

一、高性能钢材的产品与特性

1.综合性能优异的钢材  在强度、延性、冲击韧性、焊接性等各方面性能均优于通用性能的钢材。如建筑结构用钢板(GJ 钢)、低合金钢中TMCP 交货钢材等。

2.专用性能优异的钢材 满足某一功能要求而其专用性能优异的钢材。如“厚度方 向钢板”、“耐候钢”、“耐火钢”等。

3.截面特性优异的钢材 因截面形状更合理而具有更优化截面特性的热轧(冷弯) 型材。如宽翼缘工字钢、冷弯薄壁型钢、蜂窝梁等。

二、钢结构的优点

钢结构建筑房屋体系的综合经济指标要优于传统的钢筋混凝土结构，其保温、隔音性能远优于钢筋混凝土结构。正是由于该结构体系具有如此多的优点，轻钢结构建筑体系必将发展成为今后我国低层建筑结构的重要形式之一。

1.钢结构的重量轻钢材容重大，强度高，做成的结构却比较轻。

结构的轻质性可以用材料的质量密度和强度的比值来衡量，比值越小，结构相对越轻。因而当承受的荷载和条件相同时，钢结构要比其它结构轻，以同样跨度承受同样的荷载，钢屋架的重量最多不过为钢筋混凝土屋架的1/3—1/4。重量轻，可减轻基础的负荷，降低地基、基础部分的造价，同时还方便运输和吊装。

2.建筑钢材强度高，塑性韧性好强度高。

适用于建造跨度大、高度高、承载重的结构。但由于强度高，一般构件截面小而壁薄，在受压时容易为稳定计算和刚度计算所控制，强度难以得到充分的利用。塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂，只增大变形，故易于被发现。此外，尚能将局部高峰应力重分配，使应力变化趋于平缓。韧性好，适宜在动力荷载下工作，因此在地震区采用钢结构较为有利。

3.钢结构制作简便。

施工工期短钢结构构件一般是在金属结构场制作，施工机械化，准确度和精密度均较高。钢结构所有材料皆已轧制成各种型材，加工简易而迅速。钢构件较轻，连接简单，安装方便，施工周期短。小量钢结构和轻型钢结构也可在现场制作，简易吊装。钢结构由于连接的特性，易于加固、改建和拆迁。

4.采用钢结构有利于环保采用钢结构可以有效保护环境。

具体表现在三个方面：一是和混凝土相比，可采用干式施工，产生的噪音小，粉尘少；二是由于自重减轻，基础施工取土量少，对土地资源破坏小，此外大量减少混凝土用量，减少开山挖石量，有利于生态环境的保护；三是建筑结构使用寿命到期后，结构拆除后，产生的固体垃圾量小，废钢资源回收价值高。

5.钢结构密闭性较好钢结构的钢材的连接的水密性和气密性较好，

适宜于做要求密闭的板壳结构，如高压容器、油库、气柜、管道等。

三、钢结构的主要构件和结构体系

（一）主要构件

1.梁、柱。

钢结构住宅结构一般设计为强柱弱梁形式，梁柱均取等截面形式。梁主要选用高频焊接和热轧H钢，它是工字钢的升级换代产品，具有抗弯性能好，翼缘宽，侧向刚度大，翼缘表面相互平行，构造方便等优点。对于轴压比较大、双向弯矩接近、梁截面较高的框架柱，采用双轴等强的钢管柱或方钢管混凝土柱。方钢管混凝土柱不仅截面受力合理，同时可以提高框架的侧向刚度，防火性能好，而且结构破坏时柱体不会迅速屈曲破坏。楼板结构的选择至关重要，它除了将竖向荷载直接分配给墙柱外，更主要的作用是保证与抗侧力结构的空间协调作用。同时楼板还要应该满足住宅功能的要求，如防颤动、隔音、隔热等。支撑分轴交支撑和近年发展起来的偏交支撑两种，前者耐震能力较差，后者在强震作用下具有良好的吸能耗能性能，而且为门窗洞的布置提供了有利条件，目前国内用得还很少，建议在高烈度区首选偏交支撑。钢结构住宅的墙体围护结构，应采用具有自承重和抗冲击能力，并能保温、隔热、隔音、防火、防渗漏等多种功能轻质的墙体材料。

（二）结构体系

1.纯钢框架体系。

目前，这种体系在多层钢结构住宅中应用最广，纯框架体系常用于4～8层住宅。纵横向都设成钢框架，门窗设置灵活，可提供较大的开间，便于用户二次设计，满足各种生活需求。

2.冷弯薄壁型钢体系。

构件采用薄钢板冷弯成C形、Z形构件，可单独使用，也可组合使用，杆件间连接采用自攻螺丝。这种体系节点刚性不易保证，抗侧能力较差，一般只用于1～2层住宅或别墅。框架—支撑体系主要由焊接工字型梁柱组成，多数情况下，这种体系为横向承重，梁柱节点在横向上为刚接，纵向为铰接。因此，结构在纵向相当于排架，抗侧移刚度很低，需设置侧向支撑抵抗水平荷载，限制结构的水平变形。

3.周围抗侧力体系。

这种体系在欧美国家的商业和民用建筑十分流行。它的特点是刚架柱的强轴与其相交的建筑轴线垂直，形成外筒，抵抗水平荷载，将之传递到基础。它适用于建筑外型接近于正方形的结构，可以将这种思路应用到框架—支撑体系中。把纵向的支撑去掉，将原有位置的刚架柱扭转90°，梁柱由铰接变为刚接。这样，刚架柱同时起到抗风柱与竖向支撑的作用。

四、对高性能钢材应用的展望与思考

钢结构的合理应用范围不仅取决于钢结构本身的特性，还取决于国民经济发展的具体情况。过去由于我国钢产量不能满足国民经济各部门的需要，钢结构的应用受到一定的限制。近几年来我国钢产量有了很大发展，加以钢结构结构形式的改进，钢结构的应用得到了很大的发展。我国的建筑用钢总量约占全部钢产量的20%～25%，而工业发达的国家则占30%以上。如美国和日本，该项指标均已超过50%。在我国，钢在建筑中主要用于建筑用钢结构，钢筋混凝土用钢筋，钢绞线，钢丝，门窗等，而其中钢结构用钢只占10%左右，在我国一亿吨的钢产量中，真正用于钢结构上的也就200～300万吨。若是在城市中采用钢结构住宅，因为其工厂化程度高、施工周期短的优势，将能很好地解决城市市区，尤其是中心市区人口稠密交通繁忙、施工生产不便的问题。因此钢结构住宅应该是城市住宅设计的主要方案之一，同时钢结构体系住宅成套技术的研究成果必将大大促进住宅产业化的快速发展，直接影响着我国住宅产业的发展水平和前途。

高性能钢材造就高性能的钢结构，这一基本规则表明，在钢结构工程中应用高性能钢材或特种性能钢材，是现代钢结构技术进步的必然和发展趋势，也带来了显著的社会效益。同时随着这种认同的扩大与科技进步的发展，我国在高性能钢材的应用条件方面也正在不断完善。近年来设计、建设等应用单位与钢厂的密切联系与沟通，对高性能钢的应用也起到重要的推动作用，作为重要的沟通渠道与平台，中国钢铁工业协会与钢结构协会还将继续深化这一工作。

优材优用合理用材，提高钢结构工程中钢材应用的技术水平随着现代化钢结构工程对钢材性能要求的提高与高性能钢材产品的增加，在当前设计与钢材订货中如何优材优用、合理选材的矛盾已日益凸显出来。

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