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把握钢结构属性特征建造健康钢结构工程
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钢结构工程的实施,离不开社会群体的共同参与、众多门类科学技术的综合应用、建筑及钢结构设计、施工者的辛勤努力。因此,钢结构除具有一般工程结构的建造社会性、科技综合性、应用依附性等属性外,在品质上还有其自身的一些技术特征:自重轻、建造快、适应性强、耐火差、需防锈等。把握好钢结构这些属性和特征,扬长避短是建设好钢结构工程的必要条件。

  目前,不少钢结构的建造是具有足够的可靠性、良好的社会效应和经济效益的,但也有一些可以被称之为亚健康或不健康的钢结构工程。这些工程的建造不能不引起人们的关注。

  一、什么是钢结构

  钢结构是用钢材经过加工、连接、安装组成的需要承受各种潜在的自然和人为破坏,并具有足够的可靠性、良好的社会效应和经济效益的工程构筑物。这样来定义钢结构,就可以进一步指明和把握钢结构的基本属性、技术特征,为建造健康钢结构工程提出一些必要的理念。

  各种工程构筑物所处的环境和用途不同,其需要承受的自然和人为环境的作用也各有差异,所应满足各种预定功能的要求虽说不一致,但一般都应具有足够的可靠性(安全性、适用性、耐久性)、良好的社会效应和经济效益,这些应该是对工程结构物最基本、最重要的预定功能要求。这里所说的适用性,应该是最大限度地适应社会需求的广义适用性。

  二、建筑钢结构的基本属性和品质技术特征

  正如以上提到的,钢结构是可以在许多工程建设领域应用的一种工程构筑物,因此,它的建设立项、设计、施工、使用、维修等是相互关联的系统工程。从总体上看,钢结构与其它工程结构类似,其不同之处在于,钢结构是用钢材经加工、连接、安装组成的工程结构,因此它具有与其它工程结构相类似的以下几方面基本属性,同时有着不同的品质技术特征。

  第一,钢结构的基本属性。

  一是建造社会性。钢结构的建造是多行业群策群力的群体活动,离不开社会的需要和科学技术的发展,并反映着社会发展的历史进程。因此,钢结构的建造具有极大的社会性。二是技术综合性。建筑钢结构的建造涉及建筑艺术、物理、力学、金属学、结构工程、机械加工等多类学科和技术的综合应用。三是应用依附性。建筑钢结构是为各建筑工程的建设需要而建造的,必须适应各项目的建设需求,离开其需求,钢结构便失去其建设和存在的先决条件,因此钢结构需要依附于各个建设项目的要求。四是品质独立性。钢结构的存在是实现建设项目需求的根本保证,而且一旦建成,它的品质即被确定,是优?是劣?能否安全?能否适用并耐久地工作等等,却相对独立于各个建设项目的需求而存在,并且能直接影响甚至决定着建设项目的成败。一些钢结构工程建成后的惨痛事故教训,不断地表明了钢结构品质的这一独特性。

  第二,钢结构的品质技术特征。

  正常设计、施工和使用的钢结构,一般有以下优良的品质技术特征。一是自重轻:钢的容重强度比小,在相同工程情况下,结构的自重轻;二是塑性大:调整结构、构件、截面的局部超额受力的能力强;三是韧性好:抵抗撞击、振动、疲劳破坏的性能好;四是质量优:在工厂加工,质量稳定、可靠;五是建造快:在工厂加工、制造,在工地安装,可缩短建设周期;六是拆迁易:结构安装单元常采用可拆卸的螺栓连接;七是适应性强:可适用于建造各种建筑结构;八是钢材回收利用率高。

  除具有以上优良的品质技术特征外,裸露的钢结构有以下不良的品质技术特征。一是耐火差:钢材热容量小、导热性强、温升快、高温强度低。当温度达到400摄氏度时,普通钢材的强度极大地降低;当温度达到600摄氏度时,普通钢材即失去承载力。二是易锈蚀:在湿度大、侵蚀性介质的环境中易锈蚀。

  需要强调的是,如果在非正常条件下设计、施工和使用时,钢结构的上述优良品质技术特征将退化,甚至于向其反面发展;如果能采取恰当技术措施,上述不良品质技术特性征可以得到改善,进而可满足工程需要。因此,把握钢结构的基本属性和品质技术特征,扬长避短,是建造健康、优质钢结构工程的关键。

       三、钢结构的应用及其类别

  第一,钢结构按应用领域可分为建筑工程、桥梁工程、水利工程、海洋工程、特种工程等。不同领域应用的钢结构常称为该领域的钢结构,如:建筑钢结构,桥梁钢结构等。

  第二,钢结构按所用钢材规格的分类。一是轻型钢结构,1.5毫米~6毫米厚度的钢板和小圆钢、型钢组成的钢结构;二是普通钢结构:8毫米~40毫米厚度钢板和普通型号型钢组成的钢结构;三是重型钢结构:大于40毫米厚度钢板和特殊型号钢材组成的钢结构。用小于1.5毫米厚度钢板制成的钢结构也可称为超轻型钢结构。

  不同规格钢材组成的钢结构的加工、制造、安装和受力工作性能以及破坏特征有所不同。轻型钢结构的稳定性和缺陷敏感性问题较为突出;重型钢结构的焊接、安装残余应力对钢板层状撕裂以及疲劳和脆性断裂等的影响不能忽视。

  第三,钢结构按结构体系工作特点的分类。

  ⑴梁格结构,受弯曲工作的梁组成的结构;⑵刚架结构,受压(拉)、弯曲工作的直梁和直柱组成的框形结构;⑶拱架结构,单向弯曲形构件组成的平面结构;其截面受压、弯和剪;⑷桁架结构,主要受拉或压的杆件组成的结构;⑸网架结构,主要受拉或压的杆件组成的平面型网状结构;⑹网壳结构,主要受拉或压的杆件组成的曲面型网状结构;⑺索杆结构,张力索(或链杆)和受压杆件组成的结构;⑻拉索结构,张拉索为主组成的结构;⑼混合结构,⑴~⑺中两种及其以上结构组成的结构;⑽杂交结构,⑴~⑺中两种及其以上结构构件组成的新型结构;⑾预应力结构,对⑴~⑽施加有预应力的结构。

  上述结构体系一般在相同空间和环境条件作用下其结构自重依次较轻,特别是对于大空间、复杂环境条件作用下的建筑物的支承钢结构,其自重的减轻程度更是这样。这是因为,受弯或压弯的构件的截面应力不均匀,不能充分利用其材料强度性能;轴心受压构件的截面应力均匀,可较充分利用其材料强度性能,但长细比大时,需考虑稳定性问题;轴心受拉构件不仅截面应力均匀,而且不会失稳,可最充分利用其材料强度性能。

  四、建造健康钢结构工程需要有的设计理念

  第一,健康的钢结构。健康的钢结构是指能正常、持久工作并能产生良好效益的一种钢结构,也就是能承受各种潜在的自然和人为破坏,并具有足够的可靠性(安全性、适用性、耐久性)和良好社会效应、经济效益的钢结构。不顾其可靠性,而片面追求经济效益指标的建筑钢结构,必然是缺陷的、短命的甚至是危险的钢结构;不顾经济效益,片面追求虚幻意念、怪异形象的“适用”而建成的建筑钢结构,必然是臃肿浪费的钢结构。此外,不顾一切地追求速度,而因在设计、施工方面不当、埋下严重影响可靠性的缺陷、隐患和代价高昂的钢结构等都不能算是健康钢结构,仅可称其为亚健康、不健康或病态钢结构;只有其可靠性与社会效益取得较好平衡的钢结构才能算得上是健康的钢结构;取得最佳平衡的,可称得上是精品钢结构。建造健康钢结构不容易,打造精品钢结构更难,必须把握其基本属性和品质技术特征并具有相应的理念,才有可能实现。(待续)(编辑系清华大学建筑玻璃与金属结构研究所学术委员会主任、中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会名誉理事长 李少甫)

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