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钢铁的应用发展史（广西大1学土木建筑工程学院土木要103班，广西南宁530004）摘要：钢铁对人类的发展有着不可磨灭的贡献，在建筑结构材料中扮演着重大的角色。本文从钢铁的发现、生产、及应用对钢铁进行论述，特别是后期的钢结构，对人类的建筑史产生不可估量的影响，使人类建筑史发生质的飞越。关键词：钢铁应用发展史【中图分类号】NO【文献标志吗】A【文章编码】一：铁的发现生产及应用人们最早认识的铁是陨石中的铁，古代埃及人称之为圣物，此时的铁主要用于祭祀或是用于作饰物，这是人类对铁的最早应用，而人工铁的出现则相对较晚，距今约三千四百年，赫梯王国最早锻造出人工铁，约公元前一千年，古希腊和古罗马开始普遍使用铁制的工具和兵器，，约公元前五世纪，欧洲大陆普遍使用铁器，中国最早使用人工铁器始于春秋战国时期，从公元前一千四百年前起，人类开始逐步掌握比较熟练的也炼铁的技术，铁从此被大量生产。继西台帝国之后，小亚细亚、埃及、美索不达米亚平原相继进入铁器时代。战国末期开始，我国锻造铁的技术已达到一定水平，铁器被广泛应用与农业生产和军事战争，各种铁器兵器出现在战争中，戈、戟、矛、殳、斧、钺、锤、锥出现，犁壁，曲辕犁，耙应用到农业生产当中，大大提高了劳动效率，节约了劳动力。随着冶炼技术的不断发展进步，战争的爆发，大斧、阔刀、利剑、弓箭等相继出现，此时铁器产品已不再是稀有之物，铁器被广泛的应用到生活的方方面面，而我国在元末明初就已经利用铁器制作火铳一类的大规模杀伤性武器。虽然，纵观铁器的发展史，漫漫长途中，其冶炼技术得到了很大的提高，铁的使用得到广泛的推广，然而古代的铁器，其含杂质量很大，在当时的水平下，亦限制了铁器的发展。当时的铁器锻造性能很差，制造工艺也相对的粗糙。直至一七二零年，在科尔布鲁克代尔，亚伯拉罕•达尔贝，用焦炭代替木炭在高炉中炼铁，首次获得了成功，这就确立了大批量生产生铁的条件。由于搅炼工艺技术的不断革新，到一七八四年，已经能够再次使用焦炭来时生铁转换成熟铁。从而大大降低了铁中的含铅量，从此铁的应用向大跨度建筑结构中迈进。一七九九年，在科尔布鲁克代尔的佛塞恩河上，建成了当时认为非常有意义的大跨度铁结构桥梁。一八三零年，铁道部开始使用轧制法制造的铁轨，一八五四年，第一批工字形熟铁产生，从而标志着工业的勃兴。工字型梁广泛应用到商业、交通、蒸汽动力、机械工程、重工业、冶金学和应用科学等各行各业中。其中，在英1【收稿日期】2011/11/19【作者简介】刘伟潇，男，广西钦州人，广西大学土木建筑工程学院在读本科生E-mail:liuweixiao4@126.com国和美国早期，熟铁在索链吊桥中得到广发的应用。最杰出的是北威尔斯麦奈海峡上的托马斯特尔福德大桥，其在一八二零年通行，主跨达到一百七十三米，达到当时一个相当高的记录。后来吊桥的链锁被缆索代替，使这种结构的纪录达到一八五零年的三百米。而到一八七零年时，纽约布鲁克林大桥落成，跨度几乎达到五百米，这类结构的广泛应用，奠定了十九世纪中叶规定的钢桥发展的所有重大结构系统。一八五一年建成的伦敦水晶宫，是大型铁框架单层建筑的一个十分出色的例子。与此时相近，伦敦金兹、克罗斯车站及巴黎东站先后落成。以拱形铁肋屋盖为特征的一系列大型火车站开始出现，一八六七年，伦敦圣潘克勒斯车站建成，并以七十八米的大跨度创造了欧洲房屋建筑的记录，此时铁在桥梁工程及大型单层建筑中取得非常辉煌的成就。二：钢的生产及应用一八六四年，西门氏-马丁法或平炉法冶炼问世，随即软钢时代到来，钢材料可分为圆钢、方钢、钢缆、基槽边框刚、可缩基槽边框刚、等边角钢、不等边角钢、槽钢、工字钢、宽翼缘H型钢、中翼缘H型钢、狭翼缘H型钢、CT型钢、T型钢、圆钢管、方钢管、轻质型钢、槽钢、钢轨各个种类，和其他结构材料比，钢富有弹性，强度高、韧性好、可塑性强，由于具有如此之多优点，钢结构得到飞速发展显然是无可厚非的。一八七一至一八七二年，巴黎附近努瓦济埃耳-絮尔-马恩的梅尼尔巧克力工厂落成，这是大陆欧洲的第一座钢框架的多层建筑。这一次的操作是工程师们充分利用了各种结构手法并极大地挑战了以铁作为结构材料在强度上的优越性。自从一八五五年，美国卡内基钢铁公司成立以后，轧制熟铁被轧制软钢所取代。就这样，大约在十九世纪末二十世纪初，建筑的所有构件基本定型，从而决定钢结构以后的发展。而在这方面，显然法国跑在最前列，一八八九年博览会机械陈列馆，一百一十米跨的三铰拱结构是钢结构工程达到高峰，这座建筑，是当时所有同类建筑最饶有兴趣和引人注目的结构。要不是埃菲尔铁塔使之黯然失色，也不至于在一九一零年被拆毁，但当时的埃菲尔铁塔并不著名，只是确定不移的成了巴黎的一个象征而已。第一次世界大战后，在房屋建筑中，刚开始和钢筋混凝土连用，备受雇主们青睐，钢不在居主导地位，但在比利时和法国，钢结构的发展并没有停滞不前，甚至在高层建筑开始赶超美国。一九三一年在安特卫普建成的塔式建筑托伦博格，是一个显而易见的例子。托伦博格共二十六层，是当时欧洲最高的建筑。随着城市化进程的加快、钢结构设计方法的改进，高层建筑的纪录不断被刷新。一九三一年，一百零二层的Empirestate大夏在纽约落成，高层建筑的发展从此进入了一个超高层建筑领域。由于二十世纪三十年代开始的经济大萧条和第二次世界大战的爆发，使高层建筑的发展趋于停滞，而此建筑由此保持了四十年之久的最高建筑记录。二十世纪经过战后恢复时期，随着经济的复苏和繁荣，在五十年代，高层建筑钢结构再度兴起，从而进入了发展的热潮。与此同时，一些国家进行了大量的基础性研究，不过这段时期的建筑结构体系并没有多大的进展，大多数建筑仍采用传统的框架结构，存在着“高度加价”的问题制约着高层建筑钢结构的发展和应用。在社会需求的推动下，一九六五年，著名结构工程师FazlurRahman博士首次提出筒体设计概念，对钢结构的发展产生了深远的影响。依据这一概念和二十世纪六十年代迅速发展起来的计算结构力学，美国相继设计出了四幢八十到一百一十层的超高层钢结构大夏（表1），是高层钢结构的结构体系发展到一个新的水平，其突出的标志是结构的用钢量大幅度降低。如一九六一年建成的曼哈顿银行大楼，六十层，高两百四十八米，用钢量为两百四十千克每平方米，而一九六八年建成的芝加哥JohnHancock大夏一百层，高三百四十四米，用钢量为一百四十六千克每平方米，这些后期建成的高层钢结构无论在建筑艺术、技术、材料、设备和施工等方面都体现了世界最先进水平。美国已建的典型高层钢结构建筑表1建筑物名称建设地点高度（米）层数结构体系用钢量（ke/m2）建成时间Seartower芝加哥443110成束框架筒1611974年WorldTradeCenter纽约412110外框架筒1861973年StandardOilBuilding芝加哥34680外框架筒1611973年JohnHancockBuilding芝加哥344100外斜撑框架筒1461970年EmpireStateBuilding纽约381102框架2931931年钢结构得到最多发展机会的是在美国，其次是日本，美日两国的钢结构高层建筑约占世界的百分之九十，日本发展钢结构建筑只是近三十年的事，由于日本是一个多地震的国家，直至一九六三年日本建筑法规规定建筑物不允许超过三十一米高的规定。这是经过大量科学实验，在抗震防火防风等一系列科学技术问题取得重大突破后才取消这一限制的。日本于一九六四年公布新的建筑法令，取消对建筑物高度的限制。自从这以后，高层建筑钢结构在日本得到非常迅速的发展，以一九六八年建成的高达一百四十七米高、三十六层超高层钢结构霞关大夏办公楼为标志，日本开始真正进入高层钢结构建筑发展时期。到二十世纪七十年代八十年代，日本的高层钢结构建筑栋数仅次于美国。在高层建筑钢结构的科学研究、钢材和钢构造技术的发展、制作安装技术的改进方面，都已取得了重大的成果，积累了丰富的经验，并在技术上形成了自己的特点。这一时期日本的典型超高层钢结构建筑如表2所列有六栋。直至二零零五年，日本二十层以上的新建高层建筑绝大部分是钢结构建筑。至一九八六年底，日本已有七十五幢一百米以上的新建高层钢结构建筑，占总幢数的百分之九十五。日本意见的典型高层钢结构建筑表2建筑物名称建设地点高度（米）层数建成时间霞关大厦东京147361968年京王广场旅馆东京169.747/31971新宿住友大厦东京20052/41974新宿三井大厦东京21255/41974新宿中心大东京22154/41979厦“阳光60”办公大楼东京22660/31978注：表中层数分子中一项为地上层数，分母为地下层数在其他地方，钢结构亦得到了较好的发展，虽然不如在美国和日本那样迅速。此时的，钢主要以和混凝土一起的形式发展，如加拿大、欧洲、非洲、中东和南亚地区也有很多高层建筑。在欧洲，英国是其中一个在高层建筑中采用钢结构比较多的国家，高层建筑的结构构成（按面积算）见表3英国高层建筑的结构构成（按面积算）﹪表3结构种类1980年1981年1982年1983年钢结构323435.138现浇RC结构4543.143.142.1预制RC结构3.94.26.15.4其它19.118.717.514.5在二十世纪七十年代以后，前苏联和东欧的钢结构也开始增多，如苏联的大城市和八至九度地震区，九十年代前已建成的钢结构高层建筑就约有四十幢。在东南亚地区，包括新加坡、香港和台湾等大城市，过去一百米以上的建筑基本上都采用钢筋混凝土，但进入九十年代以来，逐渐发展了钢结构，中高层建筑中使用钢结构较为普遍，超高层建筑中的钢结构更是逐年增多。如香港七十层、高三百九十六米的中国银行和台湾高雄八十五层、高三百四十八米的高雄银行，都是有代表性的高层钢结构建筑，这也反映了我国发展高层建筑的基本情况。除了这两座建筑之外，中国在高层钢结构建筑当中还有很多有名的例子，如高69层，总高度383.95米，实高324.8米，曾经是亚洲第一高的深圳地王大厦，曾经雄踞世界第一地上101层，地下3层高达508米的台北101大厦。曾经让华人大扬眉吐气的香港中银大厦等等。可见我国在高层钢结构建筑当中亦取得了很大成就。三：钢的发展现状由于钢结构设计理论和计算技术的进步、钢材性能的提高、连接技术的发展、结构体系的改进、抗风和抗震知识的进步，以及对具有多用途、多功能高层建筑的需求，使得近几十年来钢结构的发展很快，在对一九八零年以前的六十二个国家、四百零五个城市的三千零二十六幢高层建筑的设计，钢结构的占总幢数的百分之二十，钢-混凝土的占百分之四十五，其它占百分之十九。表四为国际高层建筑和居住委员会列出的世界上一百幢最高建筑所采用的结构情况，由表中所列一九九五年资料可知，世界上最高一百幢建筑中，采用钢结构的站百分之四十五，采用钢-混凝土混合结构的占百分之十八，采用钢-混凝土组合结构的占百分之十一。而采用钢筋混凝土结构的仅占百分之二十六。由此可见，就世界范围而言，高层建筑中钢结构已占各类结构中相当大的比例，且向超高层发展。高度为两百米以上的建筑中，采用钢结构的占绝大多数。世界最高一百幢建筑所用结构材料的统计表四发布年月1986年1月1990年1月1995年10月高度范围206~443m213~443m226~450m分布国家地区121417材料钢655345（栋）RC222626混合131918组合/211如果把钢-混凝土混合与组合也列入钢结构范畴，则从现有资料可以看出，七十米高层钢结构建筑占百分之六十三，一百米以上高层钢结构建筑占百分之六十五点五，一百米以上高层建筑钢结构占百分之八十点七。高层建筑钢结构在二十世纪中后期得到如此迅速发展的原因是，他与钢筋混凝土结构相比，具有优越的结构性能和经济性能，综合效益明显，因而钢结构以成为一种具有竞争性和经济性的选择。〔参考文献〕【1】日本钢结构协会：《钢结构技术总览》中国建筑工业出版社|2011-10-27【2】姜晨光《桥梁建造技术指南》化学工业出版社【3】曹平周、朱吕泉《钢结构》第二、三版,西南师范大学出版社【4】T.哈特W.海恩H.桑塔格《钢结构建筑集料集