对钢结构的认识

对钢结构的认识截至本学期前，我对钢结构的认识不过仅仅停留在埃菲尔铁塔、东京铁塔等建筑上，直到这学期钢结构的开课，才从根本上改变了我对钢结构的认知。钢结构归根结底是一种承重结构，随着科学技术的发展，建筑工程中常用来承重的结构材料越来越多，有木结构，砌体结构，混凝土结构，钢结构和膜结构等。同时，随着大跨结构，大型工业厂房，多层和高层建筑的越来越多，钢结构都显得尤为重要，从设计、施工、到一系列新材料的使用都出现了革命性的变化，在国际范围内代表了未来的住宅发展新模式。钢结构属于框架结构，以钢框架和钢筋混凝土框架做比较：在跨度相同情况下，钢梁高度是钢筋混凝土梁高度的一半。在承载力相同的情况下，钢柱外围面积是钢筋混凝土面积的1/4。这使“肥梁胖柱”的钢筋混凝土框架结构的弊端在一定程度上有所缓解，但是“藏梁包柱”仍然是钢结构住宅设计的一项主要内容。钢结构的特点1）强度高，塑性和韧性好强度高，适用于建造跨度大、承载重的结构。塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然破坏。韧性好，适宜在动力荷载下工作。2）重量轻3）材质均匀，和力学计算的假定比较符合钢材内部组织比较均匀，接近各向同性，实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。4）钢结构制作简便，施工工期短钢结构加工制作简便，连接简单，安装方便，施工周期短。5）钢结构密闭性较好水密性和气密性较好，适宜建造密闭的板壳结构。6）钢结构耐腐蚀性差容易腐蚀，处于较强腐蚀性介质内的建筑物不宜采用钢结构。7）钢材耐热但不耐火温度在200℃以内时，钢材主要力学性能降低不多。温度超过200℃后，不仅强度逐步降低，还会发生兰脆和徐变现象。温度达600℃时，钢材进入塑性状态不能继续承载。8）在低温和其他条件下，可能发生脆性断裂应用范围重型工业厂房，大跨度结构，高耸结构，和高层结构受动力荷载作用的结构，可拆卸和移动的结构，容器和管道，轻型钢结构其他建筑——支架等。钢结构的设计方法主要以概率极限状态设计法为主，对疲劳以及压力容器沿用以经验为主的容许应力设计法。钢材力学性能指标抗拉强度fu：反映钢材受拉时所能承受的极限应力。伸长率：试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数，称为伸长率，伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。冷弯性能：冷弯性能由冷弯试验确定。试验时使试件弯成l80°，如试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。韧性：韧性是钢材强度和塑性的综合指标。由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响，在寒冷地区建造的结构不但要求钢材具有常温（20℃）冲击韧性指标，还要求具有负温（0℃、-20℃或-40℃）冲击韧性指标，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。各种因素对钢材主要性能的影响1）化学成分碳直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。碳含量增加，钢的强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度下降，同时恶化钢的可焊性和抗腐蚀性。硫和磷是钢中的有害成分，它们降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。在高温时，硫使钢变脆，称之热脆；在低温时，磷使钢变脆，称之冷脆。2）冶金缺陷常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等。3）钢材硬化冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化（或应变硬化）。在一般钢结构中，不利用硬化所提高的强度，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。另外，应将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。4）温度影响钢材性能随温度变动而有所变化。总的趋势是温度升高，钢材强度降低，应变增大；反之，温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性却会降低而变脆。在250℃左右，钢材的强度略有提高，同时塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈现蓝色，称为蓝脆现象。钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加工。当温度在260℃～320℃时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形，此种现象称为徐变现象。当温度从常温开始下降，特别是在负温度范围内时，钢材强度虽有提高，但其塑性和韧性降低，材料逐渐变脆，这种性质称为低温冷脆。5）应力集中构件中有时存在着孔洞、槽口、凹角、截面突然改变以及钢材内部缺陷等。此时，构件中的应力分布将不再保持均匀，而是在某些区域产生局部高峰应力，在另外一些区域则应力降低，形成应力集中现象。承受静力荷载作用的构件在常温下工作时，在计算中可不考虑应力集中的影响。但在负温或动力荷载作用下工作的结构，应力集中的不利影响将十分突出，往往是引起脆性破坏的根源，故在设计中应采取措施避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。6）反复荷载作用在直接的连续反复的动力荷载作用下，钢材的强度将降低，低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度，这种现象称为钢材的疲劳。疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。材料总是有“缺陷”的，在反复荷载作用下，先在其缺陷发生塑性变形和硬化而生成一些极小的裂痕，此后这种微观裂痕逐渐发展成宏观裂纹，试件截面削弱，而在裂纹根部出现应力集中现象，使材料处于三向拉伸应力状态，塑性变形受到限制，当反复荷载达到一定的循环次数时，材料终于破坏，并表现为突然的脆性断裂。钢材的破坏形式1）塑性破坏：变形超过了材料或构件可能的应变能力而产生的，而且仅在构件的应力达到了钢材的抗拉强度fu后才发生。塑性破坏前，由于总有较大的塑性变形发生，且变形持续的时间较长，很容易及时发现而采取措施予以补救，不致引起严重后果。2）脆性破坏：破坏前塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算应力可能小于钢材的屈服点，断裂从应力集中处开始。由于脆性破坏前没有明显的预兆，无法及时觉察和采取补救措施。如何作好钢结构施工的质量控制1.钢材的选择选择钢材时考虑的因素有：1）结构的重要性：重要结构应考虑选用质量好的钢材；一般工业与民用建筑结构，可选用普通质量的钢材。2）荷载情况：直接承受动力荷载的结构和强烈地震区的结构，应选用综合性能好的钢材；一般承受静力荷载的结构则可选用价格较低的Q235钢。3）连接方法：焊接结构对材质的要求应严格一些。4）结构所处的温度和环境：在低温条件下工作的结构，尤其是焊接结构，应选用具有良好抗低温脆断性能的镇静钢。5）钢材厚度：厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。2.做好工程开工前准备工作1）强化施工图纸的会审工作。图纸是工程施工的依据，工程开工前项目控制机构要组织控制人员熟悉工程图纸与项目有关的规范标准、工艺技术条件，充分领会设计意图。2）认真审查钢结构安装施工组织设计。施工组织设计是施工单位全面指导工程实施的技术性文件，施工组织设计的完善程度直接影响工程的质量、进度。因此，钢结构安装工程施工组织设计审查要针对性和重点。3.加强现场施工过程中的质量控制1）作好钢结构基础工程的质量控制。钢结构工程的基础一般都采用混凝土独立柱基础，基础的混凝土及钢筋、模板的施工与其他工程的施工工序及方法相同，而基础独立柱中预埋的螺栓是质量控制的重点，单个螺栓及每组螺栓之间的间距、高低的偏差，直接影响钢结构工程的安装质量，我们在控制质量控制过程中，要求施工单位必须严格控制好。2）门窗工程安装质量的控制。钢窗安装质量的控制重点有两点，一是，钢窗进场合格证、产品试验报告及外观的检查。二是，钢窗和固定钢窗的立柱之间的间隙控制。先施工固定钢窗的立柱，有可能出现钢窗与立柱之间缝隙过大或钢窗安不上。我们在控制过程中，要求施工单位先固定钢窗一边的立柱，待钢窗完全固定就位后，再焊接另一边的立柱，这样保证钢窗与立柱之间无缝隙。随着中国经济建设的发展，钢材产量和品种的发展，大力发展钢结构已经成为中国工程建设中一项重大的技术政策。钢结构的应用推广范围将越来越大，除中国的重要工业、基础设施、以及大城市和经济发达的地区外，民用建筑包括城市旧建筑物的改、扩建，广大的农村建筑市场具有更广泛的潜力。