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【体系介绍】钢结构建筑


  随着我国建筑业和钢材的发展,钢结构建筑日益增多。钢结构体系因其本身所具有的自重轻、强度高、施工快等优点,与钢筋混凝土结构相比,更具有在”高、大、轻”三个方面发展的独特优势。因此在高层建筑、大型工厂、大跨度空间结构、交通能源工程、住宅建筑中更能发挥钢结构的自身优势。

  随着国家经济的快速发展,“节能环保”不断出现在各大会议中,被誉为“绿色建筑”的钢结构建筑的快速发展,钢结构的应用与良好发展已成国际上的大势所趋。

  世界上成熟运用钢结构建筑的历史也是十分悠久,建造完成于1889年的法国巴黎埃菲尔铁塔就是比较早的大型钢结构建筑,由此也带来了钢结构建筑发展的热潮。

  我国发展钢结构建筑的时间相对较晚,直到上个世纪80年代,随着钢铁产能的飞速增长,一大批高层钢结构建筑被设计建造出来,相关的行业标准也得到制定和不断完善。


 80年代的高层钢结构建筑:


上世纪八十年代的高层钢结构

 步入21世纪后,我国大型钢结构建筑更是不断涌出,比较有代表性有:08年北京奥运会鸟巢体育场、新中央电视台"大裤衩"、北京新国展以及最近闻名于世的北京大兴国际机场等等。


  什么是钢结构建筑? 

  用型钢或钢板制成基本构件,根据使用要求,通过焊接或螺栓连接等方法,按照一定规律组成的承载机构叫钢结构。钢结构在各项工程建设中的应用极为广泛,如钢桥、钢厂房、钢闸门、各种大型管道容器、高层建筑等。

  钢结构建筑根据结构受力特点大致可分为门式刚架结构、空间桁(héng)架结构、张弦梁结构、弦支穹顶结构、网架结构和多高层结构。

  1.门式刚架结构:

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    在单层和多层房屋和一般构筑物中,以热轧型钢、焊接型钢、冷弯薄壁型钢、压型钢板和薄壁钢管等作为主要受力构件组成的,并采用轻型屋面和墙面的钢结构。门式刚架是轻钢结构中最常见一种结构形式。

    门式刚架的主结构构件主要是H型钢,可根据受力部位设计为变截面,若受力较大还可采用格构式柱或屋面桁架等组合构件;

    门式刚架一般高度较小,构件较轻,现场都是采用螺栓连接,因此该类工程安装都相对较简单;

  2.空间桁(héng)架结构

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    空间桁(héng)架是由钢管组成,截面承载能力强,跨度大,截面可弯曲为曲线造型,外型优美,内部空间简洁,常用于公共建筑;

    空间桁架跨度大,构件重,用作公共建筑如机场、会展一般都是在楼面上施工,大型机械不能进入,其它类型空间结构施工基本上都会受场地条件限制,因此施工较复杂,现场吊装、焊接工作量大;


  3.张弦梁结构

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    张弦梁结构在近代是由日本大学M.Saitoh教授明确提出,是一种区别于传统结构的新型杂交屋盖体系。张弦梁结构是一种由刚性构件上弦、柔性拉索、中间连以撑杆形成的混合结构体系,其结构组成是一种新型自平衡体系,是一种大跨度预应力空间结构体系,也是混合结构体系发展中的一个比较成功的创造。张弦梁结构体系简单、受力明确、结构形式多样、充分发挥了刚柔两种材料的优势,并且制造、运输、施工简捷方便,因此具有良好的应用前景。

   

  4. 弦支穹顶结构

弦支穹顶

    弦支穹顶结构与张弦梁结构类似,都是利用索的张力产生一个对梁的支撑力以达到减小梁的受力的目的,但两者之间还是有显著的区别:张弦梁索是直线张拉,弦支穹顶索是环形张拉;

    弦支穹顶索环形张拉因此这种结构体系适合做类似圆形的屋盖,如北京自行车馆、安徽大学体育馆等;

  5. 网架结构

    网架结构是一种较成熟的体系,它是由单根构件通过球体连接成为一个整片的结构,具有用钢量省、空间刚度大、整体性好、施工速度快的优点;但杆件过多显得委很零乱,不如桁架结构美观;

    网架是一种高次超静定结构,施工时杆件初始应力不好控制,所以会出现实际受力与计算不符情况,容易出现质量问题;

    网架按结构体系可分为平面桁架系和角锥体系。平面桁架系网架:两向正交正放网架、两向正交斜放网架;角锥体系网架:四角锥体网架、三角锥网架;

    网架的连接可采用螺栓球和焊接球连接,螺栓球一般适合较小跨度网架,焊接球适合大跨度网架;

  6. 多高层结构

新中央电视台

新中央电视台

    (1)框架结构

    由柱和梁组成框架,承受竖向力和侧向力

    刚框架抗侧力性能较差,结构侧向变形大,一般适合20层以下结构;

    柱子一般采用箱型钢柱或钢管混凝土柱;

    钢管混凝土柱是在圆管柱或箱型柱中灌入混凝土,既具有钢结构的优点,又充分利用了混凝土抗压好的特性。

    (2)框架支撑结构

    由柱和梁组成框架,在柱间设有支撑用于抵抗侧向力;  刚框架抗侧力性能较较好,结构侧向变形较大,一般适合40层以下结构;

    (3)框架剪力墙结构

    与框架支撑结构类似,只是支撑换成剪力墙用于抵抗侧向力;

    剪力墙一般为混凝土板或钢板,或钢混组合结构,比支撑具有更好的抗侧刚度,布置更灵活,可适合更高的建筑结构。

    (4) 框筒结构

    此种结构体系一般是由钢筋混凝土核心筒与外圈钢框架组合而成;

    核心筒主要是由四片以上的钢筋混凝土墙体围成的方形、矩形或多边形筒体,内部设置一定数量的纵、横向钢筋混凝土隔墙。当建筑很高时,核心筒墙体内可能设置一定数量的型钢骨架;

    外圈钢框架是由钢柱与钢梁刚接而成;

    建筑的侧向变形主要由核心筒来抵抗,这是高层中最常用的一种结构体系。


  其他知识: 

    1. 高层钢结构的抗侧力措施----伸臂桁(héng)架

伸臂桁架

    伸臂桁架是减小高层建筑侧向变形的一项重要措施;伸臂桁架一般设在设备层或避难层,宽度贯通房屋全宽、高度为一层或两层楼高,一般在整个楼层高度上设置三到四道;伸臂桁架的作用原理是当建筑侧向变形时外围钢柱的拉压轴向力对伸臂桁架施加一个反向的力矩,从而达到减小侧向变形的目的。

    2. 高层钢结构的抗侧力措施----大型支撑

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    框筒是用于高层的一种高效抗侧力构件,然而其框架所固有的剪力滞后效应,削弱了它的抗推刚度和抗倾覆能力;贯通房屋全宽的斜杆与柱组成大型支撑体系,使外框形成一个支撑筒体,具有很好的抗侧刚度。

    3. 楼承板

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    高层钢结构一般都使用楼承板以突出钢结构施工速度快的优势;

    使用楼承板不需要搭设脚手架支撑和模板,楼承板可作永久性模板,施工速度快,还可部分取代楼板配筋;  楼承板通常有开口型、闭口型、桁架式几种。

  

  钢结构建筑存在主要问题: 

    1.耐火性

    钢材虽为非燃烧材料,但不耐火,温度为400度时,钢材的屈服强度将降至室温的一半, 温度达到600度时,钢材基本丧失全部强度和刚度。当建筑采用无防火保护措施的钢结构时, 一旦发生火灾,结构很容易遭到破坏甚至倒塌,所以,钢结构一方面要进行结构的抗火设计, 另一方面要采用防火保护措施。一般不加保护的钢结构耐火极限仅为10-20min 。为提高钢结构的抗火性能,需采取防火措施,使钢构件达到规定的耐火极限要求。钢结构的防火保护措施有三种:一是紧贴包裹法。采用防火涂料,紧贴钢构件的外露表面,将钢构件包裹起来。防火涂料分为膨胀型和非膨胀型两大类,膨胀型防火涂料,耐火极限可达0.5-1.5h ,非膨胀型防火涂料,耐火极限可达0.5-3h 。二是空心包裹法。采用防火板或耐火砖,沿钢构件的外围边界,将钢构件包裹起来。三是实心包裹法。采用混凝土将钢构件浇注在其中。

    2. 防腐

    钢结构耐锈蚀性较差,产生锈蚀后,会使构件截面减少,降低承载能力, 影响结构的使用寿命, 特别 是对轻型钢结构影响更大。钢结构设计规范规定, 除有特殊需要外,设计中一般不应因考虑锈蚀而加大钢材截面或厚度。为此,需采取措施防止钢结构腐蚀。非金属涂层保护,是钢结构防腐最常用的一种方法。在钢材表面涂以非金属保护层,使钢材不受空气中有害介质的侵蚀。目前,我国涂料品种多,价格便宜,施工方便。钢结构除必须采取防锈措施外,尚应在构造上尽量避免出 现难于检查、清刷和油漆之处, 以及能积留湿气和大量灰尘的死角或凹槽。这些构造措施虽没有直接防锈的作用,但它可为减缓钢结构的锈蚀速度创造一个良好的环境,对钢结构的防锈起着积极的作用,在从事钢结构的设计时这些构造防腐措施不可忽视。


  未来发展 

    1.最新法律法规

    2016年2月,中共中央国务院《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》(中发〔2016〕6号)提出发展新型建造方式,指出大力推广装配式建筑,积极稳妥推广钢结构建筑。

    中华人民共和国住房和城乡建设部公告第1418号批准《装配式钢结构建筑技术标准》GB/T51232-2016,自2017年6月1日起实施。

    2.专业性的设计实验软件

    目前,我国钢结构设计常用软件有:PM系列钢结构CAD软件、钢结构设计与绘图软件、智能钢结构详图设计系统、三维钢结构设计与分析计算软件、多高层钢结构设计系统件系统等等。建筑工程BIM(Building Information Modeling)技术的大规模应用.完备的钢结构建筑设计软、硬件手段,必将进一步促进钢结构绿色建筑的蓬勃发展。


  国家建筑材料展贸中心经过多年的发展和摸索,推出了自己的装配式钢结构建筑体系,市场范围包括澳大利亚,新西兰,菲律宾等国家,坚持走自主研发生产新型钢结构房屋,满足不同国家不同气候和不同要求的装配式钢结构体系。

  目前已推广和出口海外市场:东南亚(菲律宾、柬埔寨等)、澳大利亚、新西兰等。 

  欢迎国内行业企业、材料供应企业咨询与交流。   

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