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    鋼結構知識

    鋼結構建筑的推廣與應用綜述

    時間:2020-04-27 來源:

    鋼結構具有力學性能好、工業化程度高、材料環保等優勢。這些優勢在高層建筑、大型空間設施、商業設施、工廠和倉庫、成套設備結構等建造方面尤為突出。盡管鋼結構和混凝土結構間的差價約為工程總投資的5%~10%,但鋼結構具有更好的綜合經濟效益和社會效益。當前,鋼結構在建筑領域的應用和發展進入了黃金時期。由于我國裝配式鋼結構政策的有力推動,建筑市場產業化改革的現實需要以及解決鋼材產能過剩問題的直接動力,鋼結構建筑在我國的發展空間也越來越廣闊。


    本文通過總結近年來我國鋼結構建筑的發展現狀,分析鋼結構建筑的優勢和特點,以及適合應用鋼結構的建筑領域,并介紹作者在鋼結構推廣與應用方面做出的工作,以期對未來鋼結構建筑的發展提供有效的建議。


    內 容


    Contents

    1 鋼結構發展現狀

    1.1 政策支持

    近年來,國家和地方政府相繼出臺了關于裝配式鋼結構建筑的相關政策,包括黨的十九大報告、國務院關于裝配式建筑、綠色建筑的頂層設計文件,以及發展裝配式鋼結構建筑的行業內指導性意見。規定了必須采用鋼結構的建筑類別,以及可以進行政策補貼的建筑形式。意在推進裝配式建筑的發展,實現建筑工業化生產,促進建筑行業的可持續健康發展。裝配式鋼結構建筑作為裝配式建筑的重要體系,將迎來新的發展機遇和挑戰。

    1.2 建筑行業市場與鋼鐵消費

    當前,我國建設投資比重不斷提高。2016年全國建筑安裝類投資占固定資產總投資的69.8%,是我國社會固定投資的主要部分。


    與發達國家相比,我國的鋼結構在建筑行業的應用比例較低,如圖1所示。民用建筑結構體系中,鋼結構僅占5%,而發達國家已有20%~35%。此外,鋼結構在學校、醫院、住宅等建筑中的利用率很低。因此,鋼結構在我國有很大的發展空間。


    我國建筑業對鋼鐵的需求最大。如圖2所示,2016年全國建筑鋼結構用鋼量占鋼產量的5.5%,鋼結構制造量逐年遞增,呈指數增長形式,而鋼材產量增長從2013年開始放緩,這是因為我國鋼材產能過剩所致。因此,發展鋼結構對解決我國鋼鐵產能過剩問題具有重要意義,可以促進鋼鐵生產的發展,提高國民經濟的增長。

     各國家鋼結構占比情況


     我鋼材產量和鋼結構制造量

    2  鋼結構特點

    2.1  結構性能

    鋼材的比強度大于混凝土材料,且鋼結構比鋼筋混凝土結構輕30%~50%,有助于降低建筑的建造成本。此外,經自重的減少,結構的設計內力在地震中明顯降低。


    與其他建筑材料相比,鋼材具有更好的塑性和韌性,不會因為結構的過載而突然斷裂,而且對動態載荷的調節能力也很強。鋼材良好的耗能能力和延性,使鋼結構在抗震和抗風條件下表現良好。在大變形時,結構不易倒塌,提高了安全性。鋼結構適合用于受大振動和沖擊載荷的構件和結構,可作防災和儲備基地。此外,鋼管混凝土柱和抗震鋼的使用可以減少建筑物的晃動,提高建筑物的舒適度。


    火災是鋼結構的主要威脅。對此,鋼結構必須采取防火措施。其中鋼構件可以采用外包裹混凝土(或砌體磚法)、刷防火涂料、附防火覆板等方法進行防火。具備耐火或防火能力的鋼結構可視為耐火建筑。


    2.2  建筑需求

    鋼結構承載能力高,可增加建筑空間的有效利用,打造隨意空間,還可以在結構內部采用靈活隔斷,可以實現房間的自由布局。如圖3a所示,在相同的跨度下,鋼結構的構件截面可以縮小。如圖3b所示,在構件截面相同的情況下,鋼結構的跨度比混凝土結構大。


    由于鋼材良好的加工性能,可以實現富有魅力的建筑設計??沙浞掷貌牧系母邚姸?,實現對細長構件的自由加工和曲線的自由伸展。此外,隨著外部裝飾行業的技術發展,鋼材可以與木材、玻璃、金屬、石材等其他材料相結合,在建筑的室內外裝飾設計上進行創新。


     鋼結構與RC結構的對比

    2.3  生產施工

    鋼結構作為一種高度工業化的工程結構,工業化不僅反映在結構本身,而且涵蓋了一套完整的墻體,屋架,裝飾,廚電、水和天然氣等集成設施??杉瘶怯钭詣涌刂?、雨水收集、太陽能、地熱能和智能技術于一體。鋼結構容易實現設計的標準化、構配件生產的工廠化、現場施工的裝配化、完整建筑產品供應的社會化。鋼結構建筑的發展是實現建筑業產業化的良好途徑。

    2.4  綠色環保

    鋼結構作為一種綠色環保材料,具有以下優點:1)可以分解、重組、再利用,節約自然資源;2)提高耐久性,減輕環境負擔;3)不含建筑垃圾,可循環利用,使用可持續的材料。鋼結構建筑的發展符合綠色發展理念。

    3 鋼結構在建筑行業中的優勢

    應用領域廣泛  如圖4所示,高層建筑、大空間設施、商業設施、工廠與倉庫、成套設備結構物等建筑領域適用于發揮鋼結構的優勢。實現了大空間、自由布局的要求,且良好的抗震和抗風性能提高了建筑安全性和舒適性。


    經濟效益好  通過對兩個住宅項目不同結構體系的比較,反映了鋼結構建筑在成本控制方面的成果和鋼結構的綜合優勢,如表1所示??傮w而言,與混凝土結構相比,鋼結構造價相對較高,二者間的總的差價約為工程總投資的 5%~10%,但鋼結構施工周期更短,能夠較大地節約財務資本。因此,鋼結構建筑具有更好的綜合經濟效益和社會效益。


    鋼結構建筑類型

    表1 8度區兩個工程項目造價對比


    4 鋼結構推廣

    作者及其團隊所在的中國建筑標準設計研究院在鋼結構推廣方面開展了廣泛的工作,包括鋼結構相關標準的編制與修訂、鋼結構體系的研究與開發、代表性工程設計與咨詢等。

    4.1 標準的編制與修訂

    標準的編制和修訂是鋼結構推廣過程中的一個重要環節。作者主持或修訂的《鋼結構設計標準》《高層民用建筑鋼結構技術規程》《建筑抗震設計規范》《裝配式鋼結構住宅建筑技術標準》《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》等規范對鋼結構的承載力設計、抗震設計、鋼結構設計等要求進行了系統規定,對結構設計進行了標準化指導。

    4.2 施工實例

    以國家體育場大跨度鋼結構和大連鞍山鋼鐵金融中心高層鋼結構為例,介紹了作者在鋼結構建筑設計咨詢方面的工作。

    國家體育場  總建筑面積25.8萬平方米,建筑高度68.5米。大跨度屋頂由24根桁架柱支撐。主體結構與箱梁交錯,與屋頂、立面形成“鳥巢”的特殊建筑形態。國家體育場跨度大,外形獨特,構件尺寸大,空間扭轉構件數量多。因此,在鋼結構設計中采用了許多新材料、新技術和新工藝,設計和研究成果達到了國際先進水平。


    國家體育場的鋼材完全是國產的。主體結構的厚鋼板以Q345GJ鋼為主。與Q345鋼相比,Q345GJ鋼的磷、硫含量明顯降低,可滿足《建筑抗震設計規范》對鋼的屈服比、伸長率和冷彎性能的要求,具有良好的力學性能和焊接性能。此外,在桁架柱上應力最大的位置使用高強度Q460鋼,最大厚度達到110mm[16]。這是目前國內建筑工程中使用的強度等級最高的鋼板,其性能要求遠遠高于目前國內外的技術標準。


    在結構設計的研究成果:豐富了現有的鋼結構設計方法,包括風振系數和方管桁架組件,結構整體穩定性,焊接薄壁箱形構件設計,畸變構件設計,箱形截面桁架節點設計、特殊立柱基礎設計,大跨度溫度場計算,火災風險分析和施工過程仿真分析,以及結構地震分析計算方法[17]。


    開發了基于ANSYS的鋼結構優化設計功能模塊。根據空間結構的特點,將大跨結構設計規范引入ANSYS軟件,實現了大跨結構計算分析與設計技術的集成,填補了國內空白。編制了將地震波轉換成反應譜和合成地震波的程序,實現了大跨度鋼結構地震設計的振型分解反應譜分析和彈塑性時程分析。


    大連鞍山鋼鐵金融中心  由一座51層超高層塔樓和一座5層裙樓組成??偨ㄖ娣e13.3萬平方米。該塔是由鋼筋混凝土核心筒和外部支撐框架組成的框架-核心筒混合結構。大型支撐框架由矩形鋼管混凝土柱框架和鋼支撐組成。核心筒各墻肢厚度由一層的900/600/300mm逐漸減少到頂層的500/300/250mm,混凝土強度等級由C60降低到C40。外框37層以下為矩形鋼管混凝土柱,上部為矩形鋼管柱。此項目建筑高度超過了設計規范限制,通過對外部框架和重要的墻肢進行調整,加強薄弱部位,保證結構的安全可靠[19]。

    結束語


    Summary

    政策扶持、產業化需求,以及鋼材產量的增加極大地推動了鋼結構建筑的發展。鋼結構具有結構性能優越、滿足建筑需求、工業化程度高、材料綠色環保等一系列優點,應當重點在能夠發揮鋼結構優勢的領域應用鋼結構建筑;鋼結構和混凝土結構相比,鋼結構具有更好的綜合經濟效益和社會效益;鋼結構相關標準的編制和修訂對結構設計進行了標準化指導,為鋼結構的推廣做出了重要的貢獻。

    全文獲取鏈接

    1.https://navi.cnki.net/knavi/JournalDetail?pcode=CJFD&pykm=GJIG   

    2.http://cstm.cnki.net/stmt/TitleBrowse/Detail?pykm=GJIG&dbcode=STMJ   

    3.http://gjg.ic-mag.com/CN/abstract/abstract19643.shtml    

    中國建筑標準設計研究院有限公司副院長、總工程師,教授級高級工程師,國家一級注冊結構工程師,享受政府特殊津貼專家,西安建筑科技大學碩士生導師,全國超限高層建筑工程抗震設防審查專家委員會委員,中國建筑學會資深會員,中國鋼結構協會副會長,中國鋼結構協會鋼結構設計分會副理事長,中國建筑學會建筑結構分會理事等。


    主持設計的“數字北京大廈”獲2008年度全國優秀工程勘察設計銀質獎。擔任國內外多個重大工程項目的結構負責人,如國家體育場(鳥巢)、中關村金融中心、天津新華世紀金融中心、鞍山市體育中心、阿爾及利亞奧蘭體育場等。

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