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鋼結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用
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鋼結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用【1】
摘要：土木工程是隨著社會(huì)的發(fā)展而產(chǎn)生的，是社會(huì)文明的標(biāo)志。
隨著當(dāng)前社會(huì)的不斷發(fā)展和變化，土木工程也的到了飛速的發(fā)展模式，題目工程作為建筑工程中不可缺少的模式，其施工技術(shù)和管理措施也在不斷的完善與變化。
土木工程結(jié)構(gòu)常用到兩種材料，即鋼筋混凝土以及結(jié)構(gòu)鋼，在當(dāng)前土木工程施工中，鋼結(jié)構(gòu)混凝土是其應(yīng)用的主要措施和施工方法，其在施工的過程中是利用相應(yīng)的技術(shù)手段進(jìn)行分析和控制的過程個(gè)，是提高土木工程施工效率，滿足當(dāng)前人們需要的關(guān)鍵前提。
本文就鋼結(jié)構(gòu)在土木工程中的特點(diǎn)進(jìn)行分析，并簡單闡述鋼結(jié)構(gòu)的施工要點(diǎn)和施工難點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);土木工程
1、土木工程中鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
土木工程是為了使用當(dāng)前各種工程建設(shè)的發(fā)展而出現(xiàn)的施工手段和施工形式。
在當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的過程中，各種大規(guī)模，高層建筑工程不斷地涌現(xiàn)而出，在科學(xué)技術(shù)發(fā)展和完善的過程中，其施工手段和施工要求也在不斷地額提高。
高精密的設(shè)備不斷的應(yīng)用使得當(dāng)前建筑工程施工中不僅僅要求其施工效率的提高，更是要求其使用手段和施工質(zhì)量的提高方法。
鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用為土木工程的施工增加了發(fā)展的手段和研究的方向，是提高其施工質(zhì)量和施工效率的關(guān)鍵手段和前提基礎(chǔ)。
1.1 強(qiáng)度
高強(qiáng)輕質(zhì)材料的出現(xiàn)于應(yīng)用是當(dāng)前土工結(jié)構(gòu)發(fā)展的前提和關(guān)鍵。
隨著當(dāng)前建筑工程中，各種結(jié)構(gòu)承受能力和容納作用的不斷發(fā)展和應(yīng)用，可以利用有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)來確定結(jié)構(gòu)鋼的構(gòu)件性能也在不斷的提高和變換。
近幾年來，建筑用鋼發(fā)生了很大的變化，使得土木結(jié)構(gòu)在施工的過程中，是利用相應(yīng)的技術(shù)手段進(jìn)行分析和管理，提高其鋼結(jié)構(gòu)的選材和強(qiáng)度的因素是土木工程施工的關(guān)鍵。
對提高鋼材和混凝土的強(qiáng)度和耐久性，雖已取得顯著成果，仍繼續(xù)進(jìn)展。
那么對鋼種類型和強(qiáng)度級(jí)別的選擇就非常重要。
從整體來說，采用鋼結(jié)構(gòu)可以減少物料消耗、減輕結(jié)構(gòu)自重、降低支撐部件與地基的尺寸，最終降低整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)成本。
1.2 剛度振動(dòng)、變形等適用性參數(shù)由構(gòu)件的剛度來決定，進(jìn)而由結(jié)構(gòu)體系的剛度來決定。
結(jié)構(gòu)體系的實(shí)際剛度又由其構(gòu)件和連接件的分布來決定。
不過簡單說來，構(gòu)件的剛度由材料的幾何截面特性以及材料的彈性模量來決定，結(jié)構(gòu)鋼的彈性模量通常為200GPa。
而普通密度抗壓強(qiáng)度在20-40Gpa范圍內(nèi)的混凝土其彈性模量通常在20-28GPa范圍內(nèi);即使對于高強(qiáng)度混凝土來說，其彈性模量也不過在40-45GPa之間，由此可見，鋼結(jié)構(gòu)的鋼性是混凝土的十倍及五倍左右，所以鋼結(jié)構(gòu)的剛性有著顯著的優(yōu)勢。
1.3 延性延性指的是某種材料拉伸的過程中無斷裂的塑性變形能力。
一般情況下延性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，特別是抗震設(shè)計(jì)中比較重要的特性參數(shù)，地震中幸存的建筑物直接依賴于主要結(jié)構(gòu)框架經(jīng)歷大的非彈性變形時(shí)的滯后耗能性。
鋼結(jié)構(gòu)可以說是目前使用最廣泛的、韌性最好的工程材料之一。
1.4 韌性衡量材料斷裂前吸收能量以及塑性變形的能力的指標(biāo)就是韌性。
它可以抵抗缺口部位的不穩(wěn)定裂紋的擴(kuò)展。
韌性通常表示鋼結(jié)構(gòu)在制造、安裝以及使用過程中可以承受比較大的工業(yè)變形，是鋼結(jié)構(gòu)一個(gè)很重要的特點(diǎn)。
正是因?yàn)殇摌?gòu)件的韌性才使其在彎曲、剪切、沖孔、鍛造、鉆孔等制作過程中降低了產(chǎn)生裂紋的可能性。
鋼結(jié)構(gòu)足夠的斷裂韌性是必須具備的，特別對受到交變荷載以及沖擊荷載的建筑結(jié)構(gòu)來說更要具備此特性。
鋼結(jié)構(gòu)的斷裂韌性對于溫度條件很敏感，并且隨著溫度的減小而降低。
所以在天氣寒冷的地區(qū)設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)，首先要考慮韌性。
相對來說，低碳鈮鋼比高碳鋼成分鋼更能改善韌性。
1.5 整體由上可知，無論是從剛度、強(qiáng)度還是在延性方面，鋼結(jié)構(gòu)都要優(yōu)于鋼筋混凝土，并且鋼結(jié)構(gòu)可以比較容易建構(gòu)出有異國風(fēng)情的建筑形式，通常鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以提供最佳的設(shè)計(jì)靈活性以及最大的空間利用率。
2 、鋼結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)
當(dāng)然，每種材料都不是完美的，所以鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和施工也存在著一定的缺點(diǎn)，其主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方而：
2.1 材料缺點(diǎn)盡管鋼結(jié)構(gòu)的剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土，但是對于一個(gè)給定的負(fù)載，鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面剛度則要小于與其對比的混凝土結(jié)構(gòu)，這主要是因?yàn)殇摰膹?qiáng)度優(yōu)勢導(dǎo)致其構(gòu)件的尺寸相對較小。
因此要提高這些構(gòu)件的穩(wěn)定性，就要增加型鋼的尺寸或者采取填充混凝土以及外包混凝土的措施，以提高截面的剛度。
并且鋼材的耐火性和耐腐蝕性都相對有欠缺。
鋼材長期受到100度的輻射熱時(shí)強(qiáng)度的變化不大，表現(xiàn)出一定的耐熱性能，但當(dāng)溫度達(dá)到150度時(shí)，就要采用隔熱層進(jìn)行保護(hù)，并且重要部位的鋼結(jié)構(gòu)一定要涂刷防火涂料。
2.2 市場環(huán)境
2.2.1 設(shè)計(jì)力量較薄弱在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)要注意結(jié)構(gòu)的功能要求是不是屬于鋼結(jié)構(gòu)合理的應(yīng)用范圍。
通常在設(shè)計(jì)較高承載力需要使用鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，要考慮用不適合繼續(xù)承載的巨大變形為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)為準(zhǔn)則。
鋼結(jié)構(gòu)有很多節(jié)點(diǎn)，要對每個(gè)螺絲、墊板以及焊縫進(jìn)行精確的計(jì)算，而且每個(gè)專業(yè)要一次性到位，所以鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要比混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更復(fù)雜，并且圖紙也遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于混凝土結(jié)構(gòu)。
2.2.2 鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)未形成體系只有在大規(guī)模生產(chǎn)的情況下才可以體現(xiàn)出鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。
并且目前鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)以及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)都沒有統(tǒng)一，國家標(biāo)準(zhǔn)以及監(jiān)管機(jī)制方面也都有一定的欠缺，因此很多設(shè)計(jì)師以及開發(fā)商都相對比較茫然。
3、鋼結(jié)構(gòu)施工安裝要點(diǎn)
整體來說鋼結(jié)構(gòu)的施工流程比較復(fù)雜，并且建筑的要求不同，在細(xì)節(jié)上也有很大的差異性。
此處列舉三點(diǎn)進(jìn)行簡單說明。
3.1 選材與連接鋼材通常分為板材、型材、金屬制品以及管材四大類。
土木工程中的建筑鋼材通常采用普通的低合金鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼以及普通碳素鋼等，碳鋼的塑性比較低，但是硬度強(qiáng)度比較高。
3.2 鋼構(gòu)件的堆放以及選擇安裝機(jī)械地點(diǎn)通常情況下安裝結(jié)構(gòu)的用地面積應(yīng)為結(jié)構(gòu)占地面積的1.5倍。
依照安裝流水的順序，從中轉(zhuǎn)堆場配套運(yùn)送至現(xiàn)場的鋼構(gòu)件要采用裝卸機(jī)械把其安置于安裝機(jī)械的回轉(zhuǎn)半徑內(nèi)。
如果因?yàn)檫\(yùn)輸?shù)脑蛟斐闪藰?gòu)件的變形，則在施工現(xiàn)場就要加以矯正。
一般鋼結(jié)構(gòu)的安裝采用的是塔式起重機(jī)，臂桿長度要有夠的覆蓋面，并且起重能力要相應(yīng)足夠，從而滿足各種不同部位構(gòu)件的起吊要求。
鋼絲繩容量也要能滿足起吊的高度要求;起吊速度有足夠的檔次可以滿足安裝要求。
在多機(jī)作業(yè)的情況下，臂桿的高差要足夠，以避免不安全的碰撞，保證安全運(yùn)轉(zhuǎn)。
各個(gè)塔式起重機(jī)之間要有相應(yīng)的安全距離，以保證臂桿與塔身不相碰撞。
鋼結(jié)構(gòu)比較適用于規(guī)整、勻稱以及較平的建筑平面，所以安裝流水線的布置要因地制宜。
4、結(jié)束語
土木工程是人類智慧的結(jié)晶，是人類發(fā)展的過程中，隨著各種技術(shù)手段和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步不斷進(jìn)行改革與完善的結(jié)果。
隨著當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展道路提出，各種材料在土木工程中的不斷應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)作為先進(jìn)材料的應(yīng)用，是當(dāng)前社會(huì)發(fā)展中不可避免的因素，是提高其發(fā)展的前提和關(guān)鍵手段。
鋼結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用【2】
【摘 要】土木工程結(jié)構(gòu)常用到兩種材料，即鋼筋混凝土以及結(jié)構(gòu)鋼，對于土木工程來說，不僅要從結(jié)構(gòu)特性的角度考慮，還要考慮施工的成本有效性以及施工有效性。
本文就分析了鋼結(jié)構(gòu)在土木工程中的特點(diǎn)，并簡單闡述鋼結(jié)構(gòu)的施工要點(diǎn)。
【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu);土木工程
1.土木工程中鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)
1.1 強(qiáng)度
一般來說，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受或者容納作用效應(yīng)的能力是由材料的強(qiáng)度來決定的。
可以利用有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)來確定結(jié)構(gòu)鋼的構(gòu)件性能，這些標(biāo)準(zhǔn)中列出了鋼結(jié)構(gòu)可使用的材料，比如建筑結(jié)構(gòu)鋼要滿足CSA標(biāo)準(zhǔn)ASTM standardA992/A992M或者CAN/CSA G40.20/C40.21等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
近幾年來，建筑用鋼發(fā)生了很大的變化，過去的建筑結(jié)構(gòu)所用的抗拉強(qiáng)度以及屈服強(qiáng)度相關(guān)數(shù)據(jù)均摘自于CISC(2006)歷史記錄，而目前加拿大對于工程結(jié)構(gòu)鋼以及普通建筑結(jié)構(gòu)鋼的標(biāo)準(zhǔn)定出7個(gè)鋼種和8個(gè)強(qiáng)度級(jí)別。
根據(jù)屈服強(qiáng)度其范圍為260～700Mpa。
不過并不是全部的鋼種都有所有的強(qiáng)度級(jí)別，因此如果是一個(gè)特定的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，那么對鋼種類型和強(qiáng)度級(jí)別的選擇就非常重要。
從整體來說，采用鋼結(jié)構(gòu)可以減少物料消耗、減輕結(jié)構(gòu)自重、降低支撐部件與地基的尺寸，最終降低整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)成本。
1.2 剛度
振動(dòng)、變形等適用性參數(shù)由構(gòu)件的剛度來決定，進(jìn)而由結(jié)構(gòu)體系的剛度來決定。
結(jié)構(gòu)體系的實(shí)際剛度又由其構(gòu)件和連接件的分布來決定。
不過簡單說來，構(gòu)件的剛度由材料的幾何截面特性以及材料的彈性模量來決定，結(jié)構(gòu)鋼的彈性模量通常為200GPa。
而普通密度抗壓強(qiáng)度在20-40Gpa范圍內(nèi)的混凝土其彈性模量通常在20-28GPa范圍內(nèi);即使對于高強(qiáng)度混凝土來說，其彈性模量也不過在40-45GPa之間，由此可見，鋼結(jié)構(gòu)的鋼性是混凝土的十倍及五倍左右，所以鋼結(jié)構(gòu)的剛性有著顯著的優(yōu)勢。
1.3延性
延性指的是某種材料拉伸的過程中無斷裂的塑性變形能力。
一般情況下延性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，特別是抗震設(shè)計(jì)中比較重要的特性參數(shù)，地震中幸存的建筑物直接依賴于主要結(jié)構(gòu)框架經(jīng)歷大的非彈性變形時(shí)的滯后耗能性。
鋼結(jié)構(gòu)可以說是目前使用最廣泛的、韌性最好的工程材料之一。
不過材料內(nèi)在的延性并不一定都會(huì)轉(zhuǎn)化為建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)在延性，因此要充分認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)策略和可靠、穩(wěn)定的滯消機(jī)制。
通常一個(gè)設(shè)計(jì)具有延性響應(yīng)就要有足夠的材料截面、材料延性以及結(jié)構(gòu)延性和構(gòu)件延性。
延性值的能力和需求要與變延性水平、曲率延性(構(gòu)件延性)以及位移延性(結(jié)構(gòu)延性)所匹配。
不過雖然鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)變延性比較高，但是因?yàn)槭軓潣?gòu)件的受力不穩(wěn)定，所以構(gòu)件的曲率延性經(jīng)常不足。
1.4 韌性
衡量材料斷裂前吸收能量以及塑性變形的能力的指標(biāo)就是韌性。
它可以抵抗缺口部位的不穩(wěn)定裂紋的擴(kuò)展。
韌性通常表示鋼結(jié)構(gòu)在制造、安裝以及使用過程中可以承受比較大的工業(yè)變形，是鋼結(jié)構(gòu)一個(gè)很重要的特點(diǎn)。
正是因?yàn)殇摌?gòu)件的韌性才使其在彎曲、剪切、沖孔、鍛造、鉆孔等制作過程中降低了產(chǎn)生裂紋的可能性。
鋼結(jié)構(gòu)足夠的斷裂韌性是必須具備的，特別對受到交變荷載以及沖擊荷載的建筑結(jié)構(gòu)來說更要具備此特性。
鋼結(jié)構(gòu)的斷裂韌性對于溫度條件很敏感，并且隨著溫度的減小而降低。
所以在天氣寒冷的地區(qū)設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)，首先要考慮韌性。
相對來說，低碳鈮鋼比高碳鋼成分鋼更能改善韌性。
1.5 整體
由上可知，無論是從剛度、強(qiáng)度還是在延性方面，鋼結(jié)構(gòu)都要優(yōu)于鋼筋混凝土，并且鋼結(jié)構(gòu)可以比較容易建構(gòu)出有異國風(fēng)情的建筑形式，通常鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以提供最佳的設(shè)計(jì)靈活性以及最大的空間利用率。
鋼結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是：它還是一個(gè)理想的懸臂施工體系。
適當(dāng)?shù)膽?yīng)用空腹鋼鐵托架以及構(gòu)件腹板開孔，可以為管道以及其它供電線路提供通道，不僅降低了樓層的高度，而且增加了審美吸引力。
鋼架像在鋼結(jié)構(gòu)中一樣，被用來擴(kuò)展現(xiàn)有的混凝土建筑結(jié)構(gòu)或者增加樓層。
在進(jìn)行施工時(shí)，裝配鋼結(jié)構(gòu)的施工人員要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于混凝土建筑結(jié)構(gòu)所需要的人數(shù);與混凝土建筑相比，鋼結(jié)構(gòu)的安裝以及制作質(zhì)量都要更加的可靠和簡便。
并且在修改時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)比混凝土結(jié)構(gòu)更加容易，成本更低，特別是要附加支撐系統(tǒng)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)可以更加快施工進(jìn)度。
2.鋼結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)
當(dāng)然，每種材料都不是完美的，所以鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和施工也存在著一定的缺點(diǎn)，其主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方而：
2.1 材料缺點(diǎn)
盡管鋼結(jié)構(gòu)的剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土，但是對于一個(gè)給定的負(fù)載，鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面剛度則要小于與其對比的混凝土結(jié)構(gòu)，這主要是因?yàn)殇摰膹?qiáng)度優(yōu)勢導(dǎo)致其構(gòu)件的尺寸相對較小。
因此要提高這些構(gòu)件的穩(wěn)定性，就要增加型鋼的尺寸或者采取填充混凝土以及外包混凝土的措施，以提高截面的剛度。
并且鋼材的耐火性和耐腐蝕性都相對有欠缺。
鋼材長期受到100度的輻射熱時(shí)強(qiáng)度的變化不大，表現(xiàn)出一定的耐熱性能，但當(dāng)溫度達(dá)到150度時(shí)，就要采用隔熱層進(jìn)行保護(hù)，并且重要部位的鋼結(jié)構(gòu)一定要涂刷防火涂料。
2.2 市場環(huán)境
2.2.1 設(shè)計(jì)力量較薄弱 在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)要注意結(jié)構(gòu)的功能要求是不是屬于鋼結(jié)構(gòu)合理的應(yīng)用范圍。
通常在設(shè)計(jì)較高承載力需要使用鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，要考慮用不適合繼續(xù)承載的巨大變形為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)為準(zhǔn)則。
鋼結(jié)構(gòu)有很多節(jié)點(diǎn)，要對每個(gè)螺絲、墊板以及焊縫進(jìn)行精確的計(jì)算，而且每個(gè)專業(yè)要一次性到位，所以鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要比混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更復(fù)雜，并且圖紙也遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于混凝土結(jié)構(gòu)。
2.2.2 鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)未形成體系 只有在大規(guī)模生產(chǎn)的情況下才可以體現(xiàn)出鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。
并且目前鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、價(jià)格標(biāo)準(zhǔn)以及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)都沒有統(tǒng)一，國家標(biāo)準(zhǔn)以及監(jiān)管機(jī)制方面也都有一定的欠缺，因此很多設(shè)計(jì)師以及開發(fā)商都相對比較茫然。
2.2.3 價(jià)格問題 由于鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)未形成體系，因此鋼結(jié)構(gòu)的價(jià)格比較高。
雖然鋼產(chǎn)量近年有大幅度的提高，但是人均產(chǎn)量仍然相對較低，鋼材仍是我國國民經(jīng)濟(jì)中比較貴重的材料，而混凝土的價(jià)格優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。
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