建筑鋼結(jié)構(gòu)

    建筑鋼結(jié)構(gòu)是指用鋼板和熱扎、冷彎或焊接型材（工字鋼、H型鋼、壓型鋼板等）通過連接件（螺栓、高強螺栓錐頭等）連接而成的能承受荷載、傳遞荷載的結(jié)構(gòu)體系。鋼結(jié)構(gòu)建筑是指用鋼結(jié)構(gòu)作為主要受力結(jié)構(gòu)，經(jīng)設(shè)計、施工、安裝而成的建筑。

    建筑鋼結(jié)構(gòu)與混凝土、木結(jié)構(gòu)等相比，具有輕質(zhì)、高強、受力均勻、易于產(chǎn)業(yè)化、能耗小、綠色環(huán)保、可循環(huán)使用、復(fù)合可持續(xù)性發(fā)展等優(yōu)點。同時，其造價較高，對設(shè)計、制造、安裝的要求較高，需要相關(guān)的輔助材料與之配套（尤其是住宅房屋），使其發(fā)展與多種因素相互影響。

應(yīng)用范圍

    傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于跨度大、高度大、荷載大、動力作用大的各 種工程結(jié)構(gòu)中, 如產(chǎn)業(yè)廠房的承重骨架和吊車梁、大跨度的屋蓋結(jié)構(gòu)(圖1)、高 層建筑的骨架、大跨度的橋梁、起重機結(jié)構(gòu)、塔架和桅桿結(jié)構(gòu)、石油化工設(shè)備的 框架、工作平臺和海洋采油平臺、管道支架、水工閘門等;也常用于可裝拆搬遷 的結(jié)構(gòu),如臨時性展覽館、建筑工地用房、混凝土模板等。輕型鋼結(jié)構(gòu)常用于小 跨度輕屋面的各類房屋、自動化高架倉庫等。此外,容器結(jié)構(gòu)、爐體結(jié)構(gòu)和大直 徑管道等也常用鋼材制成。

   現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)已推廣向住宅、商用寫字樓、展館、體育館、等民用和公共建筑。

鋼結(jié)構(gòu)工程的焊接技術(shù)

 　選擇適當(dāng)?shù)暮附庸に嚕�平焊、立焊、橫焊、仰焊等；采用短弧焊接，弧長一般為2～4mm。焊口清理：檢查破口、組裝間隙是否符合要求，焊縫內(nèi)不能有油污和銹物。烘焙焊條時要符合規(guī)定的溫度與時間，從烘箱中取出焊條后，要放在焊條保溫桶內(nèi)保存。根據(jù)焊接層次、焊條型號、直徑、厚度，焊接技能等因素，選擇適宜的焊接電流。焊接速度：要求等速焊接，保證焊縫厚度、寬度的一致，從面罩內(nèi)看熔池中鐵水與熔渣要保持等距（2～3mm）。焊接根據(jù)焊條型號不同而確定，一般要求電弧穩(wěn)定，酸性焊條一般為3～4mm，堿性焊條一般為2～3mm。焊接角度通常有兩個方面，一是焊條與焊接前進的方向之間夾角為60～75；二是焊條與焊接左右之間夾角有兩種情況，當(dāng)焊件厚度相等時，焊條與焊件之間的夾角均為45；當(dāng)焊件厚度不相等時，焊條與較厚焊件一側(cè)的夾角應(yīng)大于焊條與較薄焊件一側(cè)的夾角。每條焊縫焊到結(jié)束時，將弧坑填滿后，要往焊接方向相反的方向帶弧，使弧坑甩在焊道內(nèi)。焊接結(jié)束，采用氣割切除弧板，并修磨平整。清渣：整條焊縫焊完后清除熔渣，經(jīng)焊工自檢確無問題后，才可以更換工作地點繼續(xù)焊接作業(yè)。在冬期溫度低于0℃條件下進行電弧焊時，除遵守常溫焊接的規(guī)定外，還應(yīng)該調(diào)整焊接工藝的參數(shù)，使焊縫和熱影響區(qū)緩慢冷卻。焊后未冷卻的接頭，要避免碰到冰雪。當(dāng)工作地點的溫度在0℃以下時，要進行工藝試驗，來確定適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度。

鋼結(jié)構(gòu)的特點

 　鋼結(jié)構(gòu)施工時間短、用于施工的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以是工廠化生產(chǎn)、現(xiàn)場安裝，可以大大縮短施工的時間，節(jié)約時間；空間大：由于鋼材的抗壓、抗側(cè)彎強度均為混凝土的1.5倍，因此在等同強度的條件下可以縮小截面從而增大了有效的空間；可循環(huán)利用：鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工材料可以實現(xiàn)再生利用，這樣就減少了大量的建筑垃圾。抗震性能好，由于鋼結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)、自重輕，能有效地降低地震響應(yīng)及災(zāi)害的影響程度，有利于抗震。耐火性差：鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼筋混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，其耐火性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)差于混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度達到600℃的時侯，鋼結(jié)構(gòu)就會基本喪失其全部的強度和剛度。因此在鋼結(jié)構(gòu)建筑中抗火被看做重要一環(huán)；耐腐蝕性差：由于鋼材表面的鐵原子與空氣中的氧化合會生成氧化鐵銹，銹蝕能夠引起應(yīng)力集中，從而危害鋼結(jié)構(gòu)建筑的使用安全，使鋼結(jié)構(gòu)建筑壽命減短，因此對鋼結(jié)構(gòu)建筑進行有效的防腐措施才能確保其使用時間。

鋼梁在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

    輕鋼建筑在一些發(fā)達國家已被廣泛應(yīng)用于工廠、倉庫、體育館、展覽館、超市等建筑，而鋼結(jié)構(gòu)本身具備自重輕、強度高、施工快等獨特優(yōu)點，因此對高層、大跨度，尤其是超高層、超大跨度，采用鋼結(jié)構(gòu)更是非常理想。鋼結(jié)構(gòu)體系有著巨大的發(fā)展?jié)摿�和理想的發(fā)展前景，鋼梁作為鋼結(jié)構(gòu)中的重要受力構(gòu)件，其力學(xué)性能必將在今后的發(fā)展中更加完善、合理。

    一、鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

    世界上已經(jīng)建成的幾個純鋼結(jié)構(gòu)建筑為目前世界上最高的超高層建筑，如美國紐約帝國大廈，美國紐約世界貿(mào)易中心，美國芝加哥西爾斯大廈，馬來西亞雙塔石油大廈等。巨型鋼結(jié)構(gòu)為高層或超高層建筑的一種嶄新體系[1]，它是為了滿足特殊功能或綜合功能而產(chǎn)生的。它具有良好的建筑適應(yīng)性和潛在的高效結(jié)構(gòu)性能，是一種很有發(fā)展前景的鋼結(jié)構(gòu)。

    大跨度或較大跨度大多采用鋼結(jié)構(gòu)，大跨度鋼結(jié)構(gòu)多用于多功能體育場館、會議展覽中心、博覽館、候機廳、飛機庫等。最早的大跨度平板網(wǎng)架是上世紀(jì)60年代美國洛衫磯加里福尼亞大學(xué)體育館。世界上跨度最大的斜拉索橋為日本的多多羅大橋，最大的懸索橋為日本的名石大橋，公路鐵路兩用最大跨度橋為香港的青馬大橋。世界最早的雙曲拋物面懸索屋蓋是美國雷里競技館。另外，歷屆奧運會、博覽會等都可以顯示鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展水平。

    二、鋼梁的力學(xué)特性

    鋼梁在其對稱軸平面內(nèi)的橫向荷載作用下，一般只在該平面內(nèi)產(chǎn)生彎矩、剪力和撓度。但是，由于鋼梁的截面通常為高而窄的工字形或槽形，側(cè)向抗彎剛度和抗扭剛度較小，還可能發(fā)生側(cè)向彎曲扭轉(zhuǎn)屈曲而喪失整體穩(wěn)定[2]。對于組合梁而言，當(dāng)腹板或翼緣相對較薄時，還可能在受壓區(qū)發(fā)生局部失穩(wěn)而破壞。因此，設(shè)計鋼梁時須全面考慮并分別驗算其彎應(yīng)力與剪應(yīng)力強度、撓度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。

    在豎向荷載作用下，鋼梁一般只產(chǎn)生豎向位移，但對側(cè)向剛度較差的工字形截面或槽形截面鋼梁，當(dāng)梁的自由長度較大時，荷載加大到一定程度，常會迅速產(chǎn)生較大的側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)變形，使梁隨即喪失承載能力的現(xiàn)象稱為喪失整體穩(wěn)定或側(cè)扭屈曲。根據(jù)試驗，一般低碳鋼和低合金鋼試件在受彎時，如同簡單拉伸試驗一樣，也存在著屈服強度和屈服臺階，可視作理想的彈性塑性體。而且在超過彈性范圍受彎時仍符合彎曲構(gòu)件應(yīng)變的平面假定。因此，在靜力荷載作用下，鋼梁的彎曲大致可劃分為三個應(yīng)力階段。

    鋼梁的強度包括抵抗彎曲、剪切以及豎向局部承壓的能力。抗彎能力可由材料力學(xué)中的彎曲應(yīng)力公式求得。當(dāng)按塑性設(shè)計時，考慮梁上形成塑性鉸及由此引起的內(nèi)力重分布。采用塑性設(shè)計的鋼梁，與按彈性階段設(shè)計的梁相比較，可減小截面尺寸，節(jié)省鋼材，但一般只適用于受靜力荷載的熱軋型鋼梁和等截面焊接組合梁，同時組合梁板件的寬厚比應(yīng)有較嚴(yán)格的限制，以免板件局部失穩(wěn)而降低梁的承載能力。當(dāng)按彈性階段設(shè)計時，取計算截面的邊緣纖維應(yīng)力達到鋼材的屈服點作為極限狀態(tài)。邊緣纖維應(yīng)力達到屈服點后，梁實際上還可繼續(xù)承受荷載。隨著荷載的繼續(xù)加大，最大彎矩所在截面上的塑性變形沿截面從邊緣向中央不斷發(fā)展和擴大，最后在該截面處形成塑性鉸。梁上出現(xiàn)使梁成為可動機構(gòu)的一定數(shù)量的塑性鉸后，梁即到達抗彎的極限狀態(tài)而破壞。鋼梁的抗剪能力，也可按材料力學(xué)中的有關(guān)公式計算。為了簡化，通常假定剪力完全由腹板的計算截面平均承受。型鋼的腹板較厚，抗剪強度一般都能滿足設(shè)計要求。當(dāng)梁的抗彎強度按塑性階段設(shè)計時，剪力的存在會加速塑性鉸的形成；因此，對最大彎矩截面上的剪應(yīng)力，應(yīng)有比較嚴(yán)格的限制。

    鋼梁上承受固定集中荷載處，當(dāng)荷載作用在翼緣上時，該處翼緣與腹板交界部位的腹板水平截面，應(yīng)具有足夠的抗豎向局部壓力的能力。承受豎向局部壓力的腹板水平截面的面積，為該豎向壓力在所驗算水平截面上的假定分布長度與腹板厚度的乘積，并假定豎向壓應(yīng)力在該水平截面上為均勻分布。若計算截面的抗豎向局部承壓能力不足，可放大支承豎向荷載墊板的長度，或在該處設(shè)置腹板的加勁肋。