钢结构建筑的应用与发展

倪泽阳　苗秀梅　赵海峰

摘 要：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。

关键词：钢结构；性能；应用；展望

1 钢结构的特点

钢结构与其他建筑结构入混凝土结构、砖石结构和木结构相比，具有三个显著特点：一是力学性能；二是物理性能，钢材是一种低碳建筑材料，可以循环利用；三是化学性能。具体如下：（1）材料强度高，塑性和韧性好。钢材和其他建筑材料相比，强度要高很多。因此，特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。钢结构还具有塑性和韧性好的特点。塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂；韧性好，结构对动力荷载的适应性强。良好的吸能性能和延性还使钢结构具有优越的抗震性能。（2）材质均匀，和力学计算的假定比较符合。钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性体，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况和工程力学结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以严格控制，材质博动的范围小。（3）钢结构制造简便，施工周期短。钢结构所有的材料单纯而且成材，加工比较简便，并能使用机械操作。构件在工地拼装，可以采用安装简便的普通螺栓或者高强螺栓，有时还可以在地面拼装和焊接成较大的但愿再行吊装，以缩短施工周期。（4）钢结构质量较轻，钢材的密度虽比混凝土等建筑材料的密度大，但钢结构却比钢筋混凝土结构轻，原因是钢材的强度与密度之比要比混凝土大得多。以同样的跨度承受同样的荷载，钢屋架的质量最多不过钢筋混凝土屋架的1/4-1/3，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10，为吊装提供了方便。对于需要远距离运输的结构，质量轻也是一个重要的有利条件。同时，屋盖结构质量轻，对抵抗地震作用也十分有利。（5）钢结构腐蚀性差，耐热但不耐火，必须对结构注意防护。尤其是暴露在大气中的结构，如桥梁等更加应该注意。但近几年出现的耐候钢具有较好的抗锈蚀性能，已经逐步推广应用。另外，钢材长期经受100℃，几乎没有多大变化，具有一定的耐热性能；但是钢材不耐火，重要结构必须注意采取防火措施。例如利用蛭石板、蛭石喷涂层或石膏板等加以防护。

2 钢结构的应用

钢结构的合理应用范围不仅取决于钢材本身的特点，还受影响于国民经济的发展情况。由于钢材短缺，从建国到90年代，钢结构只用于钢筋混凝土不能代替的地方。直到1996年钢产量达到一亿吨，局面猜得到改变，钢结构的技术政策改成“合理使用钢材”。而国外钢结构应用远远走在了我们前面，美国钢结构建筑主要市场分布：工业、商业、社区等等各个方面。所以，钢结构在土建工程中的应用日益扩展。

2.1 高层、超高层建筑由中外合作到国产化的起步。随着国人生活水平、文化水平的不断提高，对于高层、大跨度建筑的需求也越来越高，而钢结构自身的特点，所以，对于高层、大跨度、超高层来讲，钢结构是非常理想的结构类型。我国有名的高层、超高层建筑大多是中外合作的产物，如上海金茂大厦、环球金融中心、深圳地王大厦、北京京广中心，北京鸟巢等。中外合作设计钢结构建筑对于掌握国外先进技术及锻炼培养人才起到了促进和推动作用。

2.2 轻钢结构。事实上，轻钢结构建筑在一些发达国家已被广泛应用，例如工厂、仓库、体育馆、展览馆、超市等等。轻钢结构是一种年轻而极具生命力的钢结构体系，已广泛应用于一般工农业、商业、服务性建筑，如办公楼、别墅、仓库、体育场馆、娱乐、旅游建筑和低、多层住宅建筑等领域，还可用于旧房增层、改造、加固和建材缺乏地区、运输不便地区、工期紧、活动式可拆迁建筑等，倍受业主青睐。这种结构的房屋具有自重轻，建设周期短，适应性强，外表美观，造价低，易维护等特点。国外轻钢结构厂商都已经慢慢进入中国市场，我过也应该借助机遇，趋利避害，积极发展我国自己的轻钢结构体系，以适应今后我国建筑钢结构不断发展的要求。

2.3 大跨度钢结构。大跨度钢结构大多应用于多功能场馆，会议展览中心，飞机库，候机厅等。世界上最大的室内体育馆，美国亚特兰大体育馆，采用的是张拉整体体系的屋盖，主要由索、杆、膜等组成，是当今最有发展前途的一种新型空间结构。事实上，从力学上讲，跨度再大的结构都是有可能实现的，为此，英国、美国等学者和研究单位都在进行相关研究。近几年，波浪形曲面开始流行，树桩支撑以及直接交汇相关节点，看起来十分优美壮观。深圳机场、北京首都机场、上海浦东国际机场都是典型的例子。

2.4 其他钢结构建筑类型。如，重型厂房结构、空间结构、可拆卸结构等到其他结构。即使在地基条件差的环境下，钢结构也因其良好的韧性和强度以及质轻的有点，能够很好的适应；在底价较高的地区，钢结构则以其占用土地面积小而突显出它的优越性。工期短，投资及早得到汇报，是有利于选用钢结构的又一项重要因素。因此，钢结构因其诸多有点而广泛应用于其他非住宅类型建筑。

3 钢结构建筑的前景展望

纵观发达国家钢结构建筑的发展轨迹，结合我国的实际情况，不难看出我国钢结构发展前景光明，同时也会存在许多不同于发达国家的特点。结合钢结构的特点以及优势，我过钢结构建筑存在着巨大的市场潜力和发展前景。（1）我国能源建设不断加快，火力电厂的主厂房和锅炉钢架用钢量不断增加。钢产量自96年以来，产量超过一亿吨，位居世界首位。钢铁和其他材料工业的发展，为钢结构行业提供品质优良、规格齐全的材料和条件。（2）交通工程中的地铁、轻轨和桥梁工程日益增加，随着城市经济的发展，地铁出行成为一种快速、便捷的新方式。钢结构以其自身特点，近几年来在地铁、桥梁建设中发挥这越来越重要的作用，我国部分地铁、桥梁等普遍采用钢结构形式，如沪高速、跨海、跨江大桥等等。随着经济的发展，钢结构在交通工程中会有更多更好的应用。（3）钢结构住宅将增加，国家提倡建设节能省地住宅，有关钢结构住宅的设计规范及配套技术，材料基本具备。目前我国钢结构住宅占比较少，发达国家却达到占总量的40—50%以上，如我国每年竣工6亿平方米的城镇住宅建设只有5%采用钢结构，由于中国钢材价格比国际价格低，劳动力成本低，钢结构的制作和施工质量优良，所以国际工程市场有较强的竞争力。（4）制约钢结构产业发展的一些不利因素。我国钢产量连年居世界第一，而且钢结构建筑的建筑条件基本成熟，但钢结构技术仍未得到特别有力的推广，我国钢结构建筑的发展相对国外任然有些滞后。主要表现在：国产H型钢、方钢管、可搭接的斜卷边冷弯薄壁Z型钢、抗腐蚀性能更好的镀铝锌薄板等型材的品种、规格还不能满足建筑需要。厚板的可焊接性差是国产建筑钢材存在的主要问题。建筑用高强度低合金钢品种还太少，高强度低合金结构钢在冷弯薄壁型钢中的应用尚未解决。钢结构住宅的造价和选择、开发外墙板，在一定程度上制约了钢结构住宅建筑的大面积推广应用。尽管目前还存在着种种不尽如人意或有待提高的方面，但钢结构的发展潜力巨大，前景广阔。

展望未来，随着经济建设的蓬勃发展和交流的进一步扩大，要建造更多的高层建筑、桥梁和大型公共场所等大空间和超大空间建筑物的需求十分旺盛。这将为钢结构的发展提供更多的机会，钢结构产业兴旺发展的新局面就在眼前。