钢结构论文范文10篇

时间:2023-03-31 21:53:17

钢结构论文

钢结构论文范文篇1

关键词:钢结构结构设计住宅

0、钢结构住宅发展的前景

长期以来,我国因缺少钢材而对建筑钢结构的应用加以限制,使建筑钢结构的使用限制在很小的范围内,建筑钢结构用钢量占全国钢材总产量的比重极低。1996年,我国钢产量首次突破亿吨,1998年我国钢产量已达到11434万吨,而且每年增产300万吨,形成了钢材供过于求的新形势,为发展我国的建筑钢结构建设事业创造了极好的时机。

随着钢产量的不断提高,经济的不断发展,对绿色环保型建筑的不断要求,钢材应用于住宅建筑主体结构是历史所趋。我国正在加速发展钢结构住宅产业化进程,发展以标准化、系列化、通用化,以专业化、社会化生产和商品化供应为基本方向的住宅产业现代化体制。国家建设部和中国工程建设标准化协会正在组织研制和开发多层轻钢结构的住宅建筑体系的结构选型,新型围护结构与隔断体系以及钢结构构件及配件,结构体系设计与施工技术,编制相应的设计与施工技术规范和规程。可以预见,不远的将来钢结构住宅的发展和应用会有新的飞跃。

目前经国内广泛研究、实验分析,钢结构住宅通用体系用于民用住宅,具有独特的优势,与其它住宅通用体系相比,其主要特点是:

1、自重轻,可减轻建筑物的重量约30%,有利于建设高层,特别是在地质承载力低的地方和地震烈度较高的地方,其综合经济效益优于一般住宅建筑体系。

2、布置灵活,开间大,使房型丰富,约可提高建筑面积3%~5%。具有充分的灵活性、可改性和安全性,有利于满足现代人的居住需要,适应现代住宅的市场需求。

3、可以工厂化生产,更易实现工业化、定型化、批量化生产,提高劳动生产率。

4、施工周期大大缩短。据研究,钢结构建筑施工周期比混凝土建筑施工周期可缩短一半,减少湿作业量,且其节能指标可达50%,属环保型绿色建筑体系。

本文以笔者设计的镇江市某多层钢结构住宅试点工程为例,介绍了钢结构设计中值得注意的几个问题及其相应对策。

1、钢结构住宅结构体系布置

目前国内钢结构建筑体系主要有纯框架体系、框架-支撑体系、框架-核心筒体系等结构形式[1],各种形式的优缺点分析参见文献[1]。

钢结构住宅构件的截面形式分为:热轧H型钢截面,焊接H型钢截面、钢骨混凝土截面、焊接箱形截面、冷弯焊接方管或圆管截面等,各种形式的优缺点见表1。

表1不同柱截面形式的性能比较

Tab1differencepolesection’scapabilitycompared

项目

H型钢

钢骨混凝土

钢管

钢管混凝土

承载性能

较好

一般

用钢量

较多

较多

施工速度[2]

最快

较慢

较快

防火处理

需处理

不用处理

难度大

一般

造价[2]

较高

较省

较高

较省

在设计过程中选用何种体系,应该综合考虑多方面的因素,例如突出钢结构优势的大柱网因素和适应现代人生活需要的大开间、易改变的布置因素。为了使结构经济合理,多层钢结构住宅对结构布置有些要求。当然,这些要求不是绝对的,而是在可能条件下这样做会更经济,更合理,主要是:

(1)采用矩形平面或由矩形平面单元组成的建筑平面。

(2)框架柱在房屋横向宜成列布置。

(3)将支撑或桁架腹杆设在无孔口的分户墙中。

(4)采用间隔桁架体系时,房屋纵向走廊宜在横向桁架的中部。

我们设计的某轻钢住宅的平面结构布置图,从图上可以看出结构布置采用了大柱网、大开间的结构布置形式,采用高频焊接H型钢体系。

2、钢结构住宅设计中若干值得注意的问题讨论

在选择了合适的结构体系、柱网布置以后,在设计过程中还要有以下几个值得注意的问题。

2.1节点设计

钢结构体系当中,节点的设计和构件的设计具有同等的重要性,因此必须给予充分的重视。钢结构的节点设计包括梁-柱节点、梁-梁节点、柱-柱节点、柱脚节点、柱帽节点等。设计时应确保节点的安全可靠,并尽量采用简捷、稳定、可靠的施工工艺,减少或避免现场的焊缝连接。钢节点的形式按传力特性大体可以分为三类:铰节点、半刚性节点、刚性节点。刚性、铰接节点的受力性能、施工工艺研究得比较成熟,因此在工程中取得了广泛的应用。

采用的几种梁-柱节点连接形式。由结构布置分析,考虑工程实际情况,在设计时,多层房屋钢结构柱多采用焊接工字形或箱形截面,由于焊接工字形截面腹板比较薄,故在此弱轴方向与粱的连接多采用铰接,而强轴方向则采用刚接形式[3]。从图中我们不难发现,铰节点形式简单,施工方便,但它使得梁跨中弯矩加大,增加用钢量,不经济;刚性节点构造复杂,但其有效的降低了跨中弯矩,节约了用钢,有较好的经济效应;而半刚性节点应用比较少,主要是其受力特性比较复杂,往往通过试验来取得较为准确的设计数据。三种形式,哪一种更加经济可靠,还有待于在实际工程中比较、检验。

2.2墙体材料的选取

一般来说,为了突出钢结构自重轻、布置灵活、可改性好的特点,钢结构住宅不宜采用传统的黏土砖或其它自重较大的材料。通常采用轻质材料,比如:空心混凝土砌块、加气混凝土、压型钢板加轻质保温材料组成的复合墙体、OSB板、CS板[4]等。目前使用的比较多的是蒸压轻质加气混凝土板(AutoclavedLightweightConcrete)简称ALC板(块)。这种材料质地较轻,具有较好的防水,防渗透能力,保温性能好,隔声效果与一般混凝土空心砌块相当,自身的强度高,施工方便、快捷。无论做外墙还是内隔墙效果都比较理想。

在进行墙体的设计时,要求对连接件的强度、质料和尺寸有准确的规定。对连接方式充分考虑墙体和主体结构的特性,尽可能采用简捷、快速的连接方法,以便于施工,提高作业效率。

2.3卫生间、厨房设计

卫生间和厨房的设计是钢结构设计过程中比较重要的环节。因为钢结构材料的防腐能力相对较弱,而卫生间和厨房是住宅中用水最多的地方,所以这两处的防水处理十分重要。在其它建筑体系中,防水有两种方法:结构防水和材料防水。在钢结构中,结构防水的效果比较好。正如前文指出,框架-核心筒结构体系把卫生间和厨房放在核心筒内,具有良好的防水性能。对于其它结构体系要根据工程实际情况而定,比如对于框架-支撑体系采用压型钢板混凝土组合楼板时,通常在墙角处将混凝土上翻100~150mm。由于目前钢结构住宅的工程实例不是很多,故这方面还有待进一步研究、开发。

2.4楼梯

对其它类型钢结构建筑的楼梯大都采用钢楼梯,而住宅体系中则基本不用,原因是钢楼梯的传音效果较好。故钢结构住宅中常常采用混凝土楼梯或者压型钢板混凝土组合楼梯。在设计时要注意楼梯梁的放置位置和处理,因为通常情况下,这里会出现梁-梁连接,这种连接会使得被连接梁承受集中荷载,这样该梁比较容易发生局部失稳。

该钢楼梯采用6mm钢折板做踏板,上面浇注混凝土,踏板两端用L50×6角钢与楼梯梁(槽钢)通过M12螺栓连接。这种做法利用40mm混凝土克服了一般钢梯传音效果好的弱点,同时槽钢上翼缘可以焊接合金楼梯扶手,施工简便,值得推广。

2.5楼盖体系

多层房屋钢结构的楼板必须有足够的承载力、刚度和整体性,当前较常采用的是在钢梁上铺设压型钢板,再浇注100mm左右的钢筋混凝土板,即形成压型钢板组合楼板。楼盖梁一般采用简支等高连接,有时也可做成不等高连接,如采用压型钢板组合楼板时,为了便于铺设压型钢板,主次梁顶面需相差压型钢板厚度,同时还可以增大建筑净层高。在设计过程中,要考虑钢梁和楼板的组合作用,这样会显著提高粱的承载力和整体稳定性,并有效降低梁高,节约用钢,降低工程造价[5]。

压型钢板组合混凝土楼板,除了按计算(并满足构造要求)在钢梁上焊接栓钉外,为了保证混凝土和压型钢板共同工作,它们之间应有连接措施,根据规范规定[6][7],其连接措施可以依靠压型钢板的纵向波槽或依靠压型钢板的上的压痕、开的小洞或冲成的不闭合孔眼,也可以依靠压型钢板上焊接的横向钢筋。

3、结束语

本文介绍了钢结构住宅结构设计过程中应该注意的几点问题和相应的解决方法。钢结构住宅结构体系在我国正处于一个起步阶段,国家政策的导向,国民生活的提高对住宅提出的要求等为钢结构住宅结构体系的发展和应用提供了非常广阔的前景,全国各种钢结构住宅设计、开发、施工公司有如雨后春笋。

本文研究仅是一个起步,我国钢结构住宅体系在以下几方面还值得进一步研究开发。

1、对各种抗腐蚀性优的钢种的研究开发;

2、半刚性连接节点受力性能分析、研究;

3、隔墙板材的布置、排版的系统化、标准化研究,统一标准的制定以及相关设计软件的开发;

4、楼面结构整体受力性能的研究;

5、结构抗震的计算与分析;

钢结构论文范文篇2

一般来说,材料的特性是推出新型建筑形式的出发点。钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的。和其它材料的结构相比,钢结构有如下一些特点。

1.1材料的强度高,塑性和韧性好钢材和其它建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比,强度要高得多。因此,特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。钢材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。良好的吸能能力和延性还使钢结构具有优越的抗震性能。另一方面,由于钢材的强度高,做成的构件截面小而壁薄,受压时需要满足稳定的要求,强度有时不能充分发挥。

1.2材质均匀,与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,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计算结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以得到严格控制,材质波动的范围小。

1.3钢结构制造简便,施工周期短钢结构所用的材料单纯而且是成材,加工比较简便,并能使用机械操作,因此,大量的钢结构一般在专业化的金属结构厂做成构件,精确度较高。构件在工地拼装,可以采用安设简便的普通螺栓和高强度螺栓,有时还可以在地面拼装和焊接成较大的单元再行吊装,以缩短施工周期。此外,对已建成的钢结构也比较容易进行改建和加固,用螺栓连接的结构还可以根据需要进行拆迁。

1.4钢结构的重量轻钢材的密度虽比混凝土等建筑材料大,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荷载,钢屋架的重量最多不超过钢筋混凝土屋架的1/3至1/4,冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10,为吊装提供了方便条件。对于需要远距离运输的结构,如建造在交通不便的山区和边远地区的工程,重量轻也是一个重要的有利条件。

当然任何一种材料都不是十全十美的,钢材的耐腐蚀性和耐火性就较为欠缺,在对结构进行防护时费用比钢筋混凝土结构高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中,构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆,锈蚀问题也并不严重。近年来出现的耐大气腐蚀的钢材具有较好的抗锈性能,已经逐步推广应用,并取得了良好的效果。钢材长期经受100℃辐射热时,强度没有多大变化,具有一定的耐热性能,但温度达150℃以上时,就须用隔热层加以保护。钢材不耐火,重要的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钢结构住宅的特点

钢结构住宅与传统结构相比,在使用功能、设计、施工以及综合经济方面具有优势,主要体现在以下方面。

2.1设计制造周期短,设计生产一体化现代结构设计借助于计算机和专业化结构分析软件,使得设计周期大大缩短,设计中的修改和调整非常方便。同时,由于钢结构具有工厂预制、现场安装的特点,可以将前期设计和现业的生产手段相结合,通过网络计算机和数控机床结合,使设计人员在工作室中完成设计后,即由工厂的生产线完成产品制作,具有极高的效率和精确度,可以大大减少项目建设周期。

2.2能够合理布置功能区间在居住建筑中,建筑师和居民一直希望能够有大跨的无竖向结构的空间,这样,可以根据需求进行灵活隔断,使室内布置呈多样化。传统住宅由于所用材料的性质,限制了空间布置的自由。

2.3承载强度高,抗震性能优越相同的荷载,钢结构截面最小,相同的截面,钢结构承载力最大。在抗震设防区,钢筋砼结构有许多不足之处,而钢结构重量轻,六层轻钢住宅的重量仅相当于四层砖混结构的重量,因此,本身所受的地震作用小;而且,钢材具有高延性,有较好的耗能能力,因此,抗震性能好,结构安全度高。

2.4施工方面优势突出现浇砼需要连续施工,在我国北方地区受到施工季节的影响。钢结构的大部分构件在工厂生产,运往现场通过焊接或螺栓进行整体组装,可全天候作业。施工现场作业量小,减少了施工临时用地,与传统建筑材料相比,对周围环境污染小,提高了施工的机械化水平。

2.5综合造价低钢结构承载力高,可以实现结构的大开间布置,构件截面小,与砼结构和砖混结构相比,自重比较轻,地基的处理比较容易,可以采用天然基础型式。由于基础在工程造价中占有比重比较大,上部结构重量轻可以降低基础的造价,从而减少整个项目的投资。钢结构施工机械化高的特点,从另一方面减少了人工费用和模板等其它辅助材料费用。

3钢结构住宅的设计思路

3.1判断结构是否适合用钢结构钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。

3.2结构选型与结构布置在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是“概念设计”,它在结构选型与布置阶段尤其重要.对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题,可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想,从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确,并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。

3.3预估截面结构布置结束后,需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。

钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况,其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时,可回避钢梁的整体稳定的复杂计算,这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后,其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。

柱截面按长细比预估,通常50<λ<150,简单选择值在100附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同,可选择钢管或H型钢截面等。

3.4结构分析目前钢结构实际设计中,结构分析通常为线弹性分析,条件允许时考虑P-Δ,p-δ。

新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能,这为更精确的分析结构提供了条件。

3.5构件设计构件的设计首先是材料的选择。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。经济考虑,也可以选择不同强度钢材的组合截面。构件设计中,现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面,这和结构内力计算的弹性方法并不匹配,当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步,一些软件可以将验算时不通过的构件,从给定的截面库里选择加大一级,并自动重新分析验算,直至通过,如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。

3.6节点设计连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。在结构分析前,就应该对节点的形式有充分思考与确定,常常出现的一种情况是,最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致,这必须避免.按传力特性不同,节点分刚接,铰接和半刚接。

3.7图纸编制钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段,设计图为设计单位提供,施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制,有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾,有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。

设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制,目前比较混乱,各个设计单位之间及其与钢结构公司之间不尽相同。初学者可参考他人的优秀设计并参考相关的工具书,并依据规范规定编制。

钢结构论文范文篇3

关键词:钢结构结构稳定结构设计

1、引言

稳定性是钢结构的一个突出问题。在各种类型的钢结构中,都会遇到稳定问题。对于这个问题处理不好,将会造成不应有的损失。现代工程史上不乏因失稳而造成的钢结构事故,其中影响最大的是1907年加拿大魁北克一座大桥在施工中破坏,9000吨钢结构全部坠入河中,桥上施工的人员75人遇难。破坏是由于悬臂的受压下弦失稳造成的。而美国哈特福特城的体育馆网架结构,平面92m×110m,突然于1978年破坏而落地,破坏起因可能是压杆屈曲。以及1988年加拿大一停车场的屋盖结构塌落,1985年土耳其某体育场看台屋盖塌落,这两次事故都和没有设置适当的文撑有关[1]。在我国1988年也曾发生l3.2×l7.99m网架因腹杆稳定位不足而在施工过程中塌落的事故。从上可以看出,钢结构中的稳定问题是钢结构设计中以待解决的主要问题,一旦出现了钢结构的失稳事故,不但对经济造成严重的损失,而且会造成人员的伤亡,所以我们在钢结构设计中,一定要把握好这一关。目前,钢结构中出现过的失稳事故都是由于设计者的经验不足,对结构及构件的稳定性能不够清楚,对如何保证结构稳定缺少明确概念,造成一般性结构设计中不应有的薄弱环节。另一方面是由于新型结构的出现,如空间网架,网壳结构等,设计者对其如何设计还没有完全的了解。本文针对这些问题提出了在设计中应该明确在钢结构稳定设计中的一些基本概念,以及对新型钢结构稳定性研究应该了解的一些问题并且应该懂得如何解决这些问题。只有这样我们在设计中才能更好处理钢结构稳定问题。

2、钢结构稳定设计的基本概念

2.1强度与稳定的区别[2]

强度问题是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起地最大应力(或内力)是否超过建筑材料的极限强度,因此是一个应力问题。极限强度的取值取决于材料的特性,对混凝土等脆性材料,可取它的最大强度,对钢材则常取它的屈服点。稳定问题则与强度问题不同,它主要是找出外荷载与结构内部抵抗力间的不稳定平衡状态,即变形开始急剧增长的状态,从而设法避免进入该状态,因此,它是一个变形问题。如轴压柱,由于失稳,侧向挠度使柱中增加数量很大的弯矩,因而柱子的破坏荷载可以远远低于它的轴压强度。显然,轴压强度不是柱子破坏的主要原因。

2.2钢结构失稳的分类[1]

(1)第一类稳定问题或者具有平衡分岔的稳定问题(也叫分支点失稳)。完善直杆轴心受压时的屈曲和完善平板中面受压时的屈曲都属于这一类。

(2)第二类稳定问题或无平衡分岔的稳定问题(也叫极值点失稳)。由建筑钢材做成的偏心受压构件,在塑性发展到一定程度时丧失稳定的能力,属于这一类。

(3)跃越失稳是一种不同于以上两种类型,它既无平衡分岔点,又无极值点,它是在丧失稳定平衡之后跳跃到另一个稳定平衡状态。

区分结构失稳类型的性质十分重要,这样才有可能正确估量结构的稳定承载力。随着稳定问题研究的逐步深入,上述分类看起来已经不够了。设计为轴心受压的构件,实际上总不免有一点初弯曲,荷载的作用点也难免有偏心。因此,我们要真正掌握这种构件的性能,就必须了解缺陷对它的影响,其他构件也都有个缺陷影响问题。另一方面就是深入对构件屈曲后性能的研究。

2.3钢结构设计的原则

根据稳定问题在实际设计中的特点提出了以下三项原则并具体阐明了这些原则,以更好地保证钢结构稳定设计中构件不会丧失稳定。

(1)结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求

目前结构大多数是按照平面体系来设计的,如桁架和框架都是如此。保证这些平面结构不致出平面失稳,需要从结构整体布置来解决,亦即设计必要的支撑构件。这就是说,平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致。就如上述的1988年加拿大一停车场的屋盖结构塌落,1985年土耳其某体育场看台屋盖塌落,这两次事故都和没有设置适当的文撑而造成出平面失稳。

由平面桁架组成的塔架,基于同样原因,需要注意杆件的稳定和横隔设置之间的关系。

(2)结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致,这对框架结构的稳定计算十分重要[3]。

目前任设计单层和多层框架结构时,经常不作框架稳定分折而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时,计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数,自应通过框架整体稳定分析得出,才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而,实际框架多种多样,而设计中为了简化计算工作,需要设定一些典型条件。GBJl7—88规范对单层或多层框架给出的计算长度系数采用了五条基本假定,其中包括:“框架中所有柱子是同时丧失稳定的,即各柱同时达到其临界荷载”。按照这条假定,框架各柱的稳定参数杆件稳定计算的常用方法,往往是依据一定的简化假设或者典型情况得出的,设计者必须确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。在实际工程中,框架计算简图和实用方法所依据的简图不一致的情况还可举出以下两种,即附有摇摆拄的框架和横梁受有较大压力的框架。这两种情况若按规范的系数计算,都会导致不安全的后果。所以所用的计算方法与前提假设和具体计算对象应该相一致。

(3)设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合,使二者有一致性。

结构计算和构造设计相符合,一直是结构设计中大家都注意的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接,应分别赋与它足够的刚度和柔度,对桁架节点应尽量减少杆件偏心这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。但是,当涉及稳定性能时,构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如,简支梁就抗弯强度来说,对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移,同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转,同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲,以符合稳定分析所采取的边界条件。

2.4钢结构稳定设计特点

(1)失稳和整体刚度:现行规范通用的轴心压杆的稳定计算法是临界压力求解法和折减系数法。

(2)稳定性整体分析:杆件能否保持稳定牵涉到结构的整体。稳定分析必须从整体着眼。

(3)稳定计算的其它特点:在弹性稳定计算中,除了需要考虑结构的整体性外,还有一些其他特点需要引起重视,首先要做的就是二阶分析,这种分析对柔性构件尤为重要,这是因为柔性构件的大变形量对结构内力产生了不能忽视的影响,其次,普遍用于应力问题的迭加原理[4].在弹性稳定计算中不能应用。这是因为迭加原理的应用应以满足以下条件为前提:

1)材料服从虎克定律变成正比;

2)结构的变形很小。

而弹性稳定计算一般均不能满足第2)个条件,非弹性稳定计算则两个前提都不符合。

了解了一些在钢结构设计中应该明确的一些基本概念,有助于我们在设计中更好地处理稳定方面的问题,随着新型钢结构体系地不断发展,我们对稳定问题的研究要求也不断地提高,之所以在设计中出现结构失稳问题,另一个重要原因就是我们对新型结构稳定知之甚少,也就是目前钢结构稳定研究中存在的问题。

3、钢结构稳定性研究中存在的问题

钢结构体系稳定性研究虽然取得了一定的进展,但也存在一些不容忽视的问题[5]:

(1)目前在网壳结构稳定性的研究中,梁-柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁-柱单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还很难说,虽然有学者对梁-柱单元进行过修正[3]。主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。

(2)在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题,目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数,未反映整体稳定与局部稳定的关联性。

(3)预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善,目前还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的稳定性。

(4)钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响,目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围,而在实际工程中,由于结构参数的不确定性,会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究。

从上面可以看出,我们的钢结构稳定理论还是不够完善,我们在设计中一般都是把钢结构看成是完善的结构体系,针对上述问题(4),我们可以看出在设计中我们没有考虑一些随机因素的影响。但是我们在考虑这些因素之前,应该弄清楚这些随机因素的来源,一般情况下把影响钢结构稳定性随机因素分为三类:

(1)物理、几何不确定性:如材料(弹性模量,屈服应力,泊松比等)、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等。

(2)统计的不确定性:在统计与稳定性有关的物理量和几何量时,总是根据有限样本来选择概率密度分布函数,因此带来一定的经验性。这种不确定性称为统计的不确定性,是由于缺乏信息造成的。

(3)模型的不确定性:为了对结构进行分析,所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素,所导致的理论值与实际承载力的差异,都归结为模型的不确定性。

以上都是钢结构稳定设计中存在的问题,只有我们进一步地深入研究这些稳定,钢结构稳定理论将会进一步完善,如对于钢结构稳定设计中涉及到随机因素的影响,国外已经引入了钢结构稳定的可靠度设计,这也表明了钢结构稳定设计理论也在不断的完善。

4、结束语

钢结构稳定问题区别于强度问题。在实际设计中,设计人员应该明确知道结构构件的稳定性能,以免在设计过程中发生不必要的失稳损失。针对上述问题,本文提出了在设计过程中设计人员应该明确的一些基本概念;其次,随着新型结构的出现,设计人员对其性能认识的不足,从而导致构件的失稳,本文就这个问题阐述了新型结构现存的一些问题,并且针对一些问题论述了产生的原因。总之,只有深入了解这些问题,才会使得钢结构稳定理论设计不断地完善。

参考文献

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[6]吴剑国.网壳结构稳定性的可靠性研究.博士论文,同济大学,2001.

钢结构论文范文篇4

论文摘要:轻型金属板材及其配套的门式刚架等系列轻型钢结构已得到了较为广泛的应用,加强钢结构专业队伍素质的提高,已成为一项紧迫的任务。

由于钢结构本身具备自重轻、强度高、施工快等独特优点,因此对高层、大跨度,尤其是超高层、超大跨度,采用钢结构更是非常理想。轻型金属板材及其配套的门式刚架等系列轻型钢结构已得到了较为广泛的应用。下面简单谈一谈轻型钢结构工程中常见的一些质量问题及预防措施。

1柱脚的制作安装

1.1预埋地脚螺栓与砼短柱边距离过近。在刚架吊装时,经常不可避免的会人为产生一些侧向外力,而将柱顶部砼拉碎或拉崩。在预埋螺栓时,钢柱侧边螺栓不能过于靠边,应与柱边留有足够的距离。同时,砼短柱要保证达到设计强度后,方可组织刚架的吊装工作。

1.2往往容易遗忘抗剪槽的留设和抗剪件的设置。柱脚锚栓按承受拉力设计,计算时不考虑锚栓承受水平力。若未设置抗剪件,所有由侧向风荷载、水平地震荷载、吊车水平荷载等产生的柱底剪力,几乎都有柱脚锚栓承担,从而破坏柱脚锚栓。

1.3柱脚底板与砼柱间空隙过小,使得灌浆料难以填入或填实。一般二次灌料空隙为50mm。

1.4有些工程地脚螺栓位置不准确,为了方便刚架吊装就位,在现场对底板进行二次打孔,任意切割,造成柱脚底板开孔过大,使得柱脚固定不牢,锚栓最小边(端)距亦不能满足规范要求。

2梁、柱连接与安装

2.1多跨门式刚架中柱按摇摆柱设计,而实际工程却把中柱与斜梁焊死,致使实际构造与设计计算简图不符,造成工程事故。所以,安装要严格按照设计图纸施作;

2.2翼缘板与加厚或加宽连接板对接焊缝时,未按要求做成倾斜度的过渡。对接焊缝连接处,若焊件的宽度或厚度不同,且在同一侧相差4mm以上者,应分别在宽度或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5(1:4)的斜角。

2.3端板连接面制作粗燥,切割不平整,或与梁柱翼缘板焊接时控制不当,使端板翘曲变形,造成端板间接触面不吻合,连接螺栓不得力,从而满足不了该节点抗弯受拉、抗剪等结构性能。

2.4刚架梁柱拼接时,把翼缘板和腹板的拼接接头放在同一截面上,造成工程隐患。拼接接头时,翼缘板和腹板的接头一定要按规定错开。

2.5刚架梁柱构件受集中荷载处未设置对应的加劲肋,容易造成结构构件局部受压失稳。

2.6连接高强螺栓不符合《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接的技术条件》或《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角头螺母、垫圈型式尺寸与技术条件》的相关规定。高强螺栓拧紧分初拧、终拧,对大型节点还应增加复拧。拧紧应在同一天完成,切勿遗忘终拧。一定要在结构安装完成后,对所有的连接螺栓应逐一检查,以防漏拧或松动。

2.7有些工程中高强螺栓连接面未按设计图纸要求进行处理,使得抗滑移系数不能满足该节点处抗剪要求。必须按照设计要求的连接面抗滑移系数去处理。

2.8有的工程缺乏有针对性的吊装方案,吊装刚架时,未采用临时措施保证刚架的侧向稳定,造成刚架安装倒塌事故。应先安装靠近山墙的有柱间支撑的两榀刚架,而后安装其他刚架。头两榀刚架安装完毕后,应在两榀刚架间将水平系杆,檩条及柱间支撑,屋面水平支撑,隅撑全部装好,安装完成后应利用柱间支撑及屋面水平支撑调整构件的垂直度及水平度,待调整正确后方可锁定支撑,而后安装其他刚架。

3檩条、支撑等构件的制作安装

3.1为了安装方便,随意增大、加长檩条或檩托板的螺栓孔径。檩条不仅仅是支撑屋面板或悬挂墙面板的构件,而且也是刚架梁柱隅撑设置的支撑体,设置一定数量的隅撑可减少刚架平面外的计算长度,有效的保证了刚架的平面外整体稳定性。若檩条或檩托板孔径过大过长,隅撑就失去了应有的作用。3.2隅撑角钢与钢梁的腹板直接连接,当刚架受侧向力时,使腹板在该处局部受到侧向水平力作用,容易导致钢梁局部侧向失稳。

3.3有的工程所用檩条仅用电镀,造成工程尚未完工,檩条早已生锈。檩条宜采用热镀锌带钢压制而成的檩条,且保证一定的镀锌量。

3.4因墙面开设门洞,擅自将柱间垂直支撑一端或两端移位。同一区隔的柱间支撑、屋面水平支撑与刚架形成纵向稳定体系,若随意移动其位置将会破坏其稳定体系。

3.5有些单位为了节省钢材和人工,将檩条和墙梁用钢板支托的侧向加劲肋取消,这将影响檩条的抗扭刚度和墙梁受力的可靠性。故施工单位不得任意取消设计图纸的一些做法。

3.6有的单位擅自增加屋面荷载,原设计未考虑吊顶或设备管道等悬挂荷载,而施工中却任意增加吊顶等悬挂荷载,从而导致钢梁挠度过大或坍塌。任何单位均不得擅自增加设计范围以外的荷载。

3.7屋面板未按要求设置,将固定式改为浮动式,使檩条侧向失稳。往往设计檩条时,会考虑屋面压型钢板与冷弯型钢檩条牢固连接,能可靠的阻止檩条侧向失稳并起到整体蒙皮作用。

3.8刚性系杆、风拉杆的连接板设置位置高低不一,使得水平支撑体系不在同一平面上,从而影响刚架的整体稳定性。刚性系杆与风拉杆构成水平支撑体系,其设置高度在同一坡度方向应保持一致。

目前,我国钢结构住宅产业已进入一个新的发展阶段,有关规范和标准已经出台,国内钢材产量充足,有了一批钢结构住宅试点与示范的建设经验和科技成果,钢结构住宅的发展已具备了较好的物质和技术基础。当然,在钢结构住宅发展方面,还有一些技术问题有待解决。钢结构住宅的推广还需要做大量的工作,完善不同类型结构设计规范和施工技术标准,研制新型的轻质保温墙体材料以及与住宅部品的配套问题,同时还要广泛宣传开发轻钢住宅的益处,让更多的开发商、设计师和用户认识了解钢结构住宅的优点。

参考文献

钢结构论文范文篇5

1.1预埋地脚螺栓与砼短柱边距离过近。在刚架吊装时,经常不可避免的会人为产生一些侧向外力,而将柱顶部砼拉碎或拉崩。在预埋螺栓时,钢柱侧边螺栓不能过于靠边,应与柱边留有足够的距离。同时,砼短柱要保证达到设计强度后,方可组织刚架的吊装工作。

1.2往往容易遗忘抗剪槽的留设和抗剪件的设置。柱脚锚栓按承受拉力设计,计算时不考虑锚栓承受水平力。若未设置抗剪件,所有由侧向风荷载、水平地震荷载、吊车水平荷载等产生的柱底剪力,几乎都有柱脚锚栓承担,从而破坏柱脚锚栓。

1.3柱脚底板与砼柱间空隙过小,使得灌浆料难以填入或填实。一般二次灌料空隙为50mm。

1.4有些工程地脚螺栓位置不准确,为了方便刚架吊装就位,在现场对底板进行二次打孔,任意切割,造成柱脚底板开孔过大,使得柱脚固定不牢,锚栓最小边(端)距亦不能满足规范要求。

2梁、柱连接与安装

2.1多跨门式刚架中柱按摇摆柱设计,而实际工程却把中柱与斜梁焊死,致使实际构造与设计计算简图不符,造成工程事故。所以,安装要严格按照设计图纸施作;

2.2翼缘板与加厚或加宽连接板对接焊缝时,未按要求做成倾斜度的过渡。对接焊缝连接处,若焊件的宽度或厚度不同,且在同一侧相差4mm以上者,应分别在宽度或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1:2.5(1:4)的斜角。

2.3端板连接面制作粗燥,切割不平整,或与梁柱翼缘板焊接时控制不当,使端板翘曲变形,造成端板间接触面不吻合,连接螺栓不得力,从而满足不了该节点抗弯受拉、抗剪等结构性能。

2.4刚架梁柱拼接时,把翼缘板和腹板的拼接接头放在同一截面上,造成工程隐患。拼接接头时,翼缘板和腹板的接头一定要按规定错开。

2.5刚架梁柱构件受集中荷载处未设置对应的加劲肋,容易造成结构构件局部受压失稳。

2.6连接高强螺栓不符合《钢结构用扭剪型高强度螺栓连接的技术条件》或《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角头螺母、垫圈型式尺寸与技术条件》的相关规定。高强螺栓拧紧分初拧、终拧,对大型节点还应增加复拧。拧紧应在同一天完成,切勿遗忘终拧。一定要在结构安装完成后,对所有的连接螺栓应逐一检查,以防漏拧或松动。

2.7有些工程中高强螺栓连接面未按设计图纸要求进行处理,使得抗滑移系数不能满足该节点处抗剪要求。必须按照设计要求的连接面抗滑移系数去处理。

2.8有的工程缺乏有针对性的吊装方案,吊装刚架时,未采用临时措施保证刚架的侧向稳定,造成刚架安装倒塌事故。应先安装靠近山墙的有柱间支撑的两榀刚架,而后安装其他刚架。头两榀刚架安装完毕后,应在两榀刚架间将水平系杆,檩条及柱间支撑,屋面水平支撑,隅撑全部装好,安装完成后应利用柱间支撑及屋面水平支撑调整构件的垂直度及水平度,待调整正确后方可锁定支撑,而后安装其他刚架。

3檩条、支撑等构件的制作安装

3.1为了安装方便,随意增大、加长檩条或檩托板的螺栓孔径。檩条不仅仅是支撑屋面板或悬挂墙面板的构件,而且也是刚架梁柱隅撑设置的支撑体,设置一定数量的隅撑可减少刚架平面外的计算长度,有效的保证了刚架的平面外整体稳定性。若檩条或檩托板孔径过大过长,隅撑就失去了应有的作用。

3.2隅撑角钢与钢梁的腹板直接连接,当刚架受侧向力时,使腹板在该处局部受到侧向水平力作用,容易导致钢梁局部侧向失稳。

3.3有的工程所用檩条仅用电镀,造成工程尚未完工,檩条早已生锈。檩条宜采用热镀锌带钢压制而成的檩条,且保证一定的镀锌量。

3.4因墙面开设门洞,擅自将柱间垂直支撑一端或两端移位。同一区隔的柱间支撑、屋面水平支撑与刚架形成纵向稳定体系,若随意移动其位置将会破坏其稳定体系。

3.5有些单位为了节省钢材和人工,将檩条和墙梁用钢板支托的侧向加劲肋取消,这将影响檩条的抗扭刚度和墙梁受力的可靠性。故施工单位不得任意取消设计图纸的一些做法。

3.6有的单位擅自增加屋面荷载,原设计未考虑吊顶或设备管道等悬挂荷载,而施工中却任意增加吊顶等悬挂荷载,从而导致钢梁挠度过大或坍塌。任何单位均不得擅自增加设计范围以外的荷载。

3.7屋面板未按要求设置,将固定式改为浮动式,使檩条侧向失稳。往往设计檩条时,会考虑屋面压型钢板与冷弯型钢檩条牢固连接,能可靠的阻止檩条侧向失稳并起到整体蒙皮作用。

3.8刚性系杆、风拉杆的连接板设置位置高低不一,使得水平支撑体系不在同一平面上,从而影响刚架的整体稳定性。刚性系杆与风拉杆构成水平支撑体系,其设置高度在同一坡度方向应保持一致。

目前,我国钢结构住宅产业已进入一个新的发展阶段,有关规范和标准已经出台,国内钢材产量充足,有了一批钢结构住宅试点与示范的建设经验和科技成果,钢结构住宅的发展已具备了较好的物质和技术基础。当然,在钢结构住宅发展方面,还有一些技术问题有待解决。钢结构住宅的推广还需要做大量的工作,完善不同类型结构设计规范和施工技术标准,研制新型的轻质保温墙体材料以及与住宅部品的配套问题,同时还要广泛宣传开发轻钢住宅的益处,让更多的开发商、设计师和用户认识了解钢结构住宅的优点。

参考文献

[1]刘玉株.钢结构住宅技术问题讨论.建筑创作,2003年2月.

[2]陈禄如等.攻克关键技术推动钢结构住宅发展.建设科技,2003年12月.

钢结构论文范文篇6

[论文摘要]主体钢结构工程由于其造价低、结构性能好、施工速度快,在高层建筑领域被广泛应用,施工质量的好坏就直接影响工程结构的安全,如何控制工程施工质量已引起业内人士的重视。

随着中国国民经济发展和人口城市化进程加快,我国高层建筑建设持续空前发展。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。中国已成为第一产钢大国,钢结构住宅适宜工厂大批量生产,工业化、商品化程度高,可以将设计、生产、施工、安装一体化,提高建筑产业化水平。钢结构应用于高层建筑已有数十年的历史。首先采用钢结构建造高层建筑的是美国,战后经过经济恢复,高层钢结构工程建设再度兴起,随着炼钢技术和成型制造工艺的发展,给钢结构工程的应用带来新的活力:工程建设日益增加,相应又推动了钢结构设计与施工技术的不断进步积完善。现对超高层钢结构施工技术进行简要总结。超高层钢结构施工技术主要包含如下几方面内容:(1)做好施工前的准备工作;(2)塔吊的选择与布置;(3)严格原材料;(4)钢构件验收;(5)螺栓安装;(6)钢柱安装;(7)焊接;(8)门窗工程安装。

一、做好施工前的准备工作

首先是强化施工图纸的会审工作,图纸是工程施工的依据,工程开工前项目监理机构要组织监理人员熟悉工程图纸与项目有关的规范标准、工艺技术条件,充分领会设计意图。同时,要组织施工单位专业技术人员对图纸进行会审,检查施工图纸中的“错、漏、碰、缺”,力争把问题解决在施工之前,减少因图纸问题对工程质量、进度的影响。其次是认真审查钢结构安装施工组织设计,施工组织设计是施工单位全面指导工程实施的技术性文件,施工组织设计的完善程度直接影响工程的质量、进度。因此,钢结构安装工程施工组织设计审查要针对性和重点,主要内容有:①质量保证体系和技术管理体系的建立;②特殊工种的培训合格证和上岗证;③新工艺的应用;④对工程项目的针对性;⑤质量、进度控制的措施和方法;⑥施工计划(工期)的安排。

二、塔吊的选择与布置

塔吊是超高层钢结构工程施工的核心设备,其选择与布置要根据建筑物的布置、现场条件及钢结构的重量等因素综合考虑,并保证装拆的安全、方便、可靠。在塔吊的选择上应优先考虑内爬式塔吊,因为钢结构建筑采用内爬式塔吊不需要对楼层进行加固,并且在起重机布设位置上有较大的自由度。另一方面,采用内爬式塔吊进行钢结构高层建筑吊装施工,对塔吊起重能力和幅度要求不像采用附着式塔吊那样苛刻。从经济上考虑,为节约成本,优先选用内爬式塔吊进行钢结构超高层建筑的施工。

三、严格原材料

钢结构有很多优点,但其缺点是导热系数大,耐火性差。随着冶金技术的提高,耐火钢的研究成功并投入生产,为钢结构的进一步发展创造了条件。在选择中,首先钢筋的质量证明文件应齐全有效,且进场检验应符合规范和设计要求。连接套筒应有出厂合格证,材料一般为低合金钢、优质碳素结构钢,其设计抗拉承载力标准值应不小于被连接钢筋的受拉承载力标准值的1.2倍,套筒长为钢筋直径的二倍。

四、钢构件验收

钢构件住进入安装现场后,由专业质量检测人员对构件的质量进行检杏。弹出钢柱的安装轴线,若发现在运输过程中钢构件发生变形缺陷后,马上进行矫正和处理。同时还需要对构件纵横两个方向的安装中心线进行验收,对中心线不清晰的要重新弹上安装线。

五、螺栓安装

钢结构工程中螺栓连接一般用高强螺栓和普通螺栓,普通螺栓连接,每个螺栓一端不得垫2个以上垫片,螺栓孔不得用气割扩孔,螺栓拧紧后外露螺纹不得少于2个螺距;高强螺栓使用前我们检查螺栓的合格证和复试单,安装过程中板叠接触面应平整,接触面必须大干75%,边缘缝隙不得大干0.8mm,高强螺栓应自由穿入,不得敲打和扩孔;高强螺栓不得作为临时安装螺栓,螺栓拧紧应按一个方向施拧,当天安装的应终拧完毕,终拧完毕应逐个检查,对欠拧、超拧的应进行补拧或更换。

六、钢柱安装

按结构平面形式分区段绘制吊装图,吊装分区先后次序为:先安装整体框架梁柱结构后楼板结构,平面从中央向四周扩展,先柱后梁、先主梁后次梁吊装,使每日完成的工作量可形成一个空问构架,以保证其刚度,提高抗风稳定性和安全性。为了便于调整柱的垂商度,在预埋螺栓上先拧上数个螺母全部拧到接触基础面,并用水平仪找平后,开始吊装钢柱。吊装钢柱时,为了防止意外事故出现,在柱的上端活系两根缆风绳,可以从多个方向临时固定,也可用来调整垂直度。测量校正,钢柱吊装就位后,用两台经纬仪和水平仪对钢柱进行测控,微调通过调整柱底脚板下的螺母来实现。七、焊接

钢结构使焊前,对焊条的合格证进行检查,按说明书要求使用,焊缝表面不得有裂纹、焊瘤,一、二焊缝不得有气孔、夹渣、弧坑裂纹,一级焊缝不得有咬边、未满焊等缺陷,一、二级焊缝按要求进行无损检测,在规定的焊缝及部位要检查焊工的钢印。原则是采用结构对称、节点对称、全方位对称焊接。多层焊接宜连续施焊,每一层焊道焊完后应及时清理检查,清除缺陷后再焊。焊接接头要求熔透焊的对接和角接焊缝多层梁柱焊接时,应根据安装情况先焊顶层柱与梁节点,其次焊底部柱与梁节点,最后焊中间部分的柱与梁节点。在焊接顶层梓与梁节点时,应先焊梓顶垂直偏差较大的部位,以利用焊接后收缩变形应力达到减少柱顶垂直偏差。焊接顺序宜从中间轴线柱向四周扩散施焊。

八、门窗工程安装

钢窗安装质量的控制重点有两点,一是,钢窗进场合格证、产品试验报告及外观的检查。二是,钢窗和固定钢窗的立柱之间的间隙控制。先施工固定钢窗的立柱,有可能出现钢窗与立柱之间缝隙过大或钢窗安不上。我们在控制过程中,要求施工单位先固定钢窗一边的立柱,待钢窗完全固定就位后,再焊接另一边的立柱,这样保证钢窗与立柱之间无缝隙。

总之,我国正在大力发展钢结构高层民用建筑,我们应及时组织考察总结已建成的钢结构住宅工程的经验,满足住宅在适用性能、环境性能、经济性能、安全性能、耐久性能方面的综合要求,形成完善的建筑体系。但愿我国的钢结构高层民用建筑能够经得住历史的考验。

参考文献:

[1]杨鹏宇,钢结构高强螺栓连接施工[J].山西建筑,2006,32(16):140-141.

[2]郝燕春,大型钢网架安装技术[J].山西建筑,2007,33(10):195-196.

[3]魏明钟,钢结构[M].武汉,武汉工业大学出版社,2002.

[4]沈祖炎,钢结构基本原理[M].北京,中国建筑工业出版社,2004.

[5]JGB-50017,钢结构设计规范[S].北京,中国建筑工业出版社,2004.

钢结构论文范文篇7

关键词:稳定性钢结构体系可靠性不确定因素

一、钢结构体系稳定性研究现状

(一)钢结构体系稳定性研究现状

近二三十年来,高强度钢材的使用,施工技术的发展以及电子计算机的应用使钢结构体系的发展和广泛应用成为可能。钢结构体系的稳定性一直是国内外学者们关注的研究领域。经过几十年的研究,已取得不少研究成果。

迄今为止,对钢结构基本构件的理论问题的研究已较多,基于各种数值分析的稳定分析已较成熟[1]。但对构件整体稳定和局部稳定的相互作用的理论和设计应用上还有待进行深入的研究。由于结构失稳是网壳结构破坏的重要原因,所以网壳结构的稳定性是一个非常重要的问题,正确的进行网壳结构尤其是单层网壳结构的稳定性分析与设计是保证网壳的安全性的关键。自六十年代以来,网壳结构的非线性稳定性分析一直是国内外学者们注意的焦点。英、美、德、意大利、澳大利亚、罗马尼亚、波兰等国的研究人员进行了多方面的理论方面的理论分析和研究。各种方法如牛顿-拉斐逊迭代法、弧长法、广义逆法、人工弹簧法、自动求解技术、能量平衡技术等使跟踪屈服问题全过程,得到结构的下降段曲线成为可能[2]。国内学者关于网壳结构稳定性也进行了大量研究。文献[3]在国外研究的基础上,通过精确化的理论表达式、合理的路径平衡跟踪技术及迭代策略,实现了复杂结构体系的几何非线性全过程分析,取得了规律性的成果。同时利用随机缺陷模态法和一致缺陷模态法两种方法,对网壳结构各种初始缺陷的影响进行研究,较好地描述了结构的实际承载过程。也有一些学者进行了实验方面的研究[4]-[6],对不同分析方法的有效性和精确性进行了说明。文献[7]对网壳结构的动力失稳机理、稳定准则、动力后屈曲等问题进行了研究。对于象网壳结构这类缺陷性敏感结构在强风和地震作用下的动力稳定性研究,由于涉及稳定理论和震动理论,所以难度较大,目前研究成果还很有限。文献[8]也对空间结构的动力稳定问题进行了研究。

大跨度网架拱结构作为一种新的大跨度结构,其稳定性方面的研究成果很少。文献[9]采用非线性有限元理论对大跨度网架拱结构的稳定性进行了全过程跟踪,得出一些具有实际应用价值的结论。斜拉空间网格结构是一种新型的杂交空间结构,目前对其研究的深度和广度还很有限。文献[10]指出斜拉单层网壳的稳定性需要进一步研究。已有研究将网架结构对柱子的支撑作用及网架结构对斜拉索在网架结构平面的约束简化为等效弹簧,对柱子的稳定性进行了研究,得出了一些有益的结论[11]。预张拉结构体系也是目前应用越来越多的一种新型结构体系[12]-[16]。这种体系的系统理论研究在很大程度上滞后于实际应用,特别是预张拉结构体系的稳定性的研究未引起足够重视,研究成果还十分有限。文献[12][13]对预张拉结构体系的初始平衡状态的稳定性必须引起足够的重视,预应力索结构体系在工作状态外荷载的作用下也可能发生失稳破坏,并对实际设计计算提出了两种方法-直接验算法和稳定设计法,结构的体系性质和结构稳定性判定方法进行了研究,为进一步研究提供了一些理论指导。

另外,也有学者从整体稳定的角度对钢框架结构的稳定问题进行了研究,得出了一些有益的结论[17]-[19]。

(二)钢结构体系稳定性研究中存在的问题

钢结构体系稳定性研究虽然取得了一定的进展,但也存在一些不容忽视的问题:

1)目前在网壳结构稳定性的研究中,梁-柱单元理论已成为主要的研究工具。但梁-柱单元是否能真实反映网壳结构的受力状态还很难说,虽然有学者对梁-柱单元进行过修正[3]。主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效应。

2)在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关系也是一个值得探讨的问题,目前大跨度结构设计中取一个统一的稳定安全系数,未反映整体稳定与局部稳定的关联性。

3)预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善,目前还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的稳定性。

4)钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影响,目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围,而在实际工程中,由于结构参数的不确定性,会引起结构响应的显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究文献[20][21]曾对考虑随机参数的穹顶网壳的稳定问题进行过有益的研究。

二、钢结构体系稳定问题的可靠性研究

实际结构由于存在各种各样的随机缺陷的影响,与理想结构存在差异。对于缺陷敏感性结构,缺陷可能会造成结构稳定性的急剧下降,所以有必要考虑随机参数的影响,引入可靠度分析方法,进行稳定问题的可靠性研究。由于大跨度钢结构体系的可靠性研究涉及较多的力学和数学的知识,有一定难度,目前这方面的研究成果有限。文献[2]曾对网壳结构的稳定性的可靠性分析和设计进行了详尽的研究、丰富了结构可靠度的理论和计算方法,并将其应用于工程结构的分析和设计,显示了良好的前景。

(一)结构分析中的不确定性因素来源

影响刚结构体系稳定性的不确定性的基本变量许多是随机的,一般分为三类:

1)物理、几何不确定性:如材料(弹性模量,屈服应力,泊松比等)、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等。

2)统计的不确定性:在统计与稳定性有关的物理量和几何量时,总是根据有限样本来选择概率密度分布函数,因此带来一定的经验性。这种不确定性称为统计的不确定性,是由于缺乏信息造成的。

3)模型的不确定性:为了对结构进行分析,所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素,所导致的理论值与实际承载力的差异,都归结为模型的不确定性。

(二)结构的可靠性研究

国内外学者对结构可靠度理论已经进行了较为深入的研究,在可靠度计算方法及复杂结构可靠度分析方面取得了很多研究成果[22]-[39]。

任何工程分析和设计的最终目的是使设计的结构在不同要求下满足不同的功能-安全性、使用性、耐久性由于不确定性的存在,就需要把这些不确定性加入工程设计中,从而产生了很多可靠度方法。为了估计结构可靠度,首先要解决相关荷载和抵抗力参数以及它们之间的函数关系,这种关系(又称功能函数)记作式中X1,X2,…,Xn是随机变量。把极限状态(或失效面)定义为Z0,则描述可靠度的参数可靠性指标定义为坐标原点到失效面的最小距离目前用于可靠性指标计算一般有两种方法:一次可靠度方法(FORM)和二次可靠度方法(SORM)。

(三)目前用于结构可靠度分析的数值方法评述

对于复杂结构,功能函数g(x)通常不能明确表达为输入随机变量的函数,结构的响应通常通过数值方法(如有限元)来计算。这些数值方法一般分为三类:(1)蒙特卡罗模拟法(MonteCarloSimulation)[34](包括高效的取样法和方差缩减技术);(2)响应面法(ResponseSurfaceMethod)[31][32])基于敏感性的分析方法(Sensitivity-basedApproach)[30]。

1)蒙特卡罗模拟法(MonteCarloSimulation)

蒙特卡罗模拟法的基本思想是在进行每一次确定性分析之前随机产生一组输入变量,大量重复的进行确定性分析之后,对结构的响应输出参数进行统计分析,计算出结构的可靠性。把蒙特卡罗模拟法与有限元法结合起来,就得到蒙特卡罗有限元法。通常把蒙特卡罗有限元法作为可靠度计算的相对精确解,但要达到较高的精度,必须取足够的样本数,因此计算工作量相当浩大。

2)响应面法(ResponseSurfaceMethod)

响应面法的基本思想是通过近似构造一个具有明确表达形式的多项式来表达隐式功能函数g(X)(一次或二次多项式),其中X是包含所有荷载和抗力的随机变量的一个向量。本质上来说,响应面法是一套统计方法,用这种方法来寻找考虑了输入变量值的变异或不确定性之后的响应最佳值。而失效概率通过一次或二次可靠度方法计算。在响应面法中,对于一个具有大量随机变量的问题来说,准确构造一个近似多项式的所需的确定性分析是相当巨大的,因此这种方法很耗时。即使对于一个具有少量随机变量的问题来说,响应面法对可靠度估计的准确性与功能函数的近似多项式的准确性有关。如果隐含型的功能函数具有很强的非线性,这种函数逼近是非常近似的,可靠度估计也是非常近似的。

3)基于敏感性的分析方法(Sensitivity-basedApproach)

基于敏感性的分析法和一次可靠度方法(FORM)/二次可靠度方法(SORM)结合起来分析具有隐式型的功能函数的可靠性问题,能克服蒙特卡罗模拟法和响应面法的缺点。这种方法在寻找控制点(也叫最小距离点)过程中,每一步迭代所使用的信息都是功能函数的真实值和真实梯度,并使用优化方法使控制点收敛于最小距离点,同蒙特卡罗模拟法和响应面法相比,它耗时小,也比响应面法更准确。另外,基于敏感性的分析方法能够从设计的角度知道结构响应对基本随机变量的敏感性。从而有可能基于随机变量的不确定性和它们对结构特性的影响得出不同随机变量的不同设计安全系数。基于敏感性的分析方法也可以在不影响计算准确性的条件下,忽略那些对结构可靠性影响不大的随机变量,从而节省计算时间。基于敏感性的分析方法中可以使用迭代摄动分析技术,并和有限元法结合起来产生所谓的随机有限元法(StochasticFiniteElementMethod)。这种使用迭代摄动技术的随机有限元法可用来进行结构的非线性分析。

钢结构论文范文篇8

关键词:钢结构住宅

1、引言

钢结构应用于高层建筑已有数十年的历史。首先采用钢结构建造高层建筑的是美国,战后经过经济恢复,高层钢结构工程建设再度兴起,随着炼钢技术和成型制造工艺的发展,给钢结构工程的应用带来新的活力,工程建设日益增加,相应又推动了钢结构设计与施工技术的不断进步积完善,特别是1960年以来,高层钢结构工程迅速发展,钢结构已成为高层建筑设计选型的主要对象。

随着中国国民经济发展和人口城市化进程加快,我国住宅建设持续空前发展,人们的居住条件逐步提高,并对居住质量的要求也越来越高。中国已成为第一产钢大国钢结构住宅适宜工厂大批量生产,工业化、商品化程度高,可以将设计、生产、施工、安装一体化,提高住宅产业化水平。由于上述优势,钢结构在住宅市场必将有良好的发展前景。

通过百花小区1#楼高层住宅钢结构体系的应用研究,更好地提高钢结构体系在住宅产业当中的应用技术,推动国内钢结构在房地产业中的采用,为钢结构体系的发展做出贡献

2、工程概况

百花小区1#商住楼位于济南市高新技术产业开发建设总公司建设的百花小区内,建筑面积为3.3万平方米,地下一层,地上26层(其中地下为立体式车库,1~3层为公建,4层以上为住宅楼)。承重框架为箱形截面柱及H型梁,柱采用马钢生产的Q345B型钢车间加工制作。内、外墙板采用南京产ALC(蒸压轻质加气混凝土板),外墙直接在ALC板刷涂料。公建部分外窗采用无框窗;住宅外窗采用60系列PVC塑钢窗,中空玻璃。楼面为现浇混凝土现场浇筑,屋面采用PVC卷材防水聚乙脂发泡保温屋面。住宅内水电均走暗线,与梁交叉处走梁腹板预留孔。水、电分户计量,宽带入户。采暖用进口美国原装金玛克电暖器。室内精装修,空间大,效果好,充分体现了钢结构的结构优势。

3、主要施工方法

3.1钢结构加工制作箱型柱采用钢板,在钢构件加工车间加工、钢结构构件的除锈、焊接完成。

3.1.1箱型柱制作工艺

1)钢板拼接

由于每段柱高在12米以下,为保证下料后钢板的直线度,首先将两块钢板拼接。钢板两端开坡口。

2)划线下料

按排料图划线,划线宽度方向留余量3mm,长度方向留余量50mm。中间隔板划线不留余量。

长度方向沿划线每隔5m钻Φ8mm孔。

用两台半自动切割机(或双头)沿划线中心同时切割,每隔5米留100mm不切割,待冷却后再切割。

3)组装焊接

用H型钢作临时组装平台,组装前用水准仪将平台找平并将H型垫实固定。在两腹板上划组装线,组装焊接衬板。

定位焊。在衬板内侧每隔300mm焊10-20mm焊缝。

将一腹板与隔板组对,定位焊。

组对两盖板。定位焊。

组装腹板,定位焊。

用三根同尺寸的箱体并排,并两点焊。用两边箱体作自动焊机轨道用。

焊接:用两台埋弧自动焊沿同一方向焊接两条焊缝。焊缝两端加100mm引弧板和熄弧焊。

焊完一层后将箱体翻身,焊接另一面两条焊缝。焊接方法同上。待焊接完毕后再翻身施焊另一面两条焊缝。

焊接完毕,即将引熄弧板在离母材5mm处切断,并用砂轮机修磨平整,切不可用锤击落;并修磨后的切割面进行检查。

焊缝无损检测,使用超声波探伤。探伤长度为每条焊缝的20%,按JB11345的规定不低于Ⅱ级。

3.1.2、梁及连接板加工及组焊

1)下料

型钢采用型钢切割机下料,钢板采用半自动切割机下料,下料后应进行清渣修磨,编号归类放置;

2)钻孔

先在构件上用划针和钢尺划出孔的中心和直径,在孔的四周(90°位置)打四只冲孔,钻孔后检查;

3)高强度螺栓摩擦面处理

喷砂处理高强度螺栓摩擦面的表面粗糙度:喷砂压力约6Kg/cm2,石英砂的粒度1.5∽4mm,加工后的钢材表面呈现灰白色;

用电动砂轮机打磨钢板的表面,砂轮打磨的方向与受力方向垂直,打磨范围不应小于4倍螺栓直径,打磨时不应在钢材表面磨出明显的凹坑;

3.2钢结构安装

3.2.1箱型柱安装:箱型柱在实际施工过程中按照材料采购、加工、运输、吊装、连接(加固)工艺完成。所有钢结构制品,在刷防锈油漆前,必须将构件表面的毛刺、铁锈、油污及附着物清除干净。手工除锈达到St2,机械除锈达到Sa2。本工程四层以下裙楼立柱为48根,主楼立柱为37根。立柱单根最短4.5米,最长12.5米。截面形状为箱形。单根立柱最大设计重量为3.5吨,最小设计重量为1.88吨。剪力墙框架立柱为150*150H型钢。吊装顺序采用由中心向四周扩展的原则,以保证安装过程中框架的对称性和稳定性。立柱安装吊装采用QTZ-80型塔式起重机,利用柱顶临时设计连接耳板为吊装吊点进行吊装。立柱连接采用临时连接板和临时螺栓进行连接,形成稳定的单元框架后调整焊接及UT检测。

3.2.2钢梁安装钢梁的安装分主梁、次梁和外挑梁的安装;主梁材质为Q345B轧制H型钢。主梁在立柱形成单元后采用捆绑串吊施工,根据该工程的设计特点吊装数量2~4根;次梁和剪力墙框架梁由于空间和接点的实际情况,一般采用单根吊装。

3.2.3高强螺栓安装高强螺栓是目前建筑钢结构最先进的连接方法之一。它的特点是施工方便,可拆可换,传力均匀。根据本工程的设计方案高强螺栓采用摩擦型连接。紧固办法采用专用棘轮扳手和扭矩扳手经初拧和终拧完成。

3.2.4.栓钉焊接栓钉焊接是高层钢结构施工中不可缺少的一个环节,常见的栓钉焊接分为直接焊接在钢梁上和穿过压型钢板后焊接在钢梁上两种方式。本工程采用直接焊接在钢梁上。

3.3混凝土施工

本工程中混凝土部分主要是核心筒筒壁和现浇混凝土楼面两个部分。混凝土的运输。混凝土竖向运输主要通过砼泵泵送。楼面模板支撑方案,根据本工程的结构特点,利用H型梁下翼缘支撑小规格H型钢,在H型钢上铺设竹胶板、钢筋。箱型柱内浇混凝土采用顶升法,利用混凝土泵的压力将混凝土由下向上压入箱型柱。在混凝土顶升前,会同设计方对顶升入口处的管壁进行详细、严格的强度验算,确保顶升压力在要求的强度范围内,同时在柱下部侧壁安装特种压力表,随时观测柱内混凝土的压强变化。另外,对顶升用混凝土的配合比要严格要求,保证混凝土的坍落度不小于200MM。

3.4外墙板安装

外墙板采用南京旭建产175MM厚度ALC板。该板材全部采用工厂化加工,运输到现场吊装,吊装设备为塔吊。外墙墙板共计约9780块,其中TU平板4600多块,TU艺术板5180块。按照厂家提供图集施工,由墙板内侧膨胀螺栓固定在楼面的通长角钢和ALC板上的专用联结杆连接,缝隙用嵌缝砂浆和密封胶密封。于床连接处在窗四周另加角钢。

3.5内墙板安装

内墙板均采用南京产C型125厚度ALC板。工厂化生产,现场安装。施工工艺简单,不受天气等情况的制约。内墙的安装基本与外墙类似。卫生间、厨房等部位的墙板采用特殊PVC密封胶。

4、主要的技术成果

1)、箱型砼柱

箱型柱-砼柱是在箱型柱内灌注高强度(C50)等级砼,在箱型柱中间内部加隔板支撑,形成两种材料相辅相成共同工作的机理,解决了在荷载作用下,强度尚未达到极限时率先发生变形过大的问题。它具有承载力高、抗震性能好、施工简捷的特点,一般每四层(每节长12米左右)为一个制作安装单元,整根钢管柱一次吊装就位,为主体结构安装创造了流水作业的条件。箱型柱-砼外包防火板后,钢管混凝土柱耐火极限大于三小时,满足高层建筑的防火要求。

H型梁的加工,栓钉的焊接,采用合理的工艺,尽量减少由于焊接产生的残余应力,并采用合理的手段校正误差。

高强螺栓的型号,高强螺栓的接触面要求先用砂轮打磨,打磨方向与构件受力方向垂直,安装时用钢丝刷清除浮锈,并根据规范做摩擦面的抗滑移系数试验,要求抗滑移系数不得小于0.35。

2)、H型梁

H型钢梁均采用轧制H型钢,其变形能力强,抗震性能好,承载力高。H型钢梁外刷防腐漆、外包防火板,解决了钢结构的防腐、防火问题。施工时钢梁有较大的承载力,可大大节省模板工作量。所用梁均在工厂加工,后运输到县现场吊装,大大减少了现场的工作量,缩短了工程工期。

3)、抗侧力支撑砼筒结构

电梯、楼梯位置形成钢筋混凝土核心筒,作为剪力墙抗侧力支撑,提高了结构稳定性,对于优化抗侧刚度,改善抗震性能起到了积极的作用。

4)、现浇钢筋混凝土楼盖

利用钢框架梁下翼缘作为支模板材撑,上铺竹胶板,再按设计铺设钢筋,浇筑C30混凝土。节省模板材,缩短施工工期。

5)、节能型复合外墙板

墙板尤其是外墙板从某种意义上讲,它比结构体系更为重要。因为住宅建筑的主要功能是靠外墙板实现的。工程采用的复合外墙板是列为“国家住宅建设推荐产品”的南京旭建蒸压轻质加气混凝土(ALC)板,该墙板由加气混凝土与钢筋龙骨组合而成。墙板工厂化预制生产,现场安装,基本取消了湿作业。加工尺寸精确,施工快速,简单,大大缩短了施工周期;由于质轻并有相当的强度,可简化工程基础;优良的保温性能可减少墙身厚度,增大建筑的使用面积。同时在地震中大大降低建筑的破坏程度,减少灾害造成的损失。墙板板缝的抗渗、墙板的防火也都满足国家相应标准的要求。

ALC板的主要性能:

1、轻质:比重为0.5,为混凝土的1/5,空心砖的1/3。减轻建筑的自重,减少了经济投入,提高了施工质量。

2、隔热性:导热系数为:0.11W/m·k。

3、耐火性:耐火极限达到4小时。

4、隔音性:有隔音与吸音双重性能。

5、承载能力和抗震性能优越。

6、绿色环保,无放射性。

ALC板的施工安装便捷,板材完全机械化生产,精度高,可按现场需要切割成任何形状,施工工艺简单,劳动强度低,解决了传统的砌块施工中的一系列施工质量问题,施工工期可可缩短三分之一,大大提高了施工效率。

6)、高层住宅钢结构体系节能采暖方式的研究;

节能住宅在大的方面上能够节约能源,保护环境;在小的方面上可以为业主节省生活成本。据有关调查表明:随着人们对节能住宅的认识,有超过七成的人愿意购买节能住宅。因此在本工程中,也充分考虑了节能技术的应用:

首先,在设计上充分减少建筑墙体、屋面、窗体等部位的热传导。采用建筑低能耗围护结构设计方案,使用新型低能耗的围护材料。一至三层裙房外墙墙体采用200厚加气混凝土砌块,四层及以上住宅外墙采用175MM厚节能墙板。新建屋面在防水卷材上铺设膨胀珍珠岩,增加了屋面的保温效果。外窗除裙房办公区安装无框落地玻璃外,其他均采用PVC系列塑钢窗,其物理性能达到A类,中空玻璃内腔气体层厚度不小于12MM。热水系统采用太阳能集中供热系统。减少投资,同时保护了环境。本工程的采暖除裙房部分外均为电暖采暖方式,踢脚线安装型玛克尔智能温控电暖气。电采暖的特点是:环保无噪音、无污染,不产生废气,同时热效率高,热转化率能达到99%。

其次在建材的采购上,严格控制质量,确保严格按照设计要求使用建材。

环保节能在施工工艺上也充分考虑。本工程的钢管混凝土柱的浇筑,采用新型泵压顶升技术,很少振捣甚至不用振捣,混凝土达到了设计要求,减少因振捣而引起的噪声污染,同时此工艺减少了混凝土的浪费,大大减少了建筑垃圾的产生;钢结构梁柱的采用,减少了截面积,节省了模板材的使用,节省资源的同时保护了环境;墙板安装采用焊接或螺栓连接方式,在钢结构柱和梁上焊接预埋件,用专用连接钢筋和钢板(螺栓)固定,与结构梁或柱结合处缝隙专用密封膏密封。墙板安装工艺基本取消了现场湿作业。

本工程在节能环保及采暖方面改变了建筑保温隔热单一节能的技术观念,结合了太阳能开发及利用新型电能采暖技术,同时在施工时采用减少湿作业量的施工工艺,保护环境在开发新能源和节约使用能源上具有超前意识,为环保节能在住宅产业的采用起到了推动作用。

钢结构论文范文篇9

关键词:钢结构住宅;优越性;设计原则;发展

近年来,随着城市建设的发展和高层建筑的增多,我国钢结构发展十分迅速,钢结构住宅作为一种绿色环保建筑,已被建设部列为重点推广项目。特别是在我国大中城市中,人多、土地资源少,而人们对住宅密度、环境绿地等要求越来越高的情况下,较大范围应用钢结构住宅,是我国生产发展到一定阶段的必然产物。

据资料显示:2002年3月,一座高达18层、采用H型钢建造的钢结构住宅楼在安徽省马鞍山市动工建设。它是我国住宅产业从钢筋混凝土跨进钢结构模式的重要标志。上海同时有6幢钢结构高层住宅在建设,最终他们将建到100米、34层,这在国内还是首次。北京住宅也启用了钢结构,位于朝阳区十里堡的晨光家园B区,全部采用H型钢钢梁、钢柱。2002年9月开盘的北京金宸公寓,填补了国内高层住宅钢结构体系建筑的空白,同时也标志着我国住宅的开发和建设已步入了全新的钢结构住宅体系时代。

一、钢结构住宅体系

住房的建筑形式和风格千差万别,但就结构体系(支撑骨架)而言,只有砖混结构,木结构、钢筋混凝土结构和钢结构等几种主要的结构形式。随着国家对环境保护意识的认识不断加深,对木材和粘土已经提出限制、限时使用,现阶段我国住宅建筑的主要结构形式主要以钢筋混凝土框架为主,但该结构施工烦琐、施工垃圾多且结构自重大,进深和开间相对较小,梁、柱粗大,空间利用率较低,这些缺点在一定程度上无法满足条件越来越高的住宅建筑的功能要求。因此,开发坚固耐久,建造迅速,空间布置灵活,易于改建的新型住宅结构体系,成为住宅建筑和结构发展的重要趋势。随着我国钢产量的快速增长及新型建材的发展和应用,符合上述要求的钢结构住宅体系逐步发展起来并引起了广泛的关注。

所谓的钢结构住宅体系就是指由维护墙体、隔断墙体、楼板与主体钢结构共同组成的住宅体系。住宅钢结构是指纯钢结构(钢框架或框架—支撑)体系,介于高层钢结构(钢框架或钢框架—混凝土剪力墙)体系与冷弯薄壁型钢结构(Z、C等轻型钢结构)体系之间的多层钢结构住宅体系。

二、现代钢结构的建筑特点

(一)预工程化程度高,建设成本降低,工期缩短

钢结构建筑模数协调统一标准实现了建筑工业化大规模生产,提高了建筑预工程化,使不同材料、不同形状和不同制造方法的建筑构配件具有一定的通用性和互换性。同时钢结构建筑的预工程化使材料加工和安装一体化,大大降低了建设成本;并且加快了施工速度,使工期能够缩短40%以上,从而加快了房地产开发商的资金周转速度,使建筑能更早投入使用。

(二)建筑与结构的设计与功能一体化,使建筑更富有功能化

在钢结构建筑中,结构成为形象构成的重要因素,结构的形体,构件,节点从很大程度上导致并制约着建筑的形象。建筑与结构的设计与功能只有做到一体化,才能使建筑更富有功能化并创造出技术与艺术融为一体的钢结构建筑。北京2008年奥运会国家体育场投标方案中有许多方案都体现了钢结构建筑的这一特点。例如清华大学建筑设计院设计的可开合式方案,在体育场大屋面的中央设置两个半圆型的玻璃顶面,同时相对旋转、平行滑动完成大屋面的开合;又如中国建设设计研究院场馆方案外观即为建筑的结构,形象完美纯净,功能与结构达到了完美的统一;还有日本朱式会设建筑事务所设计的折叠式方案,屋顶由悬臂的钢架结构支撑,可在30分钟内完成开闭的动作,确保全年比赛及活动不受天气影响。

(三)能够满足超高度和超跨度的要求

钢材组织均匀,接近于各向同性匀质体,强度高,弹性模量亦高。其密度与强度的比值远小于砖石,混凝土,木材,在同样受力情况下钢结构自重小,从而可以做成跨度较大和高度较高的结构以及灵活的结构形体。现在人类已具有建造跨度超过1000米的超大穹顶与高度超过1000米最高至4000米的超高层建筑的能力。并且钢索与膜结构相结合形成索膜结构体系更能满足建筑对跨度的要求,使这在型建筑成为樗性建筑,比如日本东京后园棒球场屋盖是钢索与气承膜组成的索膜结构,面积达28000平方米,英国政府为迎接21世纪而兴建的樗性建筑伦敦千年穹顶大型综合性展览建筑也是索膜结构体系,其穹顶直径达到320m。

(四)原材料可以循环使用,有助于环保和可持续发展

发展钢结构对于资源,能源都非常短缺的我国意义尤为重大,因为中国是世界上最大的砖砌体建筑与混凝土建筑大国。钢材是一种高强度高效能的材料,具有很高的再循环价值,边角料也有价值,不需要制模施工。目前国际上引人瞩目的新型住宅品引入我国,其环保节能的特点主要体现在两个方面:

1、该类型住宅采用全封闭式保温隔热防潮系统,温度变化小,热损失低。不论冬夏,都具有舒适当居住环境。室外零摄氏度时,室内仍可以保持17摄氏度以上;以室外温度达到30摄氏度的情况下,室内温度仅为21摄氏度左右。

2、与砖混结构住宅相比,可节能60%以上,冬夏季空调设备可节约耗电30%以上,结构的废旧利用为100%,与砖混结构比较,同样楼层净高条件下,钢结构维护墙体面积小,节约空调所需能源,减小维护费用。

三、钢结构住宅设计的原则及问题对策

(一)钢结构稳定设计的探讨

稳定性是钢结构的一个突出问题。在各种类型的钢结构中,都会遇到稳定问题。对于这个问题处理不好,将会造成不应有的损失。现代工程史上不乏因失稳而造成的钢结构事故。在我国1988年曾发生13.2×17.99m网架因腹面杆稳定位不足而在施工过程中塌落的事故。因此稳定性钢结构设计中的主要问题,一旦出现钢结构的失稳事故,不但会造成经济严重损失,而且会造成人员的伤亡,所以我们在钢结构设计中一定要把握好稳定设计这一关。目前,钢结构中出现过的失稳事故都是由于设计者的经验不足,对结构及构件的稳定缺少明确概念,造成一般性结构设计中存在稳定设计的薄弱环节。另一方面是由于新型结构的出现,如空间网架,网壳结构等,设计者对其如何设计还没完全的了解。

(二)钢结构建筑设计的原则

针对钢结构建筑稳定问题,在实际设计中,我们必须遵循以下三个原则:

1、结构整体布局必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求。目前结构大多数是按照平面体系来设计的,如桁架和框架都是如此。为保证这些平面结构不致出平面失稳,需要从结构整体布置来解决,亦即设计必要的支撑构件。这就是说,平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布局相一致。

2、结构计算简图和计算方法所依据的简图相一致,这对框架结构的稳定计算十分重要。目前在设计单层和多层框架结构时,经常不作框架稳定分析而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时,计算框架稳定时用到的柱计算长度系数,自应通过框架整体稳定分析得出,才能使柱稳定计算等效力框架稳定计算。然而,实际框架多种多样,而设计中为了简化计算工作,需要设定一些典型条件。

3、设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合,使二者有一致性。结构计算和构造设计相符合,一直是结构设计中大家都注意的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接,应分别赋予它足够的刚度和柔度,对框架节点应尽量减少杆件偏心,这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。但是,当涉及稳定性能时,构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如,简支梁就抗弯强度来说,对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移,同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转,同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲,以符合稳定分析所采取的边界条件。

(三)钢结构住宅设计中应注意的问题及对策

1、钢结构住宅建筑要以建设计为主导,其他专业紧密互动配合。钢结构住宅建筑除要遵循住宅建筑设计一般原则外、要注重解决:

(1)如何发挥钢结构的优势?梁跨度可增大、开间更灵活、为住户创造更大的空间。但又如何避免钢结构带来的建筑平、立面单调呆板。

(2)要解决钢结构住宅建筑防火、防腐蚀问题。特别是在多雨的地区,防腐、防锈工作处理的好坏直接影响到钢结构住宅的推广。

2、选择和开发外墙板,是钢结构住宅建筑推广中的关键问题之一。除满足外墙板的各项技术要求外,还要做到墙板原材料因地之宜、工作化生产、运输、安装连接方便。

3、钢结构要做到安全合理、节点构造方便可靠、并为构件制作、运输、吊装创造条件。

结构抗震性能与结构布局规则性有很大关系。结构布局不规则,地震时易损坏,而且除弹性设计外还要作弹塑性层间位移验算。因此应尽量使结构布置符合规则性要求。

住宅钢结构的平面布局应力求规则、对称。住宅钢结构常见的布局不规则,主要是平面不规则。如平面形状不规则,L形等,特别是支撑剪力墙偏置,明显不对称等。若楼层的最大弹性水平位移超过质心水平位移的1.2倍,就属于平面不规则,此时需对支撑剪力墙的配置进行调整。

4、建筑设备与钢结构住宅配合,是住户首先遇到的问题。因此如何采用先进的技术来开发适合于钢结构住宅的各项设备是我们必须要解决的问题。

5、钢结构住宅的造价是房地产开发商最关心的问题。钢结构住宅应定位于中、高档住宅,钢结构住宅建筑是一项系统工程,应从设计、制造、运输、安装、维修和管理等环节着手加强管理和协调,从而达到降低成本,提高综合经济效益的目的。

四、钢结构住宅发展前景

住宅产业化是我国住宅业发展的必由之路,因为这将成为推动我国经济发展新的增长点。钢结构住宅体系易于实现工业化生产,标准化制作,而与之相配套的墙体材料可以采用节能、环保的新型材料,它属绿色环保性建筑,可再生重复利用,符合可持续发展的战略,因此钢结构体系住宅成套技术的研究成果必将大大促进住宅产业化的快速发展,直接影响着我国住宅产业的发展水平和前途。

钢结构建筑的科技含量很高,结构本身往往就是建筑表现,钢结构的表现与工艺不仅是实现形象构思的必要手段,而且对建筑形象的影响极为显著,这就决定了结构构思是形象构思成功与否的关键所在。科学技术的进步,审美观的改变必然使得钢结构建筑不断地去扩展自身的表达语汇而寻求发展。我们所提倡的是:抛开风格要素,从结构理性主义出发,从现代的和传统的从多风格流派中吸取精华,创造出技术和艺术有机融合的钢结构精品建筑。

目前国内的建筑业生产效率较低,尚属劳动密集型产业,而钢结构住宅属于高技术高效率的产业,加快对钢结构住宅的研究,将促进建筑业向技术密集型产业转化,并将带动建材、冶金、信息机械尤其是钢铁企业的发展。

应该看到,我国钢结构住宅正得到大力地发展,但从建筑、结构设计到制作安装,各个环节我们都与国外先进水平有很大的差距。作为设计人员,应在工作中应该脚踏实地的积极创新;专业研究人员则应对钢结构设计理论和设计方法进行深入系统的研究;技术主管要加强对从业人员的技术培训及市场的管理力度。只有这样才能使我国钢结构住宅产业化得到更加健康的发展,成为真正具有国际竞争力的产业。

参考文献

[1]薛发,国内钢结构住宅的墙体发展状况[J].工程建设与设计;2004-09.

[2]蔡玉春;钢结构住宅产业化的现状与进展[J].钢结构.2005-01.

钢结构论文范文篇10

关键词:钢结构国外建筑

1建筑用钢占总钢产量的比重

近数十年来,前苏联、美国、日本三个国家一直是世界上钢产量居前三位的国家,其钢产量轮流位居世界第一位。因此,这几个国家的建筑钢结构建设事业蓬勃发展。而在同一时期,我国在这方面的发展则比较缓慢,水平也相对落后。近几年来,随着我国改革开放政策的实行和推进,我国的经济建设工作取得了突飞猛进的进展。在此期间,我国的钢产量一跃成为世界第一位。1996年,我国钢产量首次突破亿吨大关;1998年我国钢产量已达11434万t,而且每年增产300万t.钢产量的增长为发展我国建筑钢结构建设事业创造了极好的时机。但目前,我国与发达国家相比在许多方面还存在着明显的差距,因此,为了推动我国建筑钢结构的进一步发展和应用,我们急需了解国外建筑钢结构的应用概况。

中国的建筑用钢总量约占全部钢产量的20%~25%,而工业发达的国家则占30%以上。如美国和日本,该项指标均已超过50%.在我国,钢在建筑中主要用于建筑用钢结构,钢筋混凝土用钢筋,钢绞线,钢丝,门窗等,而其中钢结构用钢只占10%左右,在我国一亿吨的钢产量中,真正用于钢结构上的也就200~300万吨。

根据1998年中期美国金属建筑行业分布的一些数据,美国金属建筑行业的发展和市场的基本情况是:在20世纪50、60、70、80和90年代,以百万美元计的年销售额/以万吨计的年加工量分别为150/30、300/65、1200/110、1500/125和2200/190,如以50年代为例相应的增长倍数分别达到1、2/22、8/37、10/57和15/6.3倍。从中可以看出,美国的建筑用金属年销售额增长很快,估计目前已经超过25亿美元,年加工量也已经达到200万吨以上。

2低层、多层建筑钢结构和轻钢结构

美国金属建筑的主要市场分布:工业(生产用厂房、仓库及辅助设施等)、商业(商场、旅馆、展览馆、医院、办公大楼等)、社区(私有及公有社区活动中心及建筑如学校、体育馆、图书馆、教堂等)、综合等方面,分别占到46%、31%、14%和9%的份额。

在美国,低层建筑中采用钢结构还是很普遍的。美国钢结构学会和金属房屋制造协会(AISC和MBMA)联合编制了低层建筑的设计指南。所谓低层建筑是指层高低于18m,层数不超过5层的工业厂房、仓库、办公室及其他的办公和社区建筑等,其中两层以下的非居住用楼房建筑占70%.

轻钢建筑在一些发达国家已被广泛应用于工厂、仓库、体育馆、展览馆、超市等建筑。所谓轻钢是指以彩钢板作为屋面和墙面,以薄壁型钢作檩条和圈梁,以焊接“H”型截面做主与梁,现场用螺栓或焊接拼接的门式刚架为主要结构的一种建筑,再配以零件、扣件、门窗等形成比较完善的建筑体系,即轻钢结构体系。这种体系由工厂制作,现场按要求拼装形成。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。由于自重轻,也降低了基础的造价。国外轻钢结构厂商如Butler、BHP、ABC等都已经进入了中国市场,我国企业应奋起直追,创造条件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。

3高层及超高层钢结构

由于人类文化生活不断提高,对高层、大跨度建筑的要求也就越来越高。而钢结构本身具备自重轻,强度高,施工快等独特优点,因此对高层、大跨度,尤其是超高层、超大跨度,采用钢结构更是非常理想。目前世界上最高,最大的结构采用的都是钢结构,而历届奥运会的场馆也多采用钢结构。世界上目前已经建成的几个纯钢结构建筑为目前世界上最高的超高层建筑,它们是:

1931年建成的102层、高381m的美国纽约帝国大厦(1969年以前一直是最高的);

1969年建成的110层、高417m的美国纽约世界贸易中心(南北两座);

1970年建成的110层、高443m的美国芝加哥西尔斯大厦;

1996年建成的高450m的马来西亚双塔石油大厦(KLCC,号称目前世界最高,但美国的西尔斯大厦有异议);

我国于1997年建成的上海金茂大厦为95层,建筑高度421m,结构高度395m,也跻身于世界最高行列。如果上海浦东环球金融中心大厦(95层460m)建成,则堪称世界最高,实为我国一大光荣。深圳赛格广场大厦70层、高279m,为世界上最高的全部采用钢管混凝土的超高层建筑,这又是我国的一大光荣。

巨型钢结构为高层或超高层建筑的一种崭新体系,它是为了满足特殊功能或综合功能而产生的。它具有良好的建筑适应性和潜在的高效结构性能,是一种很有发展的结构。如日本千叶县43层、高180m的NEC大楼,该建筑内部布置大开口和大空间庭院,其巨型结构是由四根巨型结构柱和四个巨型的空间桁架梁组成的巨型空间桁架体系。经分析,这种体系具有极强的抗推刚度。另一例是德国法兰克福1997年建成的商业银行新大楼,63层、高298.74m,也是欧洲最高的一栋超高层建筑。该建筑平面为边长60m的等边三角形,其结构体系是以三角形顶点的三个独立框筒为“巨型柱”,通过八层楼高的钢框架为“巨型梁”连接而围成的巨型筒体系,具有极好的整体效应和抗推刚度,其中“巨响梁”产生了巨大的“螺旋箍”效应。第三例是日本拟建的动力智能大厦(DIB-200),高800m,地上200层,地下7层,总建筑面积150万m2,由12个巨型单元体组成。每个单元体是一个直径50m、高50层(200m)的框筒柱,1~100层设4个柱,101~150层设3个柱,151~200层设1个柱,每50层设置一道巨型梁。结构上设有主动控制系统,进一步削弱地震反应。香港汇丰银行也属于一巨型钢结构大厦,是诺尔曼。福尔特设计的。

4大跨度钢结构

大跨度或较大跨度大都采用钢结构,当然也有用“膜”完成的,但充气膜由于一些缺点近年来很少用,张力膜则也需要钢索和钢杆的支撑。

大跨度钢结构多用于多功能体育场馆,会议展览中心,博览馆,候机厅,飞机库等。最早跨度最大的平板网架是60年代美国洛衫矶加里福尼亚大学体育馆91m×122m(正放四角锥)。最大的双层网壳是70年代也是在美国建造的休斯敦宇宙穹顶(Astrodome,直径196m)及新奥尔良超级穹顶(Superdome,直径207m)。90年代在日本名古屋又兴建了当今世界上最大跨度的单层网壳,建筑直径229.6m,结构直径187.2m,采用三向网格,节点为能承受轴力和弯矩的刚性节点。世界上最大的室内体育馆是美国1996年奥运会的主体育馆棗亚特兰大体育馆(拟椭圆形平面,186m×235m),采用的是张拉整体体系的屋盖,主要由索、杆、膜组成,是当今最有发展前途的一种新型空间结构。1993年日本建成的福冈体育馆,直径222m,是当今最大的开合钢结构屋顶,而使1989年建成的加拿大多伦多天空穹顶(Skydome,直径203m),降为世界第二跨度最大的开合结构。超过300m的屋盖结构全部使用钢板和型钢组成,并不是最优方案,近年来研究较为成功的是杂交(混合)结构,即杆、索、膜混合使用。最为典型的例子就是千禧之年世纪之交的千年穹顶(TheMilleniumDome),1997年6月开始拟建,仅用一年时间施工,1998年6月举行升顶仪式,该馆位于英国伦敦泰晤士河南岸格林尼治,是当今世界跨度最大的屋盖,穹顶酷像飞碟,直径320m.穹顶由12根包括10m支座在内的高100m桅杆塔柱(柱本身90m)通过总长度70km的钢缆绳悬挂起来的,桅杆塔柱布置在直径200m圆周上。穹顶网格由72根成对径向索和7根环向索做成。穹顶高50m,中间设有中心索桁架和70m直径环,上覆盖144块双层巨幅白色涂以特福隆(Teflon)的玻璃纤维布。工程总面积8万m2,总预算7.58亿英镑。馆内将以“标新立异时代”为主题举行展览会以迎接21世纪的到来。馆内设有“人体探秘”、“时光课堂”、“金融之窗”、“地球奇迹”、“展望未来”等12个展区。当然,从理论角度讲,跨度再大的结构也是有可能实现的,为此,日本、美国学者和研究单位都在进行研究。如1959年富勒曾提出建造一个直径3.22km的短程线网壳,覆盖纽约市第23-59号街区,网壳重8万t.日本巴组铁工所曾提出跨度200m、500m及1000m网壳蓝图,其中500m为全天候多功能体育娱乐活动厅,1000m为创造理想未来城市,体现工作、居住、娱乐一体化的丰富日常生活环境。虽然这种设想在现实当中能否实现还有待于深入研究,但在桥梁方面,1000m左右跨度已经实现,世界上跨度最大的斜拉索桥为日本的多多罗大桥全长为890m;最大的悬索桥为日本的名石大桥(1991m),公路铁路两用最大跨度桥为香港的青马大桥(悬索桥1377m)。世界最早的双曲抛物面悬索屋盖是著名的美国雷里竞技馆。另外历届奥运会、博览会等都可以显示钢结构的发展水平。如1972年德国慕尼黑(覆盖7.48万m2体育场的索网建筑群),1976年加拿大蒙特利尔,1980年莫斯科,1984年美国洛杉矶,1988年韩国汉城(120m直径体操馆及93m直径击剑馆都是索穹顶),1992年西班牙巴塞罗那圣乔地体育馆(128m),1996年美国亚特兰大乔治亚穹顶(186m×235m索穹顶)。2000年澳大利亚悉尼主体育场(11万人,两个220m×70m的双曲抛物面网壳)。机场和机库都属于大跨度结构,在工程中基本上也都采用钢结构。如英国伦敦希思罗机库(一、二期)应是规模比较大的工程。而我国近年来建成的首都机库(2-153m×90m)采用三层斜放四角锥网格、焊接球节点平板网架,其跨度规模之大,在国际上是数一数二的,这是我国在钢结构方面的又一大殊荣。机场的钢结构屋盖由于建筑上的要求比较高,更是绚丽多彩。香港机场、马来西亚机场都采用大面积单体网壳形式。目前,国际上以及我国都在流行一种波浪形曲面,树状支承以及直接交汇的相贯节点的立体桁架体系。看起来雄壮而美观。我国深圳机场、首都机场、上海浦东机场就是典型的例子。

5我国建筑钢结构的前景与差距

从美国、日本、欧洲一些发达国家的经验看,建筑业即将成为钢材应用的主要市场。而目前我国与之相比还有差距。因此我国的高层建筑钢材到目前为止还都从国外进口,特别是大于50mm的厚钢板,国产产品的Z向性能尚达不到要求。国外不仅钢板厚度较大,而且可以满足各种性能要求。如日本已经能够生产的100mm的厚钢板,具有以下类型:

①有高强度低预热型(以前预热75℃,现在预热50℃)的厚钢板590N/mm2级(HT590级);

②抗地震的厚钢板,主要有低屈服比高强度钢材(HT590~HT780级)和低屈服点钢板,这种钢材日本重点生产,用于次要结构上,当地震时这种材料先屈服,保证主要结构减少地震损失;

③防火厚钢板。有400N/mm2及490N/mm2,当其在600℃时屈服强度还能达到常温下的2/3;