建筑钢结构的特点y

1、建筑钢结构 第一节 建筑钢结构的特点 一、钢结构的特点 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、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。 2、材质均匀，和力学计算

2、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计算结果比较符 合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以严格控制，材质波动的范围小。 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。

3、4、钢结构的质量轻 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，钢屋架的质量最多不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，质量轻也是一个重要的有利条件。屋盖 1 / 12 结构的质量轻，对抵抗地震作用有利 另一方面，质轻的屋盖结构对可变荷载的变动比较敏感，荷载超额的不利 影响比较大。受有积灰荷载的结构如不注意及时清灰，可能会造成事故。风吸 力可能造成钢屋架的拉、压杆反号

4、，设计时不能忽视。这在钢筋混凝土屋盖结 构中是不会出现的。 5、钢材耐腐蚀性差 钢材耐腐蚀的性能比较差，必须对结构注意防护。这使维护费用比钢筋混 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。 6钢材耐热但不耐火 钢材是一种不会燃烧的建筑材料，它具有抗震、抗弯等特性。在实际应用 中，钢材既可以相对增加建筑物的荷载能力，也可以满足建筑设计美感造型的 需要，还避免了混凝土等建筑材料不能弯曲、拉伸的缺陷，因此钢材受到了建 筑行业的青睐。但是，钢材作为建筑材料在防火方面又存在一

5、些难以避免的缺 陷， 钢材长期经受100OC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1500C以上时，它的机械性能，如屈服点、抗拉及弹性模量等均 会因温度的升高而急剧下降。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。 钢结构通常在450650C温度中就会失去承载能力，发生很大的形变，导 致钢柱、钢梁弯曲，结果因过大的形变而不能继续使用，一般不加保护的钢结 构的耐火极限为15分钟左右。这一时间的长短还与构件吸热的速度有关。普通 建筑钢的热导率是67.63w/vm.K）。科学实验和火灾实例都表明，未加防火保 护的钢结构在火灾温度的作用下，只需 10分钟多，

6、自身温度就可达540以 上，钢材的机械力学性能，诸如屈服点、抗压强度、弹性模量以及载荷能力 等，都迅速下降；达到600时，强度则几乎等于零。因此，在火灾作用下，钢 结构不可避免地扭曲变形，最终导致垮塌毁坏。 考察和分析钢结构火灾实例，可看出钢结构火灾具有如下特点： 2 / 12 第一，钢结构垮塌快，难扑救。钢结构建筑物发生火灾后，裸露的钢构件 在烈火围困之中，一般只需10mi n ,便失去支撑能力，随即变形塌落。给消防灭 火工作带来极大的困难。 第二，火灾影响大，损失重。采用钢结构的建筑往往是大跨度的厂房、仓 库、礼堂、影剧院、体育馆及高层建筑等，不论是工业用房还是民用建筑，一 旦发生火灾，都

7、将造成重大经济损失和惨痛的人员伤亡。 第三，建筑物易毁坏，难修复。由于建筑物是以钢构件作为梁柱或屋架， 在火灾中往往因为钢结构变形失去支撑能力，而导致建筑部分或全部垮塌毁 坏，钢结构变成“麻花壮”或“面条式”的废物，变形后的钢结构很难修复使 用。 要使钢结构材料在实际应用中克服防火方面的不足，必须进行防火处理， 其目的就是将钢结构的耐火极限提高到设计规范规定的极限范围。防止钢结构 在火灾中迅速升温发生形变塌落。 二、钢结构的应用范围 1、大跨度结构 结构跨度越大，自重在全部荷载中所占比重也就越大，减轻自重可以获得 明显的经济效果。因此，钢结构强度高而质量轻的优点对于大跨结构特别突 出。现在已经

8、有110 M以上的屋盖结构，我公司建造的钢结构厂房，跨度也有 36M以上。 2、重型厂房结构 重型厂房。所谓“重”，就是车间里吊车的起重质量大 常在100吨以上， 有的达到440吨），有的作业也经常繁重。这些车间的主要承重骨架往往全部 或部分采用钢结构。 3、轻型钢结构 钢结构质量轻不仅对大跨结构有利，对使用荷载特别轻的小跨结构也有优 越性。因为使用荷载特别轻时，小跨结构的自重也就成了一个重要因素。冷弯 薄壁型钢屋架在一定条件下的用钢量可以不超过钢筋混凝土屋架的用钢量。 4、受动力荷载影响的结构 由于厂钢材具有良好的韧性，设有较大锻锤或产生动力作用等其它没备的 厂房，即使屋架跨度不很大，也往往

9、用钢制成。对于抗震能力要求高的结构， 用钢来做也是比较适宜的。 5、可拆卸的结构 钢结构不仅质量轻，还可以用螺栓或其它便于拆 装的手段来连接。需要搬 迁的结构，如建筑工地生产和生活用房的骨架，临时性展览馆等，钢结构最为 适 宜。钢筋混凝土结构施工用的模板支架，现在也趋向于用工具式的钢架。 6、高耸结构和高层建筑 高耸结构包括塔架和桅杆结构，如高压输电线路的塔架、广播和电视发射 用的塔架和桅杆等。广州和上海的电视塔高度分别为(200M和205M北京环 境气象塔高325M是五层拉线的桅杆结构。高层建筑的骨架，也是钢结构应用 范围的一个方面。 7、容器和其它构筑物 用钢板焊成的容器具有密封和耐高压的

10、特点，广泛用于冶金、石油、化工 企业中，包括油罐、煤气罐、高炉、热风炉等。 三、钢结构的发展 钢结构是一种具有较大优势的建筑结构，近年来随着我国改革开放进程的 加快和钢材产量的不断提高，钢结构发展迅速，钢材的开发、计算的改进、新 结构体系的应用等方面都有很大进展。 1、高强度钢材的研制开发 4 / 12 我国目前普遍采用的建筑钢材有 Q235 钢屈服强度为 235N/mm2）、 Q345 钢屈服强为345N/mm2）、Q390钢屈服强度为390N/mm2）、Q420钢屈服 强度为 420N/mm2）。 第一种钢材是普通碳素结构钢，后三种是低合金高强度结构钢。这四种钢 材均列入钢结构设计规范。随

11、着建设发展的需要，各专门用途的碳素钢和低合 金高强度结构钢已经成为系列产品，如桥梁用钢、高层建筑用钢、船用钢等 等。 采用高强度钢材，可用较少的材料作成高效的结构，对特大跨度结构、超 高层建筑和高耸结构极为有利。 高强度钢材和新结构形式的应 用是提高钢结构成效的重要因素，新结构 形式有薄壁型钢结构、悬索结构、悬挂结构、网架结构和预应力钢结构等。这 些结构均适用于轻型、大跨屋盖结构、高层建筑。对减少用钢量有重要意义 对于连接材料，配合高强度钢材的应用，也有与上述四种钢材相匹配的 E43型屈服强度为330N/mm2）、E50型 屈服强度为410N/mm2）、E55型屈 服强度为440N/mm2）的

12、焊条。 高强度螺栓连接是近三、四十年来迅速发展和应用的螺栓连接新型式。现 已在桥梁和工业与民用建筑钢结构中推广使用，主要用于直接承受动力荷载结 构的安装连接、以及构件的现场拼接和高空安装连接的一些部位。 2、结构和构件计算的研究改进 现代钢结构已广泛应用新的计算技术和测试技术，对结构和构件进行深入 计算和测试，为了解结构和构件的实际工作提供了有利条件，先进的计算和测 试技术给钢结构的设计带来了革命性的意义，如 3D3S、 PKPM 等钢结构设计软 件，大大加快了钢结构的设计效率，也决定了材料的合理使用，从而保证了结 构的安全，也增强了经济效益。 3、结构形式的革新和应用 高强度钢材和新结构形式

13、的应用是提高钢结构成效的重要因 ，新结构形式 有薄壁型钢结构、悬索结构、悬挂结构、网架结构和预应力钢结构等。这些结 构 均适用于轻型、大跨屋盖结构、高层建筑。对减少用钢量有重要意义。 型钢截面除了传统的角钢、槽钢、工字钢外，H型钢 平行宽翼缘工字 5 / 12 钢）也成为近年来常用的一种型钢截面。H型钢是一种经济断面钢材，与普通 工字钢相比，翼缘要宽，侧向刚度较大，一般绕弱轴的惯性矩要大一倍以上， 抗弯、抗压、抗扭、抗震能力强，翼缘内、外表面平行，便于机械加工，便于 结构连接和安装，可使钢结构构件的用钢量减少6%17%。 压型钢板是一种新产品。 由厚度0.51.5毫M的薄钢板，模压成锯齿型。它

14、具有一定的抗弯能力, 现在，轻型钢结构的屋面和墙面已经大量采用压型钢板来作为覆盖材料和围护 材料。 单层压型钢板可以作为屋面覆盖材料和墙面围护材料 作为屋面覆盖材料的单层压型钢板 作为墙面围护材料的单层压型钢板 单层压型钢板可以压制成各种规格以满足设计的需要 6 / 12 组合楼板中，作为非承重构件的压型钢板，即是模板，也可兼作工作平 台，而不需脚手架，在多层钢结构的建筑中，采用组合楼板的建筑结构，其经 济性和安全性显而易见，还可大大缩短施工周期。 单层压型钢板用彩钢卷在专用的设备上压制而成 用保温材料 聚氯乙烯或聚氨脂塑料）与压型钢板组成的合成板，其使用范 围更广，作为外墙板、屋面板在轻型厂

15、房中得到使用。由合成板组建的活动房 屋，材料轻，建设速度快，非常适合作为抢险救灾的临时过渡性房屋。 此外，在旧楼房进行加层时，因为原有的基础承载问题，合成板以其材料 轻而得到了广泛使用。 用于墙面的合成板 彩色夹心EPS钢板） F 用于屋面的波纹顶合成板 彩色夹心EPS钢板） 用压型钢板和彩色夹心钢板制作的轻便房屋 4、钢和混凝土组合构件的应用 钢和混凝土组合构件是一种各取所长的结合，钢的强度高，宜受拉，混凝 土则宜受压，两种材料结合，都能充分发挥各自优势，是一种合理的结构。 采用混凝土与钢梁通过抗剪连接件组成一体的组合结构，其组合梁的混凝 土板受压，钢梁受拉，各得其所，是非常经济的结构形式。

16、 另一种钢与混凝土组合结构是钢管混凝土结构，这种结构是采用薄壁钢管 圆管或方管）内灌素混凝土。在压力作用下，钢管和混凝土之间产生相互作用 的紧箍力，使混凝土处于三向受压的应力状态下工作，大大提高了混凝土抗压 强度，改善了塑性，提高了抗震性能，而薄钢管在混凝土挤压下不易屈曲，提 高了钢管局部稳定性，使钢材强度得到充分发挥。 据实验研究，钢管混凝土强度比单钢管或同样截面混凝土强度提高了好几 倍。钢管混凝土柱特别适用于轴心受压构件，在高层建筑、工业厂房及多层住 宅已有很多应用。钢管混凝土是一种具有承载力高、塑性、韧性好、节省材 料、方便施工、较好经济效益等特点的新型组合结构，很有发展前景。 8 /

17、12 四、钢材中的相关名词解释 1、钢材的铁碳合金相图 4001TF+F/ 200 Fe123455 0.0210.772,11%4.3比阳 王说钱衲白口蒔铁 2、共析钢、亚共析钢、过共析钢 1）共析钢 大家知道固态金属及合金都是晶体，即在其内部原子是按一定规律排列 的，排列的方式一般有三种即： 体心立方晶格结构、面心立方晶格结构和密排六方晶格结构。 金属是由多晶体组成的，它的多晶体结构是在金属结晶过程中形成的。 组成铁碳合金的铁具有两种晶格结构：910C以下为具有体心立方晶格结构 9 / 12 的a -铁，910 C以上为具有面心立方晶格结构的 Y-铁 碳溶解在铁的晶格中形成固溶体，碳溶解到

18、a铁中的固溶体叫铁素体，溶 解到丫铁中的固溶体叫奥氏体。 铁素体与奥氏体都具有良好的塑性。当铁碳合金中的碳不能全部溶入铁素 体或奥氏体中时，剩余出来的碳将与铁形成化合物 -碳化铁Fe3C这种化合物 的晶体组织叫渗碳体，它的硬度极高，塑性几乎为零。 从反映钢的组织结构与钢的含碳量和钢的温度之间关系的铁碳平衡状态图 上可见： 当碳的含量正好等于0.77%时，即相当于合金中渗碳体 碳化铁）约占 12%，铁素体约占 88%时，该合金的相变是在恒温下实现的。即在这种特定比例 下的渗碳体和铁素体，在发生相变时，如果消失两者同时消失加热时），如果 出现则两者又同时出现，在这一点上，这种组织与纯金属的相变类似

19、。基于这 个原因，人们就把这种由特定比例构成的两相组织当作一种组织来看待，并且 命名为珠光 体，这种钢就叫做共析钢。即含碳量正好是0.77%的钢就叫做共析 钢，它的组织是珠光体。 2）亚共析钢 常用的结构钢含碳量大都在 0.5%以下，由于含碳量低于 0.77%，所以组织 中的渗碳体量也少于 12%，于是铁素体除去一部分要与渗碳体形成珠光体外， 还会有多余的出现，所以这种钢的组织是铁素体 +珠光体。碳含量越少，钢组织 中珠光体比例也越小，钢的强度也越低，但塑性越好，这类钢统称为亚共析 钢。 3）过共析钢 工具用钢的含碳量往往超过 0.77%，这种钢组织中渗碳体的比例超过 12%， 所以除与铁素体

20、形成珠光体外，还有多余的渗碳体，于是这类钢的组织是珠光 体+渗碳体，我们将其统称为过共析钢。 2、有关钢的热处理的名词 1）钢的退火 将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后使它慢慢冷却，称为退火。 钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却 10 / 12 的热处理方法。 退火的目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶 粒，提高钢的力学性能，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性， 改善切削加工性能。 所以退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续 工序作好准备，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理。 2）钢的正火 正火是将钢加

21、热到临界温度以上，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在 空气中自然冷却的热处理方法。 它能消除过共析钢的网状渗碳体，对于亚共析钢正火可细化晶格，提高综 合力学性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的。 3）钢的淬火 淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后很快放入淬火剂 中，使其温度骤然降低，以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏 体为主的不平衡组织的热处理方法。淬火能增加钢的强度和硬度，但要减少其 塑性。 淬火中常用的淬火剂有：水、油、碱水和盐类溶液等。 4）钢的回火 将已经淬火的钢重新加热到一定温度，再用一定方法冷却称为回火。 其目的是消除淬火产生的内应力，降低硬度和脆性，以取得预期的力学性 能。 回火分高温回火、中温回火和低温回火三类。 回火多与淬火、正火配合使用。 1）调质处理：淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。高温回火是指 在500-650 C之间进行回火。调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调 整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。 2）时效处理：为了消除精密量具或模具、零件在长期使用