鋼結構主要結構形式與特點
1.1大跨鋼結構
空間結構從功能上講是指能夠形成較大的連續(xù)空間的結構體系,主要包括網(wǎng)架、網(wǎng)殼、索-膜結構以及組合、雜交結構。其特點是:連續(xù)的大跨度、大空間、大面積;、外觀輕巧、美觀、具有現(xiàn)代感的線型;抗震性能較好,結構受力較為單純;構件類型較少,建設周期短,易于實現(xiàn)工業(yè)化;綠色環(huán)保和可循環(huán)使用。
空間結構自60年代至今,一直穩(wěn)步發(fā)展??臻g結構的新動向是采用矩形鋼管桿件的網(wǎng)架增多。近年在航站樓廣泛采用空間衍架,其桿件多采用圓鋼管。弦桿多采用曲線形。弓形結構的出現(xiàn)引起了人們的興趣,但它的性能和應用規(guī)模還應進一步探討。一些高校在對網(wǎng)架的錐頭等零件進行研究和改進,目的是使產(chǎn)品的質(zhì)量進一步提高。隨著現(xiàn)代新結構概念與新材料的更新,空間結構有網(wǎng)架、網(wǎng)殼到正在發(fā)展完善中的索-膜、索張拉、預應力結構體系等。
1.2鋼結構住宅
鋼結構住宅依其自重輕,基礎造價低,適用于軟弱地基,安裝容易,施工快,周期短,投資回收快,施工污染環(huán)境少,抗震性能好等綜合優(yōu)勢而受到各方的重視。鋼結構與磚混結構、混凝土結構等相比,在使用功能、設計、施工以及綜合經(jīng)濟方面都具有優(yōu)勢。在住宅建筑中應用鋼結構的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
(1)利用鋼材強度高的特點,設計可采用大開間布置,使建筑平面能夠合理分隔,靈活方便,創(chuàng)造開放式住宅,而能合理布置功能區(qū)間。
(2)相同建筑面積的建筑樓層,鋼結構自重輕。根據(jù)比較,6層輕鋼結構住宅的重量,僅相當于4層磚混結構住宅的重量。而且鋼材具有延性,能比較好地消耗地震帶來的能量,所以抗震性能好,結構安全度高。
施工機械化程度高,加快了施工速度。根據(jù)統(tǒng)計,同樣面積建筑物,鋼結構比混凝土結構工期,可縮短三分之一,而且可節(jié)省支模材料。
(4)由于自重輕,基礎費用降低,總體用料減少,直接成本降低,建設工期短,間接費用又可減少,所以綜合造價低。
(5)鋼結構適宜工廠大批量生產(chǎn),工業(yè)化程度高,并且能將節(jié)能、防水、隔熱、門窗等先進成品集合于一體,成套應用,將設計、生產(chǎn)、施工一體化,提高住宅產(chǎn)業(yè)化的水平。
從上面的分析中可以看出,鋼結構是適合創(chuàng)新的住宅結構體系。鋼結構可隨著人們審美觀的不同,使用功能要求的不同,設計各種造型、尺度、空間的新型房型。生產(chǎn)廠家能高精度、高質(zhì)量、高速度完成,使建筑物達到既美觀又經(jīng)濟的效果。
1.3輕型鋼結構
輕型鋼結構是只有圓鋼、小角鋼和薄壁型鋼組成的結構[1](這是相對普通鋼結構而言的)。輕型鋼結構的屋面荷載較輕,因而桿件截面較小、較薄。它除具有普通鋼結構的自重較輕,材質(zhì)均勻,應力計算準確可靠,加工制造簡單,工業(yè)化程度高,運輸方便等特點外,一般還具有取材方便,用料較省,自重更輕等優(yōu)點。輕型鋼屋蓋結構的用鋼量一般為8~15kg/㎡,接近在相同條件下鋼筋混凝土結構的用鋼量,且能節(jié)約大量木材、水泥及其它建筑材料,將結構自重減輕為普通鋼結構的70~80%,總的造價較低。
1.4鋼管混凝土結構
鋼管混凝土(CFST),就是在鋼管中充填素混凝土制成的建筑構件。它具有承載力高,抗震性能好,節(jié)約鋼材和施工簡捷等突出優(yōu)點,因而在高層和超高層建筑中得到了日益廣泛的應用。其推廣與發(fā)展的速度十分迅猛,并將成為21世紀高層和超高層建筑群很為實用和主要的結構形式。
這種結構的特點是:
(1)鋼管混凝土柱的抗壓和抗剪承載力高,相當于鋼管和混凝土二者之和的2倍以上;
(2)鋼管混凝土柱截面比鋼筋混凝土柱可減少60%以上,輪廓尺寸也比鋼柱小,擴大了建筑物的使用空間和面積;
(3)柱子截面減小,自重減小,有利于結構抗震,相當于設防烈度下降壹級;
(4)鋼管混凝土柱自重減少,減輕了地基承受的荷載,相應降低了地基基礎造價;
(5)鋼管壁薄便于選材,制造與現(xiàn)場焊接,是施工很為快捷的建筑結構;
(6)鋼管混凝土柱內(nèi)的混凝土可大量吸收熱能,其耐火性優(yōu)于鋼柱,從而比鋼柱可節(jié)省耐火涂料50%以上;
(7)鋼管混凝土具有的核心混凝土三向受壓特性,利于剛剛問世的C60~80高強度混凝土安全可靠地推廣應用。同時由于在高層建筑設計中,鋼管混凝土柱可以僅控制長細比而不必限制軸壓比。此外因其整體性能好,還克服了普通鋼結構鋼柱存在的局部失穩(wěn)的缺點。因此,與鋼筋混凝土柱相比,截面設計可以減少60%以上。
1.5 鋼結構施工
隨著大跨度結構及超高層結構的不斷增多,施工技術的研究、施工技術的創(chuàng)新以及由此產(chǎn)生的施工力學問題日益突出。傳統(tǒng)的施工技術在高大精尖等復雜結構中被慢慢淡出,隨之而來的是一些創(chuàng)新的施工技術,如整體提升施工技術、整體頂升施工技術、整體滑移施工技術及其他特殊結構施工技術等。它們的很大特點:一是施工方案的創(chuàng)新與新結構形式緊密結合,根據(jù)新結構的構成和受力特點創(chuàng)新施工方案;二是施工力學問題的解決緊密依賴于計算技術的發(fā)展,可以通過施工過程的仿真,真實地了解和掌握結構在施工過程中的變形和內(nèi)力的變化過程。
施工技術的創(chuàng)新也包括在現(xiàn)有一些施工技術的基礎上注入新的技術,如整體提升采用液壓穿心式千斤頂和計算機控制技術相結合,整體頂升技術應用在攀達穹頂網(wǎng)架結構和網(wǎng)殼結構的整體安裝中等。一些特殊結構形式的施工技術,如摩天觀光輪,可以根據(jù)其結構形式具體對待,但就一般共性的問題可先進行研究。新型施工技術的實施需要以模擬仿真分析的數(shù)據(jù)為指導,同時分析的結果也是評價方案優(yōu)劣的重要依據(jù)。