【正文】 鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展及新技術(shù) 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院建工系副教授 沈之容博士 內(nèi)容簡要 ?鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展方向 ?鋼結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用實(shí)例 ?鋼結(jié)構(gòu)工程施工新技術(shù) ?鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件演示 ?高聳結(jié)構(gòu)科研狀況 ?新老規(guī)范修訂內(nèi)容 ?交流討論 鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展概況 鋼是一種鐵碳合金，人類采用鋼結(jié)構(gòu)的歷史和煉鐵、煉 鋼技術(shù)的發(fā)展是密不可分的。最早在公元前 2023年左右， 在伊拉克兩河流域就出現(xiàn)了早期的煉鐵術(shù)。 我國也是較早發(fā)明煉鐵技術(shù)的國家之一，早在戰(zhàn)國時(shí)期， 我國的煉鐵技術(shù)已很盛行了。公元 65年（漢明帝時(shí)代）， 已成功地用鍛鐵為環(huán)，相扣成鏈，建成了世界上最早的 鐵鏈懸橋 —— 蘭津橋。此后，為了便利交通，跨越深谷， 曾陸續(xù)建造了數(shù)十座鐵鏈橋。其中跨度最大的為 1705年 （清康熙）建成的四川瀘定大渡河橋，橋?qū)?，跨長 100m。除鐵鏈懸橋外，我國古代還建有許多鐵建筑物， 如鐵塔等，目前依然存在。所有這些都表明，我們中華 民族對鐵結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，曾經(jīng)居于世界領(lǐng)先地位。 歐美等國家中最早將鐵做為建筑材料的當(dāng)屬英國，但直到 1840年以前，還只采用鑄鐵來建造拱橋。 1840年以后，隨 著鉚釘連接和鍛鐵技術(shù)的發(fā)展，鑄鐵結(jié)構(gòu)逐漸被鍛鐵結(jié)構(gòu) 取代，隨著 1855年英國人發(fā)明貝氏轉(zhuǎn)爐煉鋼法和 1865年法 國人發(fā)明平爐煉鋼法，以及 1870年成功軋制出工字鋼之后， 形成了工業(yè)化大批量生產(chǎn)鋼材的能力，強(qiáng)度高且韌性好的 鋼材才開始在建筑領(lǐng)域逐漸取代鍛鐵材料，自 1890年以后 成為金屬結(jié)構(gòu)的主要材料。 20世紀(jì)初焊接技術(shù)的出現(xiàn)，以 及 1934年高強(qiáng)度螺栓連接的出現(xiàn)，極大地促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)的 發(fā)展。除西歐、北美之外，鋼結(jié)構(gòu)在前蘇聯(lián)和日本等國家 也獲得了廣泛的應(yīng)用，逐漸發(fā)展成為全世界所接受的重要 結(jié)構(gòu)體系。 由于我國長期處于封建主義統(tǒng)治之下，束縛了生產(chǎn)力的發(fā) 展， 1840年鴉片戰(zhàn)爭以后，更淪為半封建半殖民地國家， 工業(yè)落后，古代在鐵結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)優(yōu)勢早已喪失殆盡。 我國在 1907年才建成了鋼鐵廠，年產(chǎn)鋼只有 。新 中國成立后，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)曾起過重要作 用，如第一個(gè)五年計(jì)劃期間，建設(shè)了一大批鋼結(jié)構(gòu)廠房、 橋梁。但由于受到鋼產(chǎn)量的制約，在其后的很長一段時(shí)間 內(nèi)，鋼結(jié)構(gòu)被限制使用在其他結(jié)構(gòu)不能代替的重大工程項(xiàng) 目中，在一定程度上，影響了鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。自 1978年我 國實(shí)行改革開放政策以來，經(jīng)濟(jì)建設(shè)獲得了飛速的發(fā)展， 鋼產(chǎn)量逐年增加。自 1996年超過 1億噸以來，一直位列世 界鋼產(chǎn)量的首位， 2023年更達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的 ，逐步 改變著鋼材供不應(yīng)求的局面。我國的鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)政策，也 從“限制使用”改為積極合理地推廣應(yīng)用。所有這些，為鋼 結(jié)構(gòu)在我國的快速發(fā)展創(chuàng)造了條件。 鋼結(jié)構(gòu)以其獨(dú)特的優(yōu)越性在建筑工程中得到廣泛應(yīng)用 ,特別 是高層、超高層、輕型鋼結(jié)構(gòu) ,大跨度結(jié)構(gòu)等應(yīng)用的比較 多。這是由于鋼結(jié)構(gòu)有許多優(yōu)點(diǎn) ,如強(qiáng)度高、塑性、韌性 好、重量輕、材質(zhì)均勻、制作簡單、施工方便、工期短、 節(jié)能環(huán)保、綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)、建筑造型美觀、抗震性 能好等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然它的缺點(diǎn)是耐火度不夠 ,耐腐蝕性差 ,造價(jià) 稍高等。但綜合來評定 ,鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)多，缺點(diǎn)易克服。它仍 是結(jié)構(gòu)體系中最重要的一種結(jié)構(gòu)形式 ,將被越來越廣泛重視 和使用。 鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況 ? 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高層、超高層建筑中在南方一些大中城市中，高層、超高層建筑如雨后春筍般拔地而起，由于外資工程的興建，建筑用鋼材的發(fā)展，高層、超高層建筑應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)越來越多。如在上海的浦東開發(fā)區(qū)建設(shè)中，高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展尤其迅速?，F(xiàn)已建成的上海金茂大廈 , 據(jù)有關(guān)資料介紹為框 筒結(jié)構(gòu) ,混合材料 ,高度 420m ,地上 88 層 ,地下 3 層 ,鋼結(jié)構(gòu)安裝 ,電動(dòng)爬摸。在北京、深圳等地的高層、超高層建筑中 ,大都采用了鋼結(jié)構(gòu)建筑 。 目前在高層、超高層建筑中應(yīng)用的體系大致有三種。一種是混凝土結(jié)構(gòu) , 一種是鋼結(jié)構(gòu) ,另一種就是兩種體系組成的混合結(jié)構(gòu)。在這種混合結(jié)構(gòu)中因發(fā)揮了鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)而克服了鋼結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn) ,應(yīng)用的比較多?，F(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的形式主要有 : (1) 作為鋼框架與混凝土核心筒組成受力結(jié)構(gòu)體系 ,這是高層混合結(jié)構(gòu)中常用的形式。 (2) 作為勁性骨架與混凝土一起組成受力構(gòu)件 ,包括鋼管混凝土 ,這種混合結(jié)構(gòu)兼有鋼與混凝土兩者的優(yōu)點(diǎn) ,整體強(qiáng)度大 ,剛性好 ,抗震性能好。當(dāng)采用外包砼結(jié)構(gòu)形式時(shí)更具有良好的耐火和耐 ? 腐蝕性能?；旌辖Y(jié)構(gòu)構(gòu)件一般可以降低鋼量 15 % — 20 % ,還可減少支模 ,施工方便、快速 ,因此混合結(jié)構(gòu)在高層 ,超高層建筑中所占比重較多。 ? 應(yīng)用于大跨屋蓋體系中 ? 一些工業(yè)廠房、倉儲(chǔ)庫、停車場、集市等建筑設(shè)施 ,由于空間高 ,跨度大 ,其他體系難以滿足要求 ,故而選用鋼網(wǎng)架 ,懸索 ,殼體 ,桁架 ,膜結(jié)構(gòu)等形式作為這些大跨結(jié)構(gòu)的屋蓋系統(tǒng)。隨著國外鋼結(jié)構(gòu)的新技術(shù)、新產(chǎn)品的不斷引進(jìn)和應(yīng)用 ,采用輕鋼結(jié)構(gòu)體系使工程總造價(jià)低于鋼筋混凝土或磚混結(jié)構(gòu)體系 ,且施工工期縮短 50 %以上。目前 ,在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)新建的大跨設(shè)施中基本采用了鋼結(jié)構(gòu) ,在內(nèi)陸地區(qū)也有部分采用鋼結(jié)構(gòu) ,隨著人們對鋼結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí) ,將會(huì)越來越被重視和采用。 ? 鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀 ? 鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ) 據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì) ,目前 ,我國鋼產(chǎn)量已超過 1. 2 億噸 ,成為世界上鋼產(chǎn)量之大國 ,同時(shí) ,鋼材的品牌、規(guī)格與質(zhì)量日益提高 , 國內(nèi)鋼材市場已從過去的賣方市場轉(zhuǎn)變到買方市場 ,這為大力推廣利用鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。 ? 鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的技術(shù)政策 我國建筑技術(shù)政策中 ,特意提到“發(fā)展鋼結(jié)構(gòu) (含預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu) ) ,對于超高層建筑結(jié)構(gòu)、大跨空間結(jié)構(gòu)或大跨重載工業(yè)廠房等 ,可采用鋼結(jié)構(gòu) 。對于大跨空間屋蓋系統(tǒng) ,可選用鋼網(wǎng)架、網(wǎng)殼、懸索、殼體、膜結(jié)構(gòu)等 ,加速推廣輕鋼結(jié)構(gòu)”。 又提到“研究推廣組合結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu) ,充分發(fā)揮不同結(jié)構(gòu)材料的性能。根據(jù)建筑物各自的特點(diǎn) ,可采用兩種以上結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu) , 如由型鋼、鋼筋、混凝土構(gòu)成的勁性鋼筋混凝土 :由鋼管和混凝土構(gòu)成的鋼管混凝土等。且在一個(gè)建筑物上可采用兩種及以上結(jié)構(gòu)形式構(gòu)成的混合結(jié)構(gòu) ,如采用鋼筋混凝土作為高層建筑的核心筒 ,采用鋼框架結(jié)構(gòu)作為外柱與其相連”。而且我國政府提出了從“節(jié)約鋼材”轉(zhuǎn)變成合理使用鋼材 ,從“限制使用鋼結(jié)構(gòu)” 到“大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)”的政策轉(zhuǎn)變。建設(shè)部在修訂我國“建筑業(yè)推廣應(yīng)用 10 項(xiàng)新技術(shù)中 ,首次列入了鋼結(jié)構(gòu)新技術(shù) ,充分說明我國鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展已經(jīng)具備了非常好的政策大環(huán)境。 ? 鋼結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)綠色環(huán)保建筑產(chǎn)業(yè) ? 鋼結(jié)構(gòu)材料可再生利用 ,減少大氣污染物。鋼結(jié)構(gòu)的廢棄料可回爐 ,再生利用。對同樣規(guī)模的建筑物 ,鋼結(jié)構(gòu)建造過程中有害氣體 (CO2) 排放量只相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)的65 %。 ? 工業(yè)化生產(chǎn) ,現(xiàn)場施工周期短 ,最大限度的減少了施工工地對環(huán)境的影響。鋼結(jié)構(gòu)工程一半以上的工期是工廠加工制作 ,現(xiàn)場工期可縮短 50 %以上 ,同時(shí)工地因很少使用砂 ,石、土和水泥等散料 ,而從根本上避免了塵土飛揚(yáng) ,污染環(huán)境的問題。 ? 鋼結(jié)構(gòu)體系可以帶動(dòng)其他“節(jié)能環(huán)?！毙徒ㄖ牧系耐茝V應(yīng)用 ,鋼結(jié)構(gòu)體系由于連接的靈活性 ,各種“節(jié)能環(huán)保型”的圍護(hù)材料都可以采用。 ? 鋼結(jié)構(gòu)新技術(shù)的主要內(nèi)容 ? 高層鋼結(jié)構(gòu)新技術(shù) 根據(jù)建筑高度和設(shè)計(jì)要求采用框架、框架 — 支撐、筒體和巨型框架結(jié)構(gòu) ,其構(gòu)件可采用鋼、勁性鋼筋混凝土或鋼管混凝土。鋼構(gòu)件質(zhì)輕、延性好 ,可采用焊接型鋼或軋制型鋼 ,適用于超高層建筑。勁性鋼筋混凝土構(gòu)件剛度大 ,防火性能好 ,適用于高層建筑或底部結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土施工簡便 ,僅用于柱結(jié)構(gòu)。 ? 空間鋼結(jié)構(gòu)技術(shù) ? 空間鋼結(jié)構(gòu)自重輕、鋼度大、造型美觀、施工速度快。以鋼管為桿件的球節(jié)點(diǎn)平板網(wǎng)架、多層變截面網(wǎng)架及網(wǎng)殼等是我國空間鋼結(jié)構(gòu)用量最多的結(jié)構(gòu)形式 ,在設(shè)計(jì)、施工方面均達(dá)到國際先進(jìn)水平 ,有專門的設(shè)計(jì)、施工和檢驗(yàn)規(guī)程 ,并可提供完整的 CAD軟件 ,除網(wǎng)架結(jié)構(gòu)外 ,空間結(jié)構(gòu)尚有大跨懸索結(jié)構(gòu)、索一膜結(jié)構(gòu)、大跨空間鋼管絎架結(jié)構(gòu)等。 ? 輕鋼結(jié)構(gòu)技術(shù) ? 伴隨著輕型彩色鋼板制成墻體和屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)組成的新結(jié)構(gòu)形式 ,由厚 4mm以上鋼板焊接成軋制的大斷面薄壁 H 型鋼墻梁和屋面檁條 ,園鋼制成柔性支撐系統(tǒng)和高強(qiáng)螺栓連接構(gòu)成的輕鋼結(jié)構(gòu)體系 ,柱距 6 — 9 m ,跨度可達(dá)到 30 m 或更大 ,高度可多達(dá) 10 m ,并可設(shè)輕型吊車。用鋼量 20 — 30 kg/ m2 ?，F(xiàn)已有標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)程序和專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè) ,產(chǎn)品質(zhì)量好、安裝速度快、重量輕、投資少 ,施工不受季節(jié)限制。適用于各種輕型工業(yè)廠房。 ? 鋼 — 混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù) 以輕鋼或鋼管與混凝土構(gòu)件組成的梁、柱承重結(jié)構(gòu)為鋼 — 混凝土組合結(jié)構(gòu) ,近年來應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大 ,適用于承受較大荷載的多層或高層建筑的框架梁、柱及樓蓋 ,工業(yè)建筑柱及樓蓋等。 ? 高強(qiáng)螺栓連接與焊接技術(shù) 高強(qiáng)螺栓通過摩擦力來傳遞應(yīng)力 ,由螺栓、螺母和墊圈3 部分組成。高強(qiáng)螺栓連接具有施工簡便、拆除靈活、承載力高、抗疲勞性能和自鎖性好、安全性高等優(yōu)點(diǎn) ,工程中已取代了鉚接和部分焊接 ,成為鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝中的主要連接手段。在車間內(nèi)制作的鋼構(gòu)件 ,厚板應(yīng)采用自動(dòng)多絲埋弧焊、箱型柱隔板應(yīng)采用熔嘴電渣焊等技術(shù)。現(xiàn)場安裝施工中應(yīng)采用半自動(dòng)焊技術(shù)和氣體保護(hù)焊藥芯焊絲及自保護(hù)藥芯焊絲技術(shù)。 ? 鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)技術(shù) 鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)包括防火、防腐、防銹 ,一般在防火涂料處理后無需再做防銹處理 ,但在有腐蝕氣體的建筑中尚需做防腐處理。 國內(nèi)防火涂料種類較多 ,如 TN 系列、 MC — 10 等 ,其中MC — 10 防火涂料具有防火、防腐功能。防腐防銹涂料有醇酸磁漆、氯化橡膠漆、氯橡膠涂料及氯磺化涂料等。在施工中應(yīng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)形式、耐火等級要求及環(huán)境要求選用合適的涂料及涂層厚度。 隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展 ,鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)日新月異 ,