钢结构工程是以钢材制作为主的结构,是主要的建筑结构类型之一。 钢材的特点是强度高、自重轻、整体刚性好、变形能力强,故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜;材料匀质性和各向同性好,属理想弹性体,最符合一般工程力学的基本假定;材料塑性、韧性好,可有较大变形,能很好地承受动力荷载;建筑工期短;其工业化程度高,可进行机械化程度高的专业化生产;加工精度高、效率高、密闭性好,故可用于建造气罐、油罐和变压器等。其缺点是耐火性和耐腐性较差。主要用于重型车间的承重骨架、受动力荷载作用的厂房结构、板壳结构、高耸电视塔和桅杆结构、桥梁和仓库等大跨度结构、高层和超高层建筑等。
由于钢材具有较高的强度,因此,由型钢(含钢板)和高强钢丝等组合连接(焊接、高强螺栓)而成的钢结构骨架,就具有绿色建筑的特质。钢结构固有的三大核心价值:最轻的结构;最短的工期;最好的延性。在建筑全寿命周期内,最大限度地节约,最轻的结构假想强度受压高度(节能、节地、节水、节材),保护环境和减少污染,为人们提供健康、适应和高效的使用空间,与自然和谐共生的建筑。绿色建筑为人类提供一个健康、舒适的活动空间,同时最高效率地利用能源、最低限度地最短的工期工厂焊接、工地高强螺栓拼装影响环境的建筑物。节约能源;建筑适应气候;材料资源的再生利用;尊重用户;尊重地理环境;整体的设计观。
现代钢结构设计最关键的两大步骤——正确选择结构方案和正确估计结构的截面高度,钢结构精心设计一般有四大步骤:结构方案(概念设计);结构截面高度;构件布局(短程传力、形态学与拓朴原理);结点(node)小型化。其中,结构方案、结构截面高度极为重要。为了正确选择结构方案(概念设计),必须首先进行结构分类。屋盖空间结构是一种由形状而产生效益的结构,也叫形效结构(Formative Structures),这类结构的用钢量很少。因此,大跨度屋盖(直径D或跨度L≥100米)必须采用屋盖空间结构;屋盖弯矩结构的用钢量按跨度的平方成正比增加,只能用于中、小跨度中。广东奥林匹克体育场(桁架)悬臂52.4米,每平方米用钢量200公斤(屋盖弯矩结构);美国乔治亚体育馆(索穹顶)椭圆240.79米×192.02米,每平方米用钢量30公斤(屋盖空间结构);国家大剧院(网壳)椭圆平面212米×143米,每平方米用钢量292公斤(屋盖空间结构);深圳宝安体育馆辐射桁架,D=101.4米,悬臂48.295米每平方米用钢量68公斤(屋盖弯矩结构);湛江电厂干煤棚(四柱支承平板网架,柱距79.8米)每平方米用钢量70.3公斤(屋盖弯矩结构)。
钢结构建筑是绿色建筑最重要的内容,是结构工程师一生追求的光荣事业,然而我国所谓的绿色建筑政策,仅指建筑墙体的节能、太阳能利用等,而对钢结构骨架的节材几乎闭口不谈。这样,就导致我国不少大型钢结构的笨重和怪异。目前,我国设计与施工的现状是:“设计”创造困难,“施工”也要上。优良的钢结构才是绿色建筑,优良的钢结构必须是结构骨架节材,墙体节能,最大限度地满足功能,最低限度地影响环境,为人们提供健康,舒适的活动空间。并能在建筑全寿命周期内,满足可持续发展理念。
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