钢结构建筑的推广与应用综述

发布时间:2024-02-04 20:02:31浏览次数:11
钢结构建筑的推广与应用综述钢结构具有力学性能好、工业化程度高、材料环保等优势。这些优势在高层建筑、大型空间设施、商业设施、工厂和仓库、成套设备结构等建造方面尤为突出。尽管钢结构和混凝土结构间的差价约为工程总投资的 5%~10%,但钢结构具有更好的综合经济效益和社会效益。当前,钢结构在建筑领域的应用和发展进入了黄金时期。由于我国装配式钢结构政策的有力推动,建筑市场产业化改革的现实需要以及解决钢材产能过剩问题的直接动力,钢结构建筑在我国的发展空间也越来越广阔。本文通过总结近年来我国钢结构建筑的发展现状,分析钢结构建筑的优势和特点,以及适合应用钢结构的建筑领域,并介绍作者在钢结构推广与应用方面做出的工作,以期对未来钢结构建筑的发展提供有效的建议。1 钢结构发展现状1.1 政策支持近年来,国家和地方政府相继出台了关于装配式钢结构建筑的相关政策,包括党的十九大报告、国务院关于装配式建筑、绿色建筑的顶层设计文件,以 施工过程仿真分析,以及结构地震分析计算方法。开发了基于 ANSYS 的钢结构优化设计功能模块。根据空间结构的特点,将大跨结构设计规范引入 ANSYS 软件,实现了大跨结构计算分析与设计技术的集成,填补了国内空白。编制了将地震波转换成反应谱和合成地震波的程序,实现了大跨度钢结构地震设计的振型分解反应谱分析和弹塑性时程分析。大连鞍山钢铁金融中心 由一座 51 层超高层塔楼和一座 5 层裙楼组成。总建筑面积 13.3 万平方米。该塔是由钢筋混凝土核心筒和外部支撑框架组成的框架-核心筒混合结构。大型支撑框架由矩形钢管混凝土柱框架和钢支撑组成。核心筒各墙肢厚度由一层的 900/600/300mm 逐渐减少到顶层的 500/300/250mm,混凝土强度等级由 C60 降低到 C40。外框 37 层以下为矩形钢管混凝土柱,上部为矩形钢管柱。此项目建筑高度超过了设计规范限制,通过对外部框架和重要的墙肢进行调整,加强薄弱部位,保证结构的安全可靠。政策扶持、产业化需求,以及钢材产量的增加极大地推动了钢结构建筑的发展。钢结构具有结构性能优越、满足建筑需求、工业化程度高、材料绿色环保等一系列优点,应当重点在能够发挥钢结构优势的领域应用钢结构建筑;钢 结构和混凝土结构相比,钢结构具有更好的综合经济效益和社会效益;钢结构相关标准的编制和修订对结构设计进行了标准化指导,为钢结构的推广做出了重要的贡献。作者简介郁银泉中国建筑标准设计研究院有限公司副院长、总工程师,教授级高级工程师,国家一级注册结构工程师,享受政府特殊津贴专家,西安建筑科技大学硕士生导师,全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会委员,中国建筑学会资深会员,中国钢结构协会副会长,中国钢结构协会钢结构设计分会副理事长,中国建筑学会建筑结构分会理事等。主持设计的“数字北京大厦”获 2008 年度全国优秀工程勘察设计银质奖。担任国内外多个重大工程项目的结构负责人,如国家体育场(鸟巢)、中关村金融中心、天津新华世纪金融中心、鞍山市体育中心、阿尔及利亚奥兰体育场等。 及发展装配式钢结构建筑的行业内指导性意见。规定了必须采用钢结构的建筑类别,以及可以进行政策补贴的建筑形式。意在推进装配式建筑的发展,实现建筑工业化生产,促进建筑行业的可持续健康发展。装配式钢结构建筑作为装配式建筑的重要体系,将迎来新的发展机遇和挑战。1.2 建筑行业市场与钢铁消费当前,我国建设投资比重不断提高。2016 年全国建筑安装类投资占固定资产总投资的 69.8%,是我国社会固定投资的主要部分。与发达国家相比,我国的钢结构在建筑行业的应用比例较低,如图 1 所示。民用建筑结构体系中,钢结构仅占 5%,而发达国家已有 20%~35%。此外,钢结构在学校、医院、住宅等建筑中的利用率很低。因此,钢结构在我国有很大的发展空间。 图 1 各国家钢结构占比情况图 2 我钢材产量和钢结构制造量我国建筑业对钢铁的需求最大。如图 2 所示,2016 年全国建筑钢结构用钢量占钢产量的 5.5%,钢结构制造量逐年递增,呈指数增长形式,而钢材产量增长从 2013 年开始放缓,这是因为我国钢材产能过剩所致。因此,发展钢结构对 解决我国钢铁产能过剩问题具有重要意义,可以促进钢铁生产的发展,提高国民经济的增长。2 钢结构特点2.1 结构性能钢材的比强度大于混凝土材料,且钢结构比钢筋混凝土结构轻 30%~50%,有助于降低建筑的建造成本。此外,经自重的减少,结构的设计内力在地震中明显降低。与其他建筑材料相比,钢材具有更好的塑性和韧性,不会因为结构的过载而突然断裂,而且对动态载荷的调节能力也很强。钢材良好的耗能能力和延性,使钢结构在抗震和抗风条件下表现良好。在大变形时,结构不易倒塌,提高了安全性。钢结构适合用于受大振动和冲击载荷的构件和结构,可作防灾和储备基地。此外,钢管混凝土柱和抗震钢的使用可以减少建筑物的晃动,提高建筑物的舒适度。火灾是钢结构的主要威胁。对此,钢结构必须采取防火措施。其中钢构件可以采用外包裹混凝土(或砌体砖法)、刷防火涂料、附防火覆板等方法进行防火。 具备耐火或防火能力的钢结构可视为耐火建筑。2.2 建筑需求钢结构承载能力高,可增加建筑空间的有效利用,打造随意空间,还可以在结构内部采用灵活隔断,可以实现房间的自由布局。如图 3a 所示,在相同的跨度下,钢结构的构件截面可以缩小。如图 3b 所示,在构件截面相同的情况下,钢结构的跨度比混凝土结构大。图 3 钢结构与 RC 结构的对比由于钢材良好的加工性能,可以实现富有魅力的建筑设计。可充分利用材料的高强度,实现对细长构件的自由加工和曲线的自由伸展。此外,随着外部装饰行业的技术发展,钢材可以与木材、玻璃、金属、石材等其他材料相结合,在建筑的室内外装饰设计上进行创新。2.3 生产施工钢结构作为一种高度工业化的工程结构,工业化不仅反映在结构本身,而且涵盖了一套完整的墙体,屋架,装饰,厨电、水和天然气等集成设施。可集 楼宇自动控制、雨水收集、太阳能、地热能和智能技术于一体。钢结构容易实现设计的标准化、构配件生产的工厂化、现场施工的装配化、完整建筑产品供应的社会化。钢结构建筑的发展是实现建筑业产业化的良好途径。2.4 绿色环保钢结构作为一种绿色环保材料,具有以下优点:1)可以分解、重组、再利用,节约自然资源;2)提高耐久性,减轻环境负担;3)不含建筑垃圾,可循环利用,使用可持续的材料。钢结构建筑的发展符合绿色发展理念。3 钢结构在建筑行业中的优势应用领域广泛 如图 4 所示,高层建筑、大空间设施、商业设施、工厂与仓库、成套设备结构物等建筑领域适用于发挥钢结构的优势。实现了大空间、自由布局的要求,且良好的抗震和抗风性能提高了建筑安全性和舒适性。 图 4 钢结构建筑类型经济效益好 通过对两个住宅项目不同结构体系的比较,反映了钢结构建筑在成本控制方面的成果和钢结构的综合优势,如表 1 所示。总体而言,与混凝土结构相比,钢结构造价相对较高,二者间的总的差价约为工程总投资的 5%~10%,但钢结构施工周期更短,能够较大地节约财务资本。因此,钢结构建筑具有更好的综合经济效益和社会效益。 表 1 8 度区两个工程项目造价对比4 钢结构推广作者及其团队所在的中国建筑标准设计研究院在钢结构推广方面开展了广泛的工作,包括钢结构相关标准的编制与修订、钢结构体系的研究与开发、代表性工程设计与咨询等。4.1 标准的编制与修订标准的编制和修订是钢结构推广过程中的一个重要环节。作者主持或修订的《钢结构设计标准》《高层民用建筑钢结构技术规程》《建筑抗震设计规范》《装配式钢结构住宅建筑技术标准》《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》等规范对钢结构的承载力设计、抗震设计、钢结构设计等要求进行了系统规定,对结构设计进行了标准化指导。4.2 施工实例以国家体育场大跨度钢结构和大连鞍山钢铁金融中心高层钢结构为例,介 绍了作者在钢结构建筑设计咨询方面的工作。国家体育场总建筑面积 25.8 万平方米,建筑高度 68.5 米。大跨度屋顶由 24根桁架柱支撑。主体结构与箱梁交错,与屋顶、立面形成“鸟巢”的特殊建筑形态。国家体育场跨度大,外形独特,构件尺寸大,空间扭转构件数量多。因此,在钢结构设计中采用了许多新材料、新技术和新工艺,设计和研究成果达到了国际先进水平。国家体育场的钢材完全是国产的。主体结构的厚钢板以 Q345GJ 钢为主。与Q345 钢相比,Q345GJ 钢的磷、硫含量明显降低,可满足《建筑抗震设计规范》对钢的屈服比、伸长率和冷弯性能的要求,具有良好的力学性能和焊接性能。此外,在桁架柱上应力最大的位置使用高强度 Q460 钢,最大厚度达到110mm。这是目前国内建筑工程中使用的强度等级最高的钢板,其性能要求远远高于目前国内外的技术标准。在结构设计的研究成果:丰富了现有的钢结构设计方法,包括风振系数和方管桁架组件,结构整体稳定性,焊接薄壁箱形构件设计,畸变构件设计,箱形截面桁架节点设计、特殊立柱基础设计,大跨度温度场计算,火灾风险分析和
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