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为什么超高层建筑都是钢结构?为什么钢结构是“万能结构形式”?

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为什么超高层建筑都是钢结构?为什么钢结构是“万能结构形式”?

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钢结构构件的受力特点及其连接类型

钢结构的抗拉、抗压强度都很高,构件断面小,自重较轻,结构性能好,所以它适用于多种结构形式,如梁、桁架、刚架、拱、网架、悬索等,应用非常广泛。在高层建筑及桥梁中的应用愈来愈多。用作钢结构的材料必须具有较高的强度、塑性韧性较好、适宜于冷加工和热加工;同时,还必须具有很好的可焊性。钢结构的钢材宜采用Q235、Q345(16Mn) 、Q 390(15MnV) 和Q 420.

1.钢结构的连接

钢结构是由钢板、型钢通过必要连接形成的结构。钢结构的连接方法可分为焊缝连接、铆钉连接和螺栓连接三种。

(1)焊缝连接:焊缝连接是目前钢结构的主要连接方法。其优点是构造简单,节约钢材,加工方便,易于采用自动化操作,在直接承受动力荷载的结构中,垂直于受力方向的焊缝不宜采用部分焊透的对接焊缝。

(2)铆钉连接:铆接由于构造复杂,用钢量大,现已很少采用。因为铆钉连接的塑性和韧性较好,传力可靠,易于检查,在一些重型和直接承受动力荷载的结构中,有时仍然采用。

(3)螺栓连接:螺栓连接又分为普通螺栓和高强度螺栓两种。普通螺栓施工简单,拆、装方便。普通螺栓一般由Q235制成。高强度螺栓用合金钢制成,高强度螺栓制作工艺精准,操作工序多,要求高。目前,在我国桥梁及大跨度结构房屋及工业厂房中已广泛采用。

2.钢结构的受力特点

(1)受弯构件

钢梁是最常见的受弯构件。

1)钢梁的截面形式

钢梁的截面形式一般有型钢和钢板组合梁两类。型钢梁多采用工字钢和H型钢,钢板组合梁常采用焊接工字形截面。

2)钢梁的强度、刚度和稳定性计算

①抗弯强度计算:取梁内塑性发展到一定深度作为极限状态。对需要计算疲劳的梁,不考虑梁塑性发展。为保证梁的受压翼缘不致产生局部失稳,应限制其自由外伸宽度与其厚度之比。

②抗剪强度计算:梁的抗剪强度按弹性设计。

③刚度计算:梁必须具有一定的刚度才能有效地工作,刚度不足将导致梁挠度太大,影响结构正常使用。因此,设计钢梁除应满足各项强度要求之外,还应满足刚度要求。梁的挠度计算时采用荷载标准值,可不考虑螺栓孔引起的截面削弱。

④钢梁的整体稳定计算:当有铺板(各种钢筋混凝土板或钢板)密铺在梁的受压翼缘上与其牢固相连,能阻止梁受压翼缘的侧向位移时,或者工字形截面简支梁受压翼缘的自由长度与其宽度之比满足相应要求时,梁的整体稳定可不计算。除此之外,应验算梁的整体稳定性。

⑤钢梁的局部稳定计算:梁腹板通常采用加劲肋来加强腹板的局部稳定性,梁翼缘的局部稳定一般是通过限制板件的宽厚比来保证的。轧制的工字钢和槽钢等型钢一般不会发生局部失稳。

(2)受拉构件、受压构件

1)受拉构件根据受力情况,可分为轴心受拉和偏心受拉构件(拉弯构件)。①轴心受拉构件:轴心受拉构件常见于桁架中。轴心受拉构件须按净截面面积进行强度计算。构件的刚度是通过限制长细比来保证的。

②偏心受拉构件:偏心受拉构件应用较少,桁架受拉杆同时承受节点之间横向荷载时为偏心受拉构件。

2)受压构件

柱、桁架的压杆等都是常见的受压构件。根据受力情况,受压构件可分为轴心受压和偏心受压构件(压弯构件)。这里主要介绍轴心受压构件。

按截面构造形式,受压构件可分为实腹式和格构式两类。前者构造简单、制作方便;后者制作费工,但节省钢材。当构件比较高大时,可采用格构式,增加截面刚度,节省钢材。和轴心受拉构件一样,轴心受压构件的截面设计也需要满足强度和刚度要求。除此以外,轴心受压构件还要进行整体稳定和局部稳定计算:通过考虑整体稳定系数进行轴心受压构件的整体稳定计算,通过限制板件的宽厚比来保证局部稳定。

(3)梁柱节点

梁和柱连接时,可将梁支承在柱顶上或连接于柱的侧面。二者均可做成铰接或刚接。

3.钢结构构件防火与防锈

1)钢结构防火性能较差。当温度达到550℃时,钢材的屈服强度大约降至正常温度时屈服强度的0.7,结构即达到它的强度设计值而可能发生破坏。

设计时应根据有关防火规范的规定,使建筑结构能满足相应防火标准的要求。在防火标准要求的时间内使钢结构的温度不超过临界温度,以保证结构正常承载能力。

2)外露的钢结构可能会受到大气,特别是受污染大气的严重腐蚀,最普通的是生锈。这就必须对构件的表面进行防腐蚀处理,以保证钢结构的正常使用。防腐处理方法根据构件表面条件及使用寿命的要求决定。

在进行构造设计时,应对构造做法妥善处理,避免诸如将槽钢槽口朝上放置,造成积水等情况;大型构件应有人能进入的观察口,以便检查维护构件内部情况等。

 

 

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