钢结构构件合理性截面的选择研究

钢结构构件合理性截面的选择研究
【摘要】以钢结构建筑的许多优点说明钢结构建筑在中国建造的必然，但是钢结构技术与发达国家相比，还存在很大差距，因此我们要推广我国钢结构建筑的进一步发展和应用，就必须对钢构件合理性截面形式的选择进行研究，达到“技术先进、经济合理、安全适用、确保质量”的要求。

【关键词】建筑；钢结构；截面
钢结构建筑，在当代建筑研究领域里，由于它具有质轻、外美、抗震性好等优点，一直是建筑领域里的一大热点。

特别是一些大城市标志性高层钢结构建筑的建成，为钢结构在我国的发展揭开了新的一页。

19世纪中叶以前的几千年，建筑材料一直以砖、瓦、木、石为主，所以建筑的高度、跨度、空间造型以及美观程度受到了很大限制。

从19世纪中叶到20世纪初，钢铁、水泥的相继出现并大力推广，为大力发展现代高层及大跨度宏伟建筑提供了物质条件。

特别是20世纪以后，电子计算机在建筑中的广泛应用以及先进施工技术的发展，为高层、超高层钢结构及大跨度网架结构的设计和施工提供了可靠的设计理论依据和施工质量保障，带来了人们对轻型大跨、高层及超高层钢结构的研究与追求。

在我国近几年来，虽然钢铁产量位居世界首位，但炼钢用的铁矿石在地球上的储量是相当有限的，而且钢材价格相对较高，对节约钢材不得不引起注意。

所以我们在设计时应注意钢材的合理应用，注重钢构件合理截面形式选择的研究，设计较为合理的结构形式。

1.人们对于建筑的认识
20世纪90年代以前，在中国，人们对于建筑的要求概括起来就是经济、美观、安全、适用，而主要是以结构的经济为主。

90年代以后，随着人民生活水平的提高、社会意识的转变，人们对于建筑的要求转到了美观为主，但同时也伴随着安全、适用、经济的要求。

随着我国经济建设工作突飞猛进的发展，高层、超高层钢结构及大跨度网架结构相继出现，引起了人们对于钢结构的关注。

我国的建筑用钢总量约占全部钢产量的20%～25%，而工业发达的国家建筑用钢量则占30%以上。

如美国和日本均已超过50%。

与发达国家相比，我国在钢结构事业方面还存在着明显的差距，有许多超高层建筑及大型大跨建筑都从国外进口钢材和钢结构技术。

作为建筑师、结构师，我们应大力推广钢结构建筑的进一步发展和应用，除了学习掌握国内外先进的钢结构技术之外，还应注重钢结构计算理论的深化研究，在设计钢结构确定合理截面形式时少走弯路，达到《钢结构设计规范》所规定的“技术先进、经济合理、安全适用、确保质量”的要求。

2.钢结构在现代建筑中的应用
在生活中，我们所见到的许多较轻盈美观的建筑，大多数都是钢结构建筑。

这些钢结构建筑的建成，主要与钢材的优良特性及其构件截面形状的多样化分不开的。

其应用大致有：
2.1在桥梁建筑中的应用：悬索桥、斜拉桥、桁架桥、网架桥等；
2.2在高耸建筑中的应用有：电视通讯塔、电线塔、吊车塔架、钻井塔等。

2.3在房屋建筑中的应用有：体育馆、工业厂房、仓库、展览馆、超市以及钢结构住宅等。

3.钢结构的优、缺点
3.1钢构件截面形式的优点：
混凝土构件的截面形式有矩形、工字形、T形、L形、圆形以及一些有特殊要求的形式，如薄壳形、螺旋形、锥形等。

而钢结构构件的形式除有上述结构形式外，还能按我们所需要的制造出任意形状。

3.2钢材结构特性的优点：
钢材强度高、塑性韧性好、材质均匀，可焊性好，基本符合力学计算假定，
3.3钢结构施工优点：
制作简便，施工工期短，做成的钢结构与其它结构相比重量较轻，而且密闭性好；
3.4钢结构的缺点：
耐腐蚀性差，耐热但不耐火，在低温环境下易发生脆性断裂。

因此在选择钢
构件截面形式时，应注意防止结构构件在使用过程中产生的不必要的损害，以致造成不良后果。

4.合理的钢构件截面形式，应从以下四方面进行考虑：
4.1钢构件的作用。

如果是装饰性构件则须重在美观上，这应从建筑周围环境及建筑的功用来确定装饰性钢材的选择。

如钢栏杆，能用扁钢的不用切割钢板，能用钢管就不用圆钢筋。

如果是受力构件则须重在受力，根据各个构件的内力影响线及其不可预料的环境影响选择适当的构件截面形式。

如轴心受压柱，能用钢管而不用槽钢焊接，能用高频焊接H型钢而不用轧制工字钢。

因为后者截面在x和y两个方向的回转半径i不一样，造成受力不合理。

4.2构件所处的环境。

如果是湿润环境应尽量选择外形简单，有防腐处理的钢构件；腐蚀性环境应选择有外保护层或有特殊防腐处理的钢构件；寒冷或严寒环境须选择特种防冷脆的钢构件；高温环境须选择有防火处理能适应这种高温的钢（或合金钢）构件。

4.3构件的使用年限。

使用时间短的临时性建筑可以选择普通钢材并尽量使截面形式简单的构件；使用时间长的一般或重要性建筑须选择精练或经国家批准的有关部门检验过的符合要求的钢构件，并按使用要求尽量使构件形式标准化、合理化。

4.4钢材的来源。

钢构件选择截面形式应根据钢材的来源地选择，也就是就地取材原则，要使材料费加上运输费为最低最经济的原则，这主要是考虑各个钢铁厂生产的钢材截面种类不全，造成了设计选择构件截面时有一定的限制。

我们设计者要因地制宜的选择钢材，而不要盲目的去追求结构合理而造成建筑结算价格的不经济性。

5.钢材的种类及其截面形式。

在进行钢构件截面形式的选择时，还须熟悉钢材种类及其特性。

5.1结构用钢材种类划分：
按冶炼方法有平炉钢、电炉钢、氧气转炉钢或空气转炉钢；
按炼钢脱氧程度有沸腾钢、半镇静钢、镇静钢及特殊镇静钢；
按钢的屈服点有Q235钢、Q345钢、Q390钢、Q420钢等，其质量等级从次到优有A、B、C、D四级。

设计时根据钢构件受力大小和所处环境类别以及当地炼钢技术确定钢材种类，然后根据内力计算选择截面形式。

5.2钢构件截面形式：
有轧制型钢（工字钢、H型钢、T型钢、槽钢、角钢、钢管）、轧制钢板、冷弯型钢（槽钢、角钢、C型钢、Z型钢、薄壁钢管、钢网架螺栓球）、组合截面（T型、工字型、十字型、槽型、Z 型、箱型）等。

型钢截面尺寸已由工厂的生产条件所限定，无法灵活控制尺寸，对于一些小型钢结构建筑的主要结构构件选择型钢还算可行，可对于大型建筑的主要结构构件还须选用组合截面较为合适，因为组合截面由设计者计算确定，工厂焊接制作就成型了。

如大型厂房的门式刚架，由于是变截面形式，所以先由设计者设计，再到工厂根据图纸选钢板下料高频焊接，最后上工地用螺栓拼接便可完成。

了解了钢材的截面形式，设计时根据计算结果选择合适的截面类型就得心应手了。

6.通过计算机软件程序计算以及手算调整，以确定各个构件合理的截面形式。

内力计算是结构设计的前提，通过计算机软件程序计算以及手算调整，确定了构件截面，然后再验算各构件的强度、刚度、稳定性。

构件的强度验算即是根据最不利内力验算整体强度、局部削弱强度；构件的刚度验算即是验算构件在荷载标准值作用下的挠度及变形；构件稳定性验算即是验算在各种荷载作用下构件的平面内稳定、平面外稳定以及局部稳定。

如验算结果都满足且验算值和《规范》允许值相差不大，则所选构件合理，否则应重选构件并重新计算，直到达到要求为止。

随着计算机的应用，几乎每一个工程都由计算机来完成。

所以要选择好合适的构件截面还须熟练掌握计算软件（PKPM、3D3S、MST等）的使用，只有在拥有了丰富理论知识和实践知识的情况下，要想设计出合理的钢结构建筑就不会是一件很困难的事情。

7.总结
钢结构作为一种轻型、美观、合理的结构材料，我们设计人员应注意研究钢结构构件的截面形式，不拘泥于传统经验，勇往直前，大胆设想，锐意创新，设计出最为合理的结构形式。

总的来说，设计者在设计钢结构时，要达到经济、合理、美观、适用的要求，对钢构件合理截面形式的选择研究是非常有必要的。

参考文献：
[1] 中华人民共和国建设部.钢结构设计规范.中国计划出版社.2003年.
[2] 黎钟.钢结构连接节点设计手册.中国建筑工业出版社.2005年.。