钢结构在国内建筑中的应用与发展

钢结构在国内建筑中的应用与发展

摘要：由于钢结构自身的优点突出，目前在国内得到越来越广泛的应用。本文结合工程实践经验，概述了钢结构在国内建筑工程中应用情况，分析了钢结构在国内建筑中能够得到快速发展的原因，总结了国内钢结构应用中存在的问题并提出解决方案，同时提出了个人的一些建议，以供同行参考。

关键词：钢结构；应用现状；处理措施；发展前景

0 引言

随着国内经济的发展和改革开放的深入，国内钢材每年的产量已连续超过1×108t，成为世界世界第一，迅速增长的钢材产量为发展国内钢结构建筑创造了优越的条件。钢结构建筑具有高强轻质、抗震性能好、力学性能优越、施工迅速、工业化程度高、外观优美、可多次利用并且符合国家可持续发展的政策等一系列优点，近几年钢结构建筑在国内发展得很迅速，应用范围不断扩大，但与国外一些发达国家相比，还存在着明显的差距和问题，由此可见，今后国内钢结构建筑市场有着巨大的发展空间。本文结合工程实践经验，概述了钢结构在国内建筑工程中应用情况，分析了钢结构在国内建筑中能够得到快速发展的原因，总结了国内钢结构应用中存在的问题并提出解决方案，同时提出了个人的一些建议，以供同行参考。

1 国内钢结构建筑的应用概况

由于国内已经具备了长期发展钢结构建筑而形成的基本条件，近几年国内钢结构建筑取得较大发展，具体体现在以下几个方面。

1.1 轻钢结构的发展

自1985年以来，国内就从国外引入大量轻型钢结构建筑系统，这种新型钢结构建筑体系开始在国内慢慢崛起。该钢结构建筑体系是以美国MBMA设计规范及《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》为基础设计建造的。其结构形式为门式刚架以及以门式钢架为基础衍生出的不同形式，保护体系为彩色压型钢板、复合板和保温棉等轻型体材料为主，如今已形成了囊括采光、通风、密封等在内的成系统的新型钢结构建筑系统，称之为轻型钢结构。这种轻型钢结构大多用在建造厂房，仓库，商场和机库等工商业类建筑，逐渐替代了传统的钢结构、混凝土建筑，并以其较好的经济、技术及安全性，在国内建筑市场上异军突起，逐渐形成了一个现实的市场。

1.2 大跨度钢结构应用广泛

从建筑造型看，为了迎合人们审美要求的提高，钢结构建筑的造型日趋多变。从结构形式看，大跨度钢结构从比较单一的网架、网壳逐渐发展至各式组合杂交体系，甚至很多其他领域(如桥梁)的结构形式也移植到大跨钢结构中来(如深圳万科中心采用的斜拉桥概念)，结构体系呈现出变化多端、不断创新的格局，这都得益于钢材质量均匀的特点。在有限元技术不断进步的今天，钢结构建筑的性能可比较准地进行分析控制，建筑师天马行空般的概念设计能得以彻底的实现。与此同时，大跨度及空间钢结构的施工技术也得到跨越式发展，先进、创新的施工方法层出不穷，不少技术方案及措施思路巧妙，令人赞叹。以下具有地标性且结构形式新颖的钢结构建筑：深圳龙岗区体育新城、贵阳奥林匹克体育中心体育场、深圳滨海休闲区的“深圳湾体育中心”、广州番禺区的“广州亚运城综合体育馆”、武汉市青山区的“武汉新火车站”、深圳宝安区的深圳机场航站区T3航站楼、北京朝阳区的中央电视台新台址等都是近年来建筑钢结构工程成功范例。

1.3 高层钢结构建筑得以发展

进入21世纪以来，随着国内各地的城市化进程加快，国家综合科学技术力量的提升，尤其是钢铁产业、建筑材料的发展，使高层建筑星罗棋布般地出现在各地。超高层建筑逐渐作为一个城市的地标性建筑，尤其是这几年来一些大中型城市的城市天际线在不断地升高。人们愈发认识到：超高层钢结构建筑是一个国家和地区经济发达、材料科技水平提高、科研进步的象征。国内的超高层钢结构建筑自1979年以来已有30多年历史，并在设计和施工中积累了不少经验，并有了国内自行编制的《高层民用建筑钢结构技术规程》。

1）构件立体化

高层建筑在水平荷载的作用下，主要依赖竖向构件提供抗推刚度和强度来保持稳定。竖向线性构件的抗推刚度在各类竖向构件中较小；竖向平面构件(剪力墙或平面框架)虽然在其平面内具有较大的刚度，但它的平面外刚度依然小到可忽略不计；由墙或密柱深梁组成的筒体或巨型柱其基本元件依旧是线形构件或平面构件，它已转变成具有不同力学特性的立体构件，在任何方向均具有较大的抗推刚度及抗扭刚度，能抵抗来自任何方向的倾覆力矩和扭转力矩。

2）结构支撑化

框筒是高层建筑的一种高效抗侧力体系，但原有的剪力滞后效应削弱了其抗推刚度及水平承载能力。尤其是房屋平面尺寸较大的时候，以及建筑功能需要而增加柱距时，剪力滞后效

应就愈加严重。为使框筒能充分发挥作用并有效地用于更高的房屋建筑中，强化框筒的有效措施就是在框筒中增设支撑。若把在抵抗倾覆力矩中承受压力或拉力的构件，改为向房屋四角集中在转角处形成一个巨柱，并利用交叉斜杆组合成一个整体支撑体系，这是高层建筑钢结构中的又一新的发展趋势。由于巨大的角柱在抵抗任何方向倾覆力矩时都具有最大的力臂，从而该结构体系更能发挥结构和材料的作用。

3）巨柱周边化

巨型柱属立体构件，本身具有较大的抗推刚度、抗扭刚度。若将巨柱沿建筑平面的周围布置，则该结构具有更大的抗推刚度和抗扭刚度，能抗御特大水平荷载与扭转荷载。该种结构布置方案尤其适用在超高特大型高层建筑。

4）体形圆锥化

现代高层尤其是超高层建筑体形建造成圆锥或截头圆锥形状来减小风载体形系数及增大抗推抗扭刚度。如东京拟建的米兰留培楼，高度800 m，采用圆锥状体形。

5）材料高强轻型化

随着建筑高度的增加，结构自重逐渐增大，从而引起地震作用增大，以致结构面积占建筑使用面积的比例和结构对地基的压力增大。为了尽量减小或消除上述的一些不利影响。选用轻质高强材料(如选用压型钢板或铝板作围护外墙或隔墙等)是高层建筑钢结构的又一发展趋势。

6）动力反应智能化

对于特高特大型或复杂体形的高层或超高层建筑，为了减小风振或地震反复，在结构上安装传感器、质量驱动装置、可调刚度体系和计算机等所组成的人工智能化反应控制系统，来控制整个结构的地震反应，使它处于安全界限以内。这是高层建筑钢结构在结构减震控制方面的发展趋势。如日本拟建的“动力智能大厦”，地下7层，地上200层，高800m，建筑总面积150万平米。在安装了人工智能化动力反应控制系统后，其结构在地震作用下的侧移削减40％左右。可以看出，巨型钢结构为高层或超高层建筑的一种崭新体系，是为了满足特殊功能或综合功能而产生的，它具有良好的建筑适应性和潜在的高效结构性能，是一种很有发展前景的结构。

1.4 多层钢框架结构产生

多层钢框架结构是多层厂房最常用的结构，也是将来建筑产业发展的一个重点。钢框架结