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钢结构是建筑的未来?原因在这里

随着社会的发展,人们对建筑的便捷性和耐用性要求也是越来越高,按材料类型来划分,建筑可以分为木结构、砖石结构、钢筋混凝土结构和钢结构四大类。

从原始时代起,我们的祖先已经有几千年使用木材来建房子的历史。至今,在美国、欧洲、日韩和中国的西部,还有很多木质的民用房屋。木材有容易获得、成本低廉、可加工性强等优点,但其缺点也是非常明显的,比如不耐用、易受白蚁侵蚀、防火性能差,以及砍伐森林破坏环境等,因此应用范围越来越窄。中国历史上的很多著名建筑,比如阿房宫、圆明园等,都因为火灾而灰飞烟灭,没能保存下来。

相比于钟情木结构建筑的古代中国人,欧美人比较喜欢用石头和红砖来做建筑,很多历史建筑因此能够留存下来,尤其是教堂和城堡等大型建筑。现代人居住的房子,绝大部分都是用砖头盖的,舒适性和耐用性比木结构高了很多。

但是,砖石结构也有明显的弊端,那就是施工速度慢,而且抗震防灾性能一般。以石头或砖墙承重的结构,无法承受高层建筑的重压。在汶川地震等重大灾害中,很多房子的墙壁都是整排整排地倒。由于倒塌速度太快,很多人没能争取到宝贵的逃生时间。

钢筋混凝土技术的出现,是人类建筑材料和结构上的一大革命。有了强度高、可塑性很强的材料,人类长期梦想的高层和超高层建筑才成为了可能。随着20世纪全球经济的发展和施工技术的完善,世界各地的摩天大楼,犹如雨后春笋般不断涌现。

而钢筋混凝土建筑的一些弊端,在建筑的高要求面前也变得越来越突出。比如,建设速度不够快、扬尘污染和噪音污染较高等等。而另一方面,随着炼钢技术的不断提升, 全球钢产量也是每年水涨船高。钢铁这个强度高、可塑性强、跨度大的材料,就被大量地引入到建筑中来。

那么,钢铁有哪些优势呢?下面就一起来看看吧。

1、强度高,重量轻

建筑钢材与其他建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比,强度要高得多,因此结构构件质量轻且体积小。结构的轻质性可以用材、料的质量密度与强度的比值来衡量,值越小,结构相对越轻。建筑钢材的α值为1.7x10-4 m-1,木材为5.4x10-4 m-1 ,钢筋混凝土约为18x10-4 m-1 。以相同跨度且承受同样荷载的简支屋架为例,钢屋架的重量仅为钢筋混凝土屋架的1/4~1/3 ,冷弯薄壁型钢屋架甚至接近 1/10。由于在同样受力条件下的钢结构自重轻,不但可以显著减小地震作用,进而减小结构内力,还可以降低建筑地基的造价,这个优势在软土地区更加明显。此外,构件轻巧也便于运输和安装。因此,钢结构特别适用于超高层、大跨度建筑,比如摩天大楼,工业厂房,以及桥梁、塔桅等。

2、塑性韧性好,抗震性能优越

钢材的内部组织均匀,接近各向同性,而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的,弹性模量大,是理想的弹性-塑性体。钢结构的塑性和韧性都远高于混凝土和砖石结构,不会因偶然超载或局部超载而突然断裂,也更能适应振动荷载。在日本、台湾等地震多发地带,钢结构建筑非常常见。而从世界各国历年统计数据来看,在台风和地震等灾害多发地带,钢结构通常是受灾损坏最少的建筑类型。

3、工业化程度高,施工速度快

钢筋混凝土建筑需要用到大量的浇灌模板、支撑杆、夹具等等,还需要工人现场编造铁笼,速度较慢。而钢结构建筑材料单一,且多是专业工厂内加工好的成品或半成品,并能够使用各种大型的专业机械操作,与人工作业相比,标准化,精度高,质量稳定,施工现场工人的劳动强度低。钢构件在工地拼装时,多数使用螺栓连接,少数情况下使用简单的焊接。钢构件还可以在地面拼装成较大的单元甚至拼装成整体后再进行吊装,可以显著降减少高空作业量,缩短工期。

4、 成本低

与传统钢筋混凝土结构相比,钢结构建筑虽然大量使用钢材,钢材成本高,但节省了大量水泥等辅材辅料,所需的人工数量也大幅减少。厂内预制件的广泛应用,显著减低了现场加工难度,提高施工速度。综合计算材料及成本等多钟因素,钢结构建筑比钢筋混凝土节省30-50%的成本。钢结构的重量仅为混凝土的几分之一,因此对地基的要求也相对较低,可以大比例降低地基费用,尤其在软土环境下。施工周期短,使整个建筑更早投入使用,可以缩短资金流动周期,而且提前收到投资回报,综合效益高。

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