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建筑钢结构和轻钢结构的区别

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    1.  建筑用钢占总钢产量的比重
    近数十年来,前苏联、美国、日本三个国家一直是世界上钢产量居前三位的国家,其钢产量轮流位居世界第一位。因此,这几个国家的建筑钢结构建设事业蓬勃发展。而在同一时期,我国在这方面的发展则比较缓慢,水平也相对落后。近几年来,随着我国改革开放政策的实行和推进,我国的经济建设工作取得了突飞猛进的进展。在此期间,我国的钢产量一跃成为世界第一位。1996年,我国钢产量首次突破亿吨大关;1998年我国钢产量已达11434万t,而且每年增产300万t。钢产量的增长为发展我国建筑钢结构建设事业创造了极好的时机。但目前,我国与发达国家相比在许多方面还存在着明显的差距,因此,为了推动我国建筑钢结构的进一步发展和应用,我们急需了解国外建筑钢结构的应用概况。
中国的建筑用钢总量约占全部钢产量的20%~25%,而工业发达的国家则占30%以上。如美国和日本,该项指标均已超过50%。在我国,钢在建筑中主要用于建筑用钢结构,钢筋混凝土用钢筋,钢绞线,钢丝,门窗等,而其中钢结构用钢只占10%左右,在我国一亿吨的钢产量中,真正用于钢结构上的也就200~300万吨。
根据1998年中期美国金属建筑行业分布的一些数据,美国金属建筑行业的发展和市场的基本情况是:在20世纪50、60、70、80和90年代,以百万美元计的年销售额/以万吨计的年加工量分别为150/30、300/65、1200/110、1500/125和2200/190,如以50年代为例相应的增长倍数 分别达到1、2/22、8/37、10/57和15/6.3倍。从中可以看出,美国的建筑用金属年销售额增长很快,估计目前已经超过25亿美元,年加工量也已经达到200万吨以上。
     2. 低层、多层建筑钢结构和轻钢结构
     美国金属建筑的主要市场分布:工业(生产用厂房、仓库及辅助设施等)、商业(商场、旅馆 、展览馆、医院、办公大楼等)、社区(私有及公有社区活动中心及建筑如学校、体育馆、图书馆 、教堂等)、综合等方面,分别占到46%、31%、14%和9%的份额。
在美国,低层建筑中采用钢结构还是很普遍的。美国钢结构学会和金属房屋制造协会(AISC 和MBMA)联合编制了低层建筑的设计指南。所谓低层建筑是指层高低于18m,层数不超过5层的工业厂房、仓库、办公室及其他的办公和社区建筑等,其中两层以下的非居住用楼房建筑占70% 。
轻钢建筑在一些发达国家已被广泛应用于工厂、仓库、体育馆、展览馆、超市等建筑。所谓轻钢是指以彩钢板作为屋面和墙面,以薄壁型钢作檩条和圈梁,以焊接建筑钢结构。
     3. 大跨度钢结构
     大跨度或较大跨度大都采用钢结构,当然也有用"膜"完成的,但充气膜由于一些缺点近年来很少用,张力膜则也需要钢索和钢杆的支撑。
     大跨度钢结构多用于多功能体育场馆,会议展览中心,博览馆,候机厅,飞机库等。最早跨 度最大的平板网架是60年代美国洛衫矶加里福尼亚大学体育馆91m×122m(正放四角锥)。 最大的双层网壳是70年代也是在美国建造的休斯敦宇宙穹顶(Astrodome,直径196m)及新 奥尔良超级穹顶(Superdome,直径207m)。90年代在日本名古屋又兴建了当今世界上最大跨度的单层网壳,建筑直径229.6m,结构直径187.2m,采用三向网格,节点为能承受轴力和弯矩的刚性节点。世界上最大的室内体育馆是美国1996年奥运会的主体育馆棗亚特兰大体育馆(拟椭圆形平面,186m×235m),采用的是张拉整体体系的屋盖,主要由索、杆、膜组成 , 是当今最有发展前途的一种新型空间结构。1993年日本建成的福冈体育馆,直径222m,是当今最大的开合钢结构屋顶,而使1989年建成的加拿大多伦多天空穹顶(Skydo me,直径203m),降为世界第二跨度最大的开合结构。超过300m的屋盖结构全部使用钢板和型钢组成,并不是最优方案,近年来研究较为成功的是杂交(混合)结构,即杆、索、膜混合使 用。最为典型的例子就是千禧之年世纪之交的千年穹顶(The Millenium Dome),1997年6月 开始拟建,仅用一年时间施工,1998年6月举行升顶仪式,该馆位于英国伦敦泰晤士河南岸 格林尼治,是当今世界跨度最大的屋盖,穹顶酷像飞碟,直径320m(图3)。穹顶由12根包括10m支座在内的高100m桅杆塔柱(柱本身90m)通过总长度70km的钢缆绳悬挂起来的,桅杆塔柱布置在直径200m圆周上。穹顶网格由72根成对径向索和7根环向索做成。穹顶高50m,中间设有中心索桁架和70m直径环,上覆盖144块双层巨幅白色涂以特福隆(Teflon)的玻璃纤维布。工程总面积8万m2,总预算7.58亿英镑。馆内将以"标新立异时代"为主题举行展览会以迎接21世纪的到来。馆内设有"人体探秘"、“时光课堂”、“金融之窗”、“地球奇迹”、“展望未来”等12个展区。当然,从理论角度讲,跨度再大的结构也是有可能实现的,为此,日本、美国学者和研究单位都在进行研究。如1959年富勒曾提出建造一 个直径3.22km的短程线网壳,覆盖纽约市第23-59号街区,网壳重8万t。日本巴组铁工所曾提出跨度200m、500m及1000m网壳蓝图,其中500m为全天候多功能体育娱乐活动厅,1000m为创造理想未来城市,体现工作、居住、娱乐一体化的丰富日常生活环境。虽然这种设想在现实当中能否实现还有待于深入研究,但在桥梁方面,1000m左右跨度已经实现,世界上跨度最大的斜拉索桥为日本的多多罗大桥全长为890m;最大的悬索桥为日本的名石大桥 (1991m),公路铁路两用最大跨度桥为香港的青马大桥(悬索桥1377m)。世界最早的双曲抛物 面悬索屋盖是著名的美国雷里竞技馆。另外历届奥运会、博览会等都可以显示钢结构的发展水平。如1972年德国慕尼黑(覆盖7.48万m2体育场的索网建筑群),1976年加拿大蒙特利尔,1980年莫斯科,1984年美国洛杉矶,1988年韩国汉城(120m直径体操馆及93m直径击剑馆都是索穹顶),1992年西班牙巴塞罗那圣乔地体育馆(128m),1996年美国亚特兰大乔治亚穹顶( 186m×235m索穹顶)。2000年澳大利亚悉尼主体育场(11万人,两个220m×70m的双曲抛物面网壳)。机场和机库都属于大跨度结构,在工程中基本上也都采用钢结构。如英国伦敦希思罗机库(一、二期)应是规模比较大的工程。而我国近年来建成的首都机库(2-153m×90m)采 用三层斜放四角锥网格、焊接球节点平板网架,其跨度规模之大,在国际上是数一数二的,这是我国在钢结构方面的又一大殊荣。机场的钢结构屋盖由于建筑上的要求比较高,更是绚丽多彩。香港机场、马来西亚机场都采用大面积单体网壳形式。目前,国际上以及我国都在流行一种波浪形曲面,树状支承以及直接交汇的相贯节点的立体桁架体系。看起来雄壮而美观。我国深圳机场、首都机场、上海浦东机场就是典型的例子。
     4. 我国建筑钢结构的前景与差距
     从美国、日本、欧洲一些发达国家的经验看,建筑业即将成为钢材应用的主要市场。而目前 我国与之相比还有差距。因此我国的高层建筑钢材到目前为止还都从国外进口,特别是大于50mm的厚钢板,国产产品的Z向性能尚达不到要求 。国外不仅钢板厚度较大,而且可以满足各种性能要求。如日本已经能够生产的100mm的厚钢板,具有以下类型:①有高强度低预热型(以前预热75℃,现在预热50℃)的厚钢板590N/mm2级(HT590级);②抗地震的厚钢板,主要有低屈服比高强度钢材(HT590~HT780级)和低屈服点钢板,这种钢材日本重点生产,用于次要结构上,当地震时这种材料先屈服,保证主要 结构减少地震损失;③防火厚钢板。有400N/mm2及490N/mm2,当其在600℃ 时屈服强 度还能达到常温下的2/3;④装饰用的奥氏体不锈钢板及铁素体不锈钢板。
     目前,国内高层钢结构钢材几乎都从国外进口,工程总承包由国外承担,制造和安装则由国内廉价劳动力承包,这种局面应从速扭转,因为这与我国产钢大国的地位很不相称。大跨度钢结构钢材不像高层钢结构那样突出,但设计方案(包括建筑和结构)经常国外中标,这种局面与中央强调建立我们自己的科技创新体系的号召相距甚远,应该引起我国建筑界的关注,是水平低还是其它原因,值得我们深思。