1 钢结构工程施工及钢材的基础知识

1.1 钢结构优势及其施工特点

1.1.1 钢结构建筑的优势

与钢筋混凝土结构、砖混结构相比,钢结构建筑具有以下几方面的优势。

1.钢结构属于节能环保绿色建筑结构

在材料生产和建造过程中,与混凝土结构相比,钢结构可以大幅度减少有害气体(CO2)和有害物排放量;与钢筋混凝土结构、砖混结构相比,可以大量减少水土流失,减少对生态环境与植被的破坏,减少资源的消耗(见图1-1)。

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图1-1 传统建筑结构(钢筋混凝土结构、砖混结构、木结构)对生态环境的破坏

2.钢结构符合循环经济特征和可持续发展要求

全世界都面临着可持续发展的课题,钢材作为国家的重要战略物资,在国家的战略地位及对可持续发展的意义越来越被重视,采用钢结构成为储存钢材的有效手段之一。钢结构符合循环经济特征和可持续发展要求(见图1-2),其主要体现在以下两个层面:

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图1-2 钢材生产及其循环利用示意图

(1)在建筑物使用寿命期内:

1)建筑结构(钢材)的使用寿命比传统结构(砖石、混凝土、木)要长;

2)钢结构更易于改造加固或改变使用用途;

3)钢结构更易于沿三维(建筑物的纵向、横向、高度)扩建或更新。

(2)在建筑物报废以后:

1)钢结构或构件易于拆卸和重新安装使用;

2)大量减少甚至可以避免不可再生建筑垃圾(砖石、混凝土)的处理;

3)钢材可以100%循环再炼钢使用,相当于国家战略物资的储藏和再利用。

3.钢结构轻质高强,抗震性能好

(1)钢结构自重比混凝土结构轻约50%,地震响应荷载相应减小,地基处理和基础工程量相应减少。

(2)钢材材质均匀,强度高且柔韧性好,结构的抗震性能好,特别适合大跨度、重型结构及超高层结构体系(见图1-3)。

(3)钢结构可采用多种耗能连接节点和构造,提高了结构的消能减震性能。

4.便于产业化推广,现场施工环境好、速度快

(1)钢结构构件可以工厂加工制作,现场安装比混凝土结构现场施工工期缩短50%以上(见图1-4)。

(2)易于采用计算机辅助设计与制造技术,可以提高生产效率和加工精度,降低成本。

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图1-3 大跨度悬臂及超高层钢结构示意

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图1-4 钢结构现场安装示意图

(3)施工现场避免了沙、石、粉尘飞扬等污染环境的问题,有效地控制和减少建筑工地对城市环境的污染和破坏。

(4)现场施工人员减少,现场拥挤状况改善。

5.建筑空间布局灵活,使用面积大

(1)钢结构能够提供更大跨度的空间,为业主提供更为灵活的个性化功能布局,实现丰富多彩的个性化建筑套型设计(见图1-5)。

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图1-5 钢结构建筑空间布局划分灵活

(2)更小的柱子截面和围护结构,为用户提供更多的使用面积。

(3)钢结构更易于与轻质环保围护材料(内、外墙)配套使用,便于房间布局的改装。

6.综合性价比高

(1)单层厂房特别是轻型门式刚架结构,工程造价已低于钢筋混凝土厂房,以至于市场上已经基本以钢结构为主。

(2)多高层房屋建筑,虽然钢结构直接成本比钢筋混凝土结构略高,但综合考虑使用面积增加、工期缩短、基础工程量减少、减小垃圾处理量及节约水资源等效益,钢结构只比钢筋混凝土结构造价提高有限,有些情况还有可能有所降低。

(3)超高层建筑或大跨度公共建筑,往往由于材料所限,一般采用钢-混凝土组合结构或预应力结构,因此,比较钢结构与混凝土结构的造价意义不大。

1.1.2 钢结构施工的特点

与钢筋混凝土结构、砖混结构等相比,钢结构工程施工具有以下几方面的特点。

1.钢结构施工分别在工厂车间和工地安装两个现场实施

钢结构工程作为一个单位工程中的分部工程,一般由钢零部件加工、钢构件组装、钢构件预拼装、钢结构安装、焊接、紧固件连接、防腐防火涂装等分项工程组成,而这些分项工程分成两个阶段实施:第一阶段为钢结构制作阶段,实施地点在制作厂加工车间,主要进行钢零部件加工、钢构件组装、钢构件预拼装以及钢结构焊接、紧固件连接、防腐涂装等分项工程;第二阶段为钢结构安装阶段,主要进行钢结构安装、焊接、紧固件连接、防腐防火涂装等分项工程。

这里要指出,钢结构构件不能作为产品对待,因此,钢结构制作就是钢结构施工的重要组成部分,在实际工程中,小型工程一般都由制作厂家完成现场安装工作,但大型工程一般由总承包单位委托制作厂加工,将制作厂家作为分包单位,这样就会出现同一个分部工程由2个或2个以上单位来完成的现象,给工程验收及管理提出了更高的要求。例如,国家体育场(鸟巢)钢结构分别由2家制作厂和2家安装公司承担钢结构制作和安装工程。

2.装配化施工效率高,施工质量易保证

与混凝土结构相比,钢构件重量轻,在工厂加工具备批量生产和成品精度高等特点,现场易于吊装和调整,一方面能比较容易地保证安装施工的质量,另一方面能缩短工地施工时间,最大限度地减少工地对周围环境的施工影响。

钢结构施工工期包含工厂制作和现场安装两个阶段,通常所说的钢结构施工工期短,是指现场安装这一阶段的工期。在同等条件下,钢结构与钢筋混凝土结构现场施工工期相比,钢结构仅是钢筋混凝土结构的1/3~1/2。

钢结构工程施工质量主要取决于钢材和连接(焊接和紧固件)的质量,比影响混凝土结构施工质量的因素少得多。钢结构用钢材主要由钢板和型钢组成,而钢板和型钢都是由大中型钢铁企业生产,产品质量能够有保障;连接材料特别是高强度螺栓连接副和焊条、焊丝等也都是标准件,产品质量易于满足要求;只要对一些特殊工种如焊工控制好,钢结构施工质量是比较容易得到保证的。

3.详图设计是钢结构施工不可缺少的环节

我国钢结构设计源于苏联的做法和经验,在钢结构工程设计中,将施工设计划分为钢结构设计图和钢结构详图两个阶段,前者由设计单位编制完成,后者以前者为依据,由钢结构制作单位深化编制完成,并直接作为加工和安装的依据。众所周知,钢筋混凝土结构施工中,施工单位往往编制钢筋、模板图来指导现场施工,但这些图纸一般不具备工程技术文件的效应,不需要设计的认可。

而钢结构详图(shop-drawing)却不同,其内容包括节点构造设计和计算等创造性工作,一般由施工单位、制作单位或专业的详图设计单位来完成,该详图原则上应由原钢结构设计单位确认后使用。

目前我国还没有对钢结构详图设计提出明确的设计资质要求,大中型的钢结构施工企业或制作企业一般都有自己的详图设计人员,而不具备条件的小型企业只能委托详图设计专业公司负责详图设计。随着技术的发展,一些先进的钢结构设计软件开始具备详图设计的功能。

4.防腐、防火涂装是钢结构工程特殊且重要的分项工程

钢结构固然有轻质、施工速度快、结构性能好、可回收循环使用等优点,但钢结构也存在耐腐蚀性能和耐火性能较差的缺点,并且这两个缺点有时显得比较突出,一方面直接影响结构的安全和使用,另一方面防腐、防火涂装的造价较高,这成为影响钢结构推广应用的负面因素。

随着新型耐火钢和耐候钢的使用,钢结构抗火设计和防腐技术的应用,钢结构易腐蚀、耐火差的缺点正逐步得到改善。但国内设计单位对钢结构防腐、防火涂装设计较生疏,施工企业普遍对防腐、防火涂装施工质量不重视,同时也没有引入涂料产品生产厂家的质量担保制度。因此,国内钢结构防腐、防火涂装的质量与国际先进水平差距较大。