【同濟大學】《鋼結構基本原理》（全79講）趙憲忠 P3 - 3. 1.3 鋼結構的應用範圍

那麼鋼機構可以有哪些的應用範圍呢? 我們說它可以建造各類的建築物,包括樓房、公共建築、工廠 也可以建造橋樑、構築物、水工結構、農業設施 我們下面分別看一下 首先,它能夠建造大量的大跨空間結構 爲什麼它可以建造大跨空間結構呢? 我們知道一幢建築最主要的是覆蓋一定的空間 那麼覆蓋一定的空間的話就要有梁 梁的話我們知道它實際上隨着這個跨度的增加 它需要承受的這個彎距是按照平方的關係增長 那麼跨度越大,它需要承擔的彎距就越多 那麼在這個時候,我們必須得提供足夠的材料來抵抗這些彎距 那麼這些材料在增加用量的時候,實際上也在增加這些結構的自重 必須得結構強度的增加要超過材料的自重的增加速度 我們前面已經知道了 單位重量的鋼材能夠提供給結構的承載能力是混凝土的 如果是考慮受拉因素的話將近50倍 這樣的話我們說實際上是這些超大跨度的結構 一般我們要採用鋼結構才能更加高效 所以我們看到的一些國家體育場、火車站、科技院都是這樣的鋼結構的建築 還有超高層的建築 超高層的建築由於它的體量巨大 尤其是隨着高度的延伸以後 水平地震作用和風作用對它產生了巨大的影響 在某種程度上不僅僅是受到軸向壓力的作用 抗側能力也需要有很大的提升 這個時候我們會採用鋼結構 尤其是在我們國家大量的採用鋼混凝土組合結構 這些是常見的 我們一些典型的超高層建築世界範圍內 像1933年建造的紐約的帝國大廈 它當時倒是一個純鋼的建築 在六個月之內就快速地完成了 並不是說所有的超高層建築一定就是要用鋼結構來建造 像現在世界上最高的哈里發塔就是混凝土的這個結構 所以我們說鋼結構它的確有很多優良的性能 適合建造很多建築 但並不是說其他材料就不可以 我們要選擇一種最合適的材料來建造我們的建築 像大家看到的黑龍江電視塔 非常有名的埃塞爾鐵塔 都屬於鋼結構建築 像廣州的電視塔小蠻腰 它屬於鋼和混凝土這樣的組合結構 我們在很多時候也把鋼混凝土組合結構納入到鋼結構的範疇 還有一類建築大家看到的是工業廠房 那麼尤其是冶金的這樣的廠房 我們國家其實鋼結構的建築最早應用於這些冶金的廠房 因爲當時在五十年代中國的鋼材是非常珍貴的 那麼在那個時期建築當中要想使用鋼結構 基本上是不太可能 但是沒有這樣的冶金類的廠房 因爲我們知道一包鋼水可以達到五十噸甚至三百噸 這樣的一個巨大的合載作用條件下 傳統的一些混凝土或者當時的木結構材料是難以承擔的 對當時的吊車輛來看就是鋼結構的建築 還有看到的這種鋼材這種建築 它對合載要有很大的合載 要承擔很大的合載 但是這個門式鋼架它的合載負重很小 爲什麼也要採用鋼結構建築 這個時候我們用到它的特性是什麼 就是它的建造週期非常短非常快 像這樣的一個門式鋼架 我們說業主提出來這樣的一個建設需求以後 可能在一兩天的時間裏 我們需要給出一個基礎 它的一個設計的方案 基礎因爲要埋置在地下 所以我們基本上還是採用鋼筋混凝土這樣的一些構型 那麼在做基礎的時候 大家知道因爲混凝土要有一個養護 那麼基本需要28天 那麼在這個時間的範圍內 設計師完成整個的設計 並且把這些設計的結果送到工廠去進行量或者鑄 包括這些領條的工廠裏的工廠化的製造 那麼基礎一個月的時候完全做好了 那麼廠裏面的鋼構件也生產好了 運到縣場去 那麼用非常簡單的吊裝機械 就可以把這樣的鑄鐵梁吊裝組拼在一起 那麼可以在不到一個月的時間裏 近上萬平方米的廠房都可以建造完成 同時上面的領條和壓心鋼板的鋪設 所以我們可以說三個月內 基本上可以說提出設計方案到最後投入使用 非常迅速 所以我們用的它的工期短這樣的一個特點 在中國尤其是97年後大量的營業 除了建築以外 我們還有橋樑 1931年建造的舊金山的金門大橋 那麼在那個時期 我們可以跨越千米級江河湖海 非常了不起 還可以應用於一些構築物和水工結構物 像西汽東輸的這些管道 包括三峽工程當中的一些閘門 都是鋼結構的建築 農業的設施 我們現在經常吃到返季的蔬菜 主要就是我們有一些大棚 以往的大棚主要是用竹子和塑料做成的 那麼它的循環利用性比較差 現在的蔬菜大棚 包括一些養育池 都可以用很簡潔的鋼結構架做成 所以農業設施也是廣泛地使用 還有一些摩天輪 城市的景觀雕塑 天津海河這樣的一個景觀雕塑 也是大量地採用上去 像這樣的一個雕塑尺度是非常大的 這個桅杆一百米 這樣的話我們說 在這樣的一個條件下 鋼結構都是首選的建築材料 還有一些可拆卸的材料 像這樣的上海其中網球中心 如果ATB大師賽的話 會有很多觀衆 那麼在這個時候 就搭建一些臨時的看臺 我們看到這些臨時的看臺 用卡扣的這些連接 都採用了一些鋼結構 包括這座建築本身 一些可展開的屋蓋結構 也都是鋼結構 一片一片的葉片 大家看到 我們可以把它 在陰雨天的時候可以合壁上 在晴天的時候 明天打網球的話可以把它展開 同時像南通的渠場 也是我們98年 當時設計完成的 可開啓式的 08年設計完成的 可開啓式的 打垮的空間 那麼這個是屋蓋 整個合壁上的情況 我們一片一片的打開 最後全部打開 同時鋼結構還用於 一些風能結構 風力發電 陸地 包括海上風力發電 當然了現在的 海上風力發電的話 葉片 也採用一些其他的機型材料 還有地下的支護結構 可以說20年以前 我們造的地下支撐結構 要開挖這樣的一個機坑 那麼機坑開挖的話 把裏邊的土體要挖除 那麼這個時候 周邊的土壓力 實際上會使得 這個開挖的機坑會坍塌 這個時候怎麼辦呢 我們實際上會有一些 支護的結構 來看這些支護的結構 在那個時期支護的結構 主要採用什麼材料呢 就是鋼筋混凝土 主要是混凝土 它一旦開始開挖了的話 會有一些這樣的 井格形的混凝土 這樣的一些支護結構 那麼在這些空隙當中 把這個土體挖出去 那麼最後 整個機坑形成了以後 建築逐漸地 從上面開始 從地下往上開始建造的時候 那些支護結構 要移除了 怎麼辦呢 只能把它炸掉 那個時候 有大量的建築垃圾 那麼後來 我們採用鋼結構 可以循環利用 我們說 施工結束了之後 把這些高強螺栓 這些連接布擰開之後 就可以 重複地利用 那麼這樣的 其實是一個很簡單的應用 爲什麼還要 用這種鋼筋混凝土的支護結構 用了很長的時間 就是說 我們相互之間 行業之間 實際上還是有一些異常 一開始 一個是當時鋼結構 造價還是比較高的 混凝土還是比較便宜 但是 鋼結構可以多次重複利用 那麼 這些因素 在當時 還沒有作爲主要的控制因素 所以在很長的一段時間裏 都用了混凝土 那麼到後期 才逐漸地 轉變爲鋼結構 所以我們說 不同行業的話 要對另外一個行業 有了解 即使都是我們土木工程 那麼地上和地下 對鋼結構 在當時的話 理解就不同了 當然現在的話 已經基本上 別支護結構 其他部分都是鋼結構 所以我們可以看到 在地下結構當中 我們也可以採用 大量的採用鋼結構 除了傳統的 土木工程以外 我們鋼結構 還可以應用於 其他的一些行業 包括 機械 車輛 船舶 大家看到 動力機車 它的這個骨架 實際上很多時候是鋼結構 當然我們現在的高鐵 很多采用了鋁結構 因爲它更加輕 那麼 輪船 這個下面的一些艙體 其實也是我們鋼結構 海上的石油平臺 也是我們鋼結構 所以我們可以看到 鋼結構 不僅可以應用於建築 橋樑 我們地下的支護結構 而且可以應用於 相關的其他行業