В последние годы государственные и местные органы власти последовательно выпускают соответствующие политические документы по сборным стальным конструкциям, Министерство строительства провело более 30 исследовательских проектов по стальным конструкциям и построило множество экспериментальных проектов. Одновременно с этим многие университеты и предприятия активно включились в исследования систем и ключевых технологий стальных конструкций. Стальные конструкции как важная система сборных конструкций получат новые возможности для развития и столкнутся с новыми вызовами.
Что такое стальные конструкции?
Основными элементами, изготавливаемыми из профильной стали или стальных листов, в соответствии с требованиями к применению, с помощью сварки или болтового соединения и т.д., являются несущие конструкции, которые образуются в соответствии с определённым законом. Стальные конструкции широко применяются в различных строительных проектах, таких как стальные мосты, стальные цеха, стальные затворы, различные крупные трубчатые ёмкости, общественные здания, высотные здания и т.д.
Преимущества
1. Значительно экономит время строительства, строительные работы не зависят от времени года;
2. Высокая прочность, небольшой собственный вес, высокая степень безопасности элементов, снижение стоимости строительства;
3. Пожаробезопасность, сталь - это негорючий строительный материал;
4. Хорошие сейсмические характеристики, удобство модернизации в процессе эксплуатации, гибкость и удобство, обеспечивают комфорт и т.д.;
5. Увеличение полезной площади жилых помещений, снижение объёма строительных отходов и загрязнения окружающей среды;
6. Строительные материалы могут быть повторно использованы, стимулируя развитие других отраслей новых строительных материалов;
7. Соответствует государственной стратегии устойчивого развития, низкоуглеродное, экологически чистое, энергосберегающее производство является приоритетным направлением государственной поддержки.
Классификация стальных конструкций
Стальные конструкции в зависимости от особенностей напряжённого состояния в основном подразделяются на конструкции рамных ферм, пространственные фермы, конструкции с предварительно натянутыми балками, конструкции куполов с предварительно натянутыми балками, сетчатые конструкции и высотные конструкции.
1. Рамная конструкция:
Рамная конструкция является традиционной структурной системой. Верхняя часть основной рамы включает в себя наклонные балки, колонны, опоры, стропила, тяги, торцевые каркасы и т.д.
Лёгкие стальные конструкции рамных ферм характеризуются простотой нагружения, чётким путём передачи усилий, быстрым изготовлением элементов, удобством заводской обработки, короткими сроками строительства и т.д., поэтому они широко используются в промышленном, коммерческом и культурно-развлекательном общественном строительстве, а также в промышленном и гражданском строительстве. Лёгкие стальные конструкции рамных ферм зародились в США, за почти столетний период своего развития они стали структурной системой с относительно совершенными стандартами проектирования, изготовления и строительства.
2. Пространственная ферменная конструкция
Пространственная ферма, т.е. шарнирная ферма, представляет собой лёгкую жёсткую конструкцию, которая образует геометрическую фигуру. Шарнирные фермы обычно используют многонаправленный шаг, это конструкция, состоящая из тяг и стоек, структура находится под действием трёхмерных нагрузок, независимо от типа фермы, она способна выдерживать нагрузки с разных направлений, она особенно полезна для зданий большой высоты и протяжённости, устойчивых к землетрясениям, и часто используется в общественных зданиях.
3. Конструкция с предварительно натянутыми балками
Конструкция с предварительно натянутыми балками была предложена в современной эпохе профессором M. Saitoh из японского университета, представляя собой новую гибридную систему покрытия, отличную от традиционных конструкций. Конструкция с предварительно натянутыми балками представляет собой гибридную конструктивную систему, состоящую из жёстких элементов верхней части, гибких тросов и промежуточных распорок, её структурная компоновка является новой самобалансирующейся системой, представляет собой пространственную конструкцию с предварительным натяжением большого пролёта, и это довольно успешное достижение в развитии гибридных конструктивных систем. Система с предварительно натянутыми балками проста, имеет чёткую передачу усилий, разнообразные структурные формы, полностью использует преимущества как жёстких, так и гибких материалов, а также проста в изготовлении, транспортировке и монтаже, поэтому она имеет хорошие перспективы применения.
4. Купольная конструкция с предварительно натянутыми балками
Купольная конструкция с предварительно натянутыми балками аналогична конструкции с предварительно натянутыми балками, обе используют натяжение тросов для создания поддерживающей силы для балок с целью уменьшения нагрузки на балки, но между ними всё же существуют значительные различия: тросы конструкции с предварительно натянутыми балками натянуты прямолинейно, а тросы купольной конструкции с предварительно натянутыми балками натянуты кольцеобразно;
Благодаря кольцеобразному натяжению тросов купольной конструкции такая структурная система подходит для создания крыш круглой формы, например, Пекинский велотрек, спортивный зал Университета Аньхой и т.д.;
5. Сетчатая конструкция
Сетчатая конструкция представляет собой пространственную стержневую конструкцию, стержни которой соединены в узлах в соответствии с определённым законом. Узлы обычно проектируются как шарнирные, стержни в основном воспринимают осевые усилия, поперечное сечение стержней относительно мало. Эти пространственно пересекающиеся стержни взаимно поддерживают друг друга, органично соединяя силовые стержни с несущей системой, поэтому конструкция экономична. Благодаря регулярности комбинирования конструкции многие стержни и узлы имеют одинаковые форму и размеры, что облегчает заводское производство и монтаж на строительной площадке.
6. Многоэтажная конструкция
(1) Каркасная конструкция
Состоит из колонн и балок, образующих каркас, воспринимающий вертикальные и горизонтальные нагрузки;
Жёсткий каркас имеет низкую устойчивость к горизонтальным нагрузкам, большие горизонтальные деформации конструкции, обычно подходит для конструкций высотой менее 20 этажей;
Колонны обычно представляют собой стальные колонны коробчатого сечения или стальные колонны с бетонным заполнением;
Стальные колонны с бетонным заполнением представляют собой круглые или коробчатые колонны, заполненные бетоном, сочетающие в себе преимущества стальных конструкций и максимально используя высокую прочность бетона на сжатие.
(2) Конструкция из каркаса и стены
Подобна конструкции с каркасом и опорами, но опоры заменены стенами, которые используются для противодействия горизонтальным нагрузкам;
Стены обычно представляют собой бетонные плиты или стальные листы, или комбинированные стальные и бетонные конструкции, которые имеют лучшую жёсткость при горизонтальных нагрузках, чем опоры, более гибкое расположение и могут применяться в более высоких конструкциях.
(3) Трубчатая конструкция
Состоит из внутреннего ядра, рамной трубы и ферменной трубы, обычно внутреннее ядро расположено внутри, рамная или ферменная труба снаружи, горизонтальные нагрузки воспринимаются внутренним и внешним ядрами вместе. Трубчатая конструкция, окружённая стенами, называется сплошной трубчатой конструкцией, трубчатая конструкция с регулярными отверстиями в стенах, образующая перфорированную трубчатую конструкцию, называется рамной трубчатой конструкцией; трубчатая конструкция, стены которой состоят из вертикальных и наклонных стержней, образующих ферму, называется ферменной трубчатой конструкцией.
(4) Связная трубчатая конструкция
Структурой связанных колонн является комбинированная колонная структура. При больших площадях зданий, чтобы уменьшить деформацию наружных стен под действием боковых сил, планировка здания выполняется по модульной сетке, так что внешние рамные колонны и внутренние продольные и поперечные стены (или плотно расположенные колонны) образуют группу комбинированных колонн.
Это значительно повышает жесткость здания и его устойчивость к боковым силам. Структура связанных колонн может образовывать любые архитектурные формы и адаптироваться к различным комбинациям высотных форм, обогащая внешний вид здания. 110-этажное здание Сирс в Чикаго, США, является примером применения структуры связанных колонн.
Государственная поддержка, потребности индустриализации и увеличение производства стали в значительной степени способствовали развитию сталестроения. Стальные конструкции благодаря своим мощным сборным свойствам способны хорошо соответствовать требованиям времени, и наша задача — максимально использовать технические преимущества стальных конструкций, избегая их недостатков, и разрабатывать больше сборных стальных конструкций, соответствующих современным потребностям.