结构钢

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结构钢是用于制造各种形状的建筑材料的一类钢材。许多结构钢形状采用具有特定横截面轮廓的细长梁的形式。在大多数工业化国家,结构钢的形状、尺寸、化学成分、机械性能(如强度)、储存方法等均受标准监管。 大多数结构钢的形状,诸如i-beams,具有高的面积的二次矩,它们是在装置相对于它们的横截面面积非常硬,因此可以支持高负荷而不过度下垂。 大多数建筑项目需要使用数百种不同的材料。这些范围从所有不同规格的混凝...

什么是结构钢

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结构钢是用于制造各种形状的建筑材料的一类材。许多结构钢形状采用具有特定横截面轮廓的细长梁的形式。在大多数工业化国家,结构钢的形状、尺寸、化学成分、机械性能(如强度)、储存方法等均受标准监管。

大多数结构钢的形状,诸如i-beams,具有高的面积的二次矩,它们是在装置相对于它们的横截面面积非常硬,因此可以支持高负荷而不过度下垂。

钢与混凝土

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选择理想的结构材料

大多数建筑项目需要使用数百种不同的材料。这些范围从所有不同规格混凝土、不同规格的结构钢、粘土、砂浆陶瓷木材等。就承重结构框架而言,它们通常由结构钢、混凝土、砖石和/或木材,使用每种木材的适当组合来产生有效的结构。大多数商业和工业结构主要使用结构钢或钢筋混凝土建造.在设计结构时,工程师必须决定哪种材料(如果不是两种)最适合设计。选择建筑材料时要考虑许多因素。成本通常是控制因素;但是,在做出最终决定之前,将考虑其他因素,例如重量、强度、可施工性、可用性、可持续性和耐火性。

  • 成本-这些建筑材料的成本将完全取决于项目的地理位置和材料的可用性。正如汽油价格波动一样,水泥骨料、钢材等的价格也会波动。钢筋混凝土大约一半的建筑成本来自所需的模板。这是指建造“盒子”或容器所需的木材,在其中浇注并保持混凝土直至其固化。由于成本和时间的减少,模板的费用使预制混凝土成为设计师的流行选择。钢材按重量出售,结构设计师必须指定尽可能轻的构件,同时保持安全的结构设计。使用许多相同的钢构件而不是许多独特的钢构件也降低了成本。
  • 强度/重量比-建筑材料通常按其强度与重量比(或比强度,即材料的强度除以其密度)进行分类。这些比率表明材料对其重量的有用程度,这反过来又表明其成本和易于构造。混凝土的压缩强度通常是拉伸强度的10倍,因此在压缩时具有更高的强度重量比。
  • 可持续性-许多建筑公司和材料供应商正变得更加环保。对于将在环境中世代存在的材料,可持续性已成为一个全新的考虑因素。可持续材料在安装时和整个生命周期中对环境的影响最小。如果使用得当,钢筋混凝土和结构钢是可持续的。超过80%的结构钢构件由回收金属制成,称为A992钢。这种构件材料比以前使用的钢构件(A36级)更便宜并且具有更高的强度重量比。混凝土的材料成分是天然存在的材料,对环境无害,现在可以浇筑混凝土以使其具有渗透性,让水流过铺砌的表面,以减少对排水或径流基础设施的需求。混凝土也可以被粉碎并用作未来混凝土应用中的骨料,避免垃圾填埋。
  • 耐火性-建筑物最危险的危害之一是火灾隐患。在干燥、多风的气候和使用木材建造的结构中尤其如此。必须考虑结构钢的特殊注意事项,以确保其不处于危险的火灾危险条件下。钢筋混凝土的特点是在发生火灾时不会构成威胁,甚至可以抵抗火势蔓延和温度变化。这使得混凝土具有出色的绝缘性,通过减少维持气候所需的能量来提高其周围建筑物的可持续性。
  • 腐蚀-一些结构材料容易受到水、热、湿气或盐等周围元素的腐蚀。在安装结构材料时必须采取特殊的预防措施来防止它,并且建筑物的居住者必须知道任何伴随的维护要求。例如,结构钢不能暴露在环境中,因为任何湿气或与水的其他接触都会使其生锈,从而危及建筑物的结构完整性并危及居住者和邻居。

钢筋混凝土

  • 特性-通常由硅酸盐水泥、水、建筑骨料(粗和细)和钢筋(钢筋)组成,与结构钢相比,混凝土更便宜。
  • 强度-混凝土是一种复合材料,具有相对较高的抗压强度特性,但缺乏抗拉强度/延展性。这固有地使混凝土成为承载结构重量的有用材料。用钢筋加固的混凝土使结构具有更强的抗拉能力,并增加了延展性和弹性。
  • 可施工性-必须浇筑钢筋混凝土并使其凝固或硬化。凝固后(通常1-2天),混凝土必须固化,这是混凝土在水泥颗粒和水之间发生化学反应的过程。28天后固化过程完成;但是,根据结构的性质,施工可能会在1-2周后继续进行。混凝土几乎可以建造成任何形状和尺寸。在结构项目中使用钢筋混凝土的成本中,大约有一半用于建造模板。为了节省时间并因此节省成本,可以预制结构混凝土构件。这是指钢筋混凝土梁、大梁或柱子在场外浇筑并等待固化。在固化过程之后,混凝土构件可在需要时立即运送到施工现场并安装。由于混凝土构件预先在现场固化,因此在安装后可立即继续施工。
  • 耐火性-混凝土具有出色的耐火性能,无需额外的施工成本即可遵守国际建筑规范(IBC)的防火标准。然而,混凝土建筑仍可能使用其他不耐火的材料。因此,设计师仍必须考虑混凝土的使用以及需要火灾危险材料的地方,以防止未来整体设计出现复杂情况。
  • 腐蚀-钢筋混凝土,如果建造得当,具有出色的耐腐蚀性能。混凝土不仅防水,而且需要它随着时间的推移固化和发展其强度。然而,混凝土中的钢筋不得暴露,以防止其腐蚀,因为这会显着降低结构的极限强度。在美国混凝土学会为工程师提供必要的设计规范,以确保有足够的混凝土覆盖任何钢筋以防止暴露在水中。必须指定此覆盖距离,因为混凝土将不可避免地在承受张力的位置或包含用于承受所述张力的钢筋的位置开裂。如果混凝土开裂,它会为水直接流向钢筋提供一条路径。一些钢筋涂有环氧树脂,作为防止水接触腐蚀的二级措施。但是,由于环氧树脂涂层钢筋的成本较高,因此该方法会导致整个项目的成本较高。此外,当使用环氧脂涂层钢筋时,钢筋混凝土构件必须设计得更大、更坚固,以平衡钢筋与混凝土之间的摩擦损失。这种摩擦称为粘合强度,它对混凝土构件的结构完整性至关重要。

结构钢

  • 特性-结构钢与混凝土的不同之处在于其抗压强度和抗拉强度。
  • 强度-结构钢具有高强度、刚度、韧性和延展性,是商业和工业建筑中最常用的材料之一。
  • 可施工性-结构钢几乎可以开发成任何形状,在施工中可以用螺栓连接或焊接在一起。材料一到现场就可以安装结构钢,而混凝土必须在浇筑后至少1-2周固化才能继续施工,使钢成为一种适合进度的建筑材料。
  • 耐火性-钢本质上是一种不燃材料。然而,当加热到火灾场景中的温度时,材料的强度和刚度会显着降低。国际建筑规范要求用​​足够的耐火材料包裹钢材,这增加了钢结构建筑的整体成本。
  • 腐蚀-钢与水接触时会腐蚀,从而形成具有潜在危险的结构。必须在钢结构结构中采取措施,以防止任何终生腐蚀。钢可以涂,提供防水性。此外,用于包裹钢的耐火材料通常是防水的。
  • 模具-与木材相比,钢材提供的表面环境不太适合霉菌生长。

当今最高的结构(通常称为“摩天大楼”或高层建筑)是使用结构钢建造的,因为它具有可施工性以及高强度重量比。相比之下,混凝土虽然密度不如钢,但强度重量比要低得多。这是因为结构混凝土构件需要更大的体积来支撑相同的载荷;钢虽然密度更大,但不需要那么多材料来承载负载。但是,对于低层建筑或多层或更少楼层的建筑,这种优势变得微不足道。低层建筑分布远小于负载高层结构,使混凝土成为经济的选择。对于简单的结构(例如停车场)或任何简单的直线形状的建筑物尤其如此。

结构钢

选择结构钢和钢筋混凝土并不总是因为它们是最理想的结构材料。公司依赖于为任何建筑项目获利的能力,设计师也是如此。原材料(钢材、水泥、粗骨料、细骨料、模板木材等)的价格不断变化。如果一个结构可以使用任何一种材料建造,那么两种材料中最便宜的可能会控制。另一个重要的变量是项目的位置。最近的钢铁制造设施可能比最近的混凝土供应商离施工现场更远。能源和运输的高成本也将控制材料的选择。在开始建设项目的概念设计之前,将考虑所有这些成本。

结合钢和钢筋混凝土

由这两种材料组成的结构利用了结构钢和钢筋混凝土的优点。这在钢筋混凝土中已经是常见的做法,因为钢筋用于为结构混凝土构件提供钢的抗拉强度能力。一个常见的例子是停车场。一些停车场使用结构钢柱和钢筋混凝土板建造。混凝土将浇筑地基,为停车场提供一个可建造的表面。钢柱将通过螺栓连接和/或焊接到从浇筑混凝土板表面挤出的钢柱上连接到板。预制混凝土梁可在现场交付以安装在二楼,然后可以为路面区域浇筑混凝土板。这种类型的停车场只是许多可能同时使用钢筋混凝土和结构钢的结构的一个例子。

结构工程师明白,有无数种设计可以打造高效、安全且价格合理的建筑。工程师的工作是与业主、承包商和所有其他相关方一起工作,以生产出适合每个人需求的理想产品。在为其结构选择结构材料时,工程师需要考虑许多变量,例如成本、强度/重量比、材料的可持续性、可施工性等。

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词条目录
  1. 什么是结构钢
  2. 钢与混凝土
  3. 选择理想的结构材料
  4. 钢筋混凝土
  5. 结构钢
  6. 结合钢和钢筋混凝土

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