Решение для стальной конструкции

Благодаря таким преимуществам, как легкий вес, высокая прочность, короткий срок строительства и отличная перерабатываемость, стальные конструкции стали всё шире применяться в современном строительстве и инженерной отрасли. Однако в процессе реального проектирования, производства, транспортировки, монтажа и обслуживания компоненты стальных конструкций и узлы их соединений могут сталкиваться с различными проблемами, которые непосредственно влияют на безопасность, пригодность к эксплуатации и долговечность конструкции. Для эффективного предотвращения и решения этих проблем крайне важно глубоко понимать базовые концепции, свойства материалов, поведение конструкций, а также соответствующие нормы и стандарты, касающиеся стальных конструкций. Цель данного раздела — систематизировать базовые знания в области стальных конструкций и заложить основу для последующего обсуждения решений конкретных проблем.

(1) Обзор системы стальной конструкции

Состав стальных конструкций обычно включает стальные листы, стальные полосы, профильные стали (такие как H-образные стали, двутавровые балки, швеллеры, уголки и др.), стальные трубы и другие компоненты, которые свариваются, соединяются болтами или заклёпками с образованием каркасной системы, несущей и передающей нагрузки. В зависимости от формы конструкции и характера воздействия сил, распространённые системы стальных конструкций можно разделить на следующие категории. ：

(2) Технические характеристики материалов и требования к их эксплуатационным свойствам

Сталь является основным материалом стальной конструкции, и её характеристики непосредственно влияют на общее поведение и надёжность конструкции. Конструкционные стали, обычно используемые в инженерии, в основном делятся на углеродистые конструкционные стали (например, Q235, Q345) и низколегированные высокопрочные конструкционные стали (например, Q345, Q460). Ключевые показатели качества материалов включают:

Предел текучести: напряжение, при котором материал начинает подвергаться пластической деформации; это является основой для проектирования конструкций.
Предел прочности при растяжении: максимальное напряжение, которое материал способен выдержать перед разрывом.
Удлинение: Отношение общего удлинения материала к длине исходного стандартного участка при его растяжении, отражающее способность материала к пластической деформации.
Модуль упругости: Соотношение напряжения к деформации в стадии упругой деформации материала определяет жесткость конструкции.
Ударная вязкость: Способность материала поглощать энергию и сопротивляться разрушению при ударных нагрузках особенно важна для конструкций, эксплуатируемых в условиях низких температур.
Усталостная прочность: Способность материала противостоять усталостному разрушению при циклической нагрузке.
Свариваемость: Легко ли материал поддаётся формированию с помощью сварочного процесса и обладает характеристиками хорошего качества соединения.
Устойчивость к коррозии: Способность материала противостоять эрозии под воздействием окружающей среды.

Выбор подходящей марки стали и обеспечение её качества имеют ключевое значение для обеспечения безопасности и экономичности конструкции. В то же время, геометрическая точность размеров и качество поверхности стали также влияют на устойчивость (например, локальную устойчивость) и эксплуатационные характеристики соединений элементов.

(3) Основные режимы отказа и риски

Стальные конструкции могут столкнуться с различными потенциальными рисками и проблемами в процессе проектирования и эксплуатации, а их режимы разрушения можно в основном подразделить на следующие категории:

Общая нестабильность (Общая нестабильность):
Нестабильность компонентов: например, нестабильность изгиба элемента, подвергнутого осевому сжатию, нестабильность изгиба и кручения изгибаемого элемента, а также потеря локальной устойчивости пластины под действием напряжений сдвига или изгибающих напряжений.
Общая неустойчивость: например, неустойчивость поворота соединительных узлов рамных балок и колонн, неустойчивость изгиба в плоскости или из плоскости рамы в целом, а также общая неустойчивость изгибаемого элемента.
Усталостный разрушение: под воздействием циклических нагрузок (таких как механическая вибрация, динамическая нагрузка, напряжение, вызванное разницей температур) структура или деталь трескается и постепенно расширяется, в конечном счёте разрываясь при напряжении, значительно ниже предела прочности материала на растяжение.
Деградация материала (Деградация материала):
Экологические факторы: такие как коррозия, ухудшение характеристик стали из-за эрозии ионами хлорида и снижение огнестойкости.
Случайные происшествия: такие как локальные или общие повреждения, вызванные пожаром, взрывом, ударом и т.п.
Провал соединения: сварное соединение или болтовое соединение разрушается под действием нагрузки, например, разрыв сварного шва, сдвиг болта и увеличенное пробивание соединительной пластины.
Дефекты изготовления и монтажа: Отклонения размеров, не соответствующие проектным требованиям, низкое качество сварки, неправильная вертикальность монтажа или недостаточная плотность соединений — всё это может привести к концентрации напряжений или снижению несущей способности.

Полное понимание этих базовых знаний поможет более целенаправленно анализировать конкретные проблемы в последующих главах и предлагать эффективные решения для обеспечения безопасной и надежной эксплуатации стальных конструкций.

1.1 Обзор системы стальной конструкции

Стальная конструкция, являясь чрезвычайно широко используемой формой конструкций в современном гражданском строительстве, обладает ключевым преимуществом — она в полной мере использует превосходные механические свойства стали, такие как высокая прочность, легкий вес, хорошая пластичность, коррозионная стойкость (обеспечиваемая покрытием или защитным слоем), высокая скорость строительства и гибкость при проектировании. Эти характеристики делают стальные конструкции эффективными в самых разнообразных инженерных ситуациях, охватывая широкий спектр областей, таких как мосты, высотные здания, промышленные предприятия, объекты с большими пролётами, атомные электростанции и даже морские платформы.

Общая конструкция стальных сооружений обычно зависит от ряда тщательно спроектированных компонентов, включая балки, колонны, опоры, второстепенные балки, платформенные плиты и др. Эти компоненты надежно соединяются сваркой или болтами и другими методами, чтобы совместно выдерживать и передавать внешние силы (такие как гравитационные нагрузки, ветровые нагрузки, снеговые нагрузки, сейсмические воздействия и др.), обеспечивая тем самым безопасность и устойчивость конструкции. При проектировании и строительстве современных стальных сооружений всё чаще применяется высокопрочная сталь, что дополнительно повышает запас прочности конструкции, снижает расход стали и оптимизирует экономические показатели.

В целях облегчения понимания характеристик и сценариев применения различных систем стальных конструкций ниже перечислены несколько основных типов таких систем и их базовые условия:

Обзор основной системы стальной конструкции

Понимание этих базовых систем поможет обсудить распространённые проблемы, с которыми можно столкнуться при проектировании стальных конструкций, и их решения в будущем. Различные системы имеют собственные приоритеты в выборе материалов, методах соединения, конструировании узлов, устойчивости к ветровым нагрузкам, сейсмостойкости и т.д., и их необходимо разумно выбирать и проектировать с учётом конкретных инженерных потребностей.