夏纵
兰州大学，甘肃 兰州 730000
摘要：我国的钢产量长期居于世界第一，并且与钢铁有关的产业正在飞速的发展。在建筑工程领域钢结构表现出了巨大的发展潜力，它具有高强度、轻质量、可重复利用、韧性强的特点，在特定的领域例如高层结构及大跨结构上比钢筋混凝土结构的应用更加广泛。钢结构正在被越来越多的人所关注。
关键词：钢结构；连接；构件；设计方法；发展历史
一、引言
建筑工程领域的钢结构构件是由型钢或钢板通过连接构成的，这些构件再通过安装形成一个完整的结构。本文主要阐述钢材之间的连接及组成钢结构最为常见的构件，再进一步介绍一下钢结构的设计方法与思路，最后回顾一下钢结构在我国发展的历史及前景。
二、钢结构中的连接
钢材之间的连接方式直接影响构件的制作工艺和造价，连接的质量则会影响构件的安全性和使用寿命。我们在连接的设计中要明确钢材的传力过程，并且需要遵循安全性和稳定性的原则使构件达到相应的指标要求。钢结构的连接主要分为焊接连接和螺栓连接两个部分。
（一）焊接连接
焊接连接是钢材的连接中最为普遍的一种方式，它具有种种的优点。焊接连接的构造比较简单，几乎任何一种构件都可以通过这一种方式去连接。其次它的操作比较容易，在工地现场就可以完成，并且焊接连接的密封性比较好、刚度很大。这种连接的缺陷表现在焊缝处，可能会出现气孔、裂纹、烧穿、弧坑及咬边等等，这些缺陷的出现会显著的降低构件的刚度及抗疲劳的特性。这些缺陷是由于焊接所产生的残余应力和残余应变所产生的，在焊接的过程中会产生不均匀的温度场，由于温度的不同会产生不同程度的膨胀，温度高的钢材在膨胀的过程中会受到周边温度低的钢材的束缚和挤压从而产生了一定的应力。而焊接的残余变形则是由于钢材在冷却的过程中产生的纵横收缩及弯扭所产生的。
我们需要研究一些方法去尽量避免这些缺陷，第一种方法是合理的设计焊缝，在开始焊接之前要根据实际情况选择焊缝的尺寸和形式，在能满足相应的承载力要求的前提下尽可能的去减少焊缝的尺寸和数量，并选择合适的施焊点位置，要避免焊缝的过分集中和交叉。第二个方法是采用合理的工艺措施，对于小尺寸的焊件要进行提前的预热以消除焊接应力和焊接变形。对于普通的构件则要遵循反变形的方法并按照顺序进行施焊，所谓的反变形法指的是预先设想好结构的变形方向和变形程度，在实际的施焊过程中造成一个相反方向的变形与焊接变形去抵消。
（二）螺栓连接
工程上常见的另一种连接方式是螺栓连接，螺栓连接与焊缝连接相比有着不同的受力特征和连接方式。螺栓连接分为普通螺栓连接和高强度螺栓连接。普通螺栓中一共有A、B、C三个等级的螺栓，其中A级和B级属于精制螺栓。在一般的工民建筑当中由于A级和B级的价格较高且安装比较复杂故常常采用C级螺栓。高强度螺栓则是利用特种钢例如B钢、35VB钢、20MnTiB钢加工制作得到的，相较于普通的螺栓施工较为简单且强度和耐疲劳的能力也较为出色，高强度螺栓包含了普通螺栓和铆钉的优点也成为了代替铆钉连接的一种新的连接方式。
普通螺栓的工作性能主要表现在抗剪和抗拉的方面上。本文主要介绍一下螺栓的抗剪性能，通过抗剪实验，我们可以将螺栓的工作状态分为四个阶段。第一个阶段是摩擦传力阶段，在施加荷载的之初荷载由接触面的摩擦力所传递，摩擦力的大小取决于拧紧的程度和螺杆的初始拉力[ 参考文献：
[1] 张耀春，周绪红.钢结构设计原理[M].高等教育出版社，2015：92][1]。第二个阶段是滑移阶段，当构件之间的剪力达到最大的摩擦力，构件之间会发生相应的滑移直到螺栓与孔壁相接触。第三个阶段则为栓杆的传力阶段，这个阶段所受到的外力主要靠栓杆与孔壁之间的接触来传递。
最后一个阶段为弹塑性阶段，最终结果是螺栓或钢板遭受到了破坏。
三、钢结构中的构件
钢结构中的构件种类有很多其中最为常见的是受弯构件、轴心受力构件及拉弯压弯构件，本文主要介绍一下受弯构件及轴心受力构件。
（一）受弯构件
受弯构件主要承受的是弯矩和横向荷载，结构中的受弯构件一般称为梁。受弯构件根据其受力的特点可分为单向受弯构件和双向受弯构件。为了分析受弯构件的抗剪强度我们需要找到剪力中心，所谓剪力中心指的是当外部的剪力作用在该点上只会产生线位移而不会产生扭转，一般来说剪力中心位于其对称的轴线上[ [2] 黄荣坤.高层钢结构住宅结构体系的应用研究[D].河北工程大学，2014][2]。在分析受弯构件时我们不仅要考虑剪力最大点及正应力最大点还需要考虑一类特殊的点，这类点虽然单看某个力没达到最大但这些力的折算应力也应控制在要求的范围内。
（二）轴心受力构件
轴心受力构件主要承受沿着构件截面形心的轴向力，虽然在实际的情况下这种受力情况很难出现，但是在误差允许的范围内我们可以将许多情况简化为轴心受力从而简化计算。承受轴心拉力的构件简称轴心拉杆，承受轴心压力的构件称为轴心压杆。这两种构件广泛地应用在塔架、网架、网壳等各类支持系统当中。轴心受力构件按照其截面的形式可以分为实腹式构件和格构式构件。实腹式构件突出的优点是制造简单且具有较好的稳定性，主要分为热轧型钢截面及冷弯型钢截面。格构式截面则能够节省大量的材料，其中的辍条和辍板增加了结构的稳定性。
四、钢结构的设计方法
我国目前使用的钢结构设计方法以概率极限设计法为主流。之所以要引入概率是因为结构的抗力和承受的荷载是随机的。我们常用结构的可靠度来衡量建筑物在规定的时间内完成预定功能的概率。极限状态则是结构可靠与不可靠的界限，我国的规范规定极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。前者主要是为了满足安全方面的要求而后者主要是为了满足人们的舒适度的要求，故前者要求其出现不可靠的概率要极低。
在概率极限设计原理中我们用作用效应S和结构抗力R来表示结构的功能函数Z即Z=R-S,当Z大于零的时候表示结构可靠，当Z小于零的时候则表示结构失效。我们发现R和S均服从正态分布，故其功能函数Z也应当服从正态分布。故我们可以根据Z的概率密度曲线通过积分法来求出失效概率，但这一方法计算较为复杂。出于简化考虑我们可以求出功能函数Z的平均值和方差然后计算两者的比值（定义为可靠指标），再通过查表来得到失效概率。
五、我国钢结构的发展历史及前景
谈到我国钢结构的发展历史就不得不与我国使用钢的历史联系起来，我国是较早发明炼铁技术的国家之一。我国在春秋战国时期就懂得了如何炼铁，我国古代的炼铁技术稳步发展并建造了许多的铁建筑物，例如公元694年在洛阳建成的“天枢”，在公元1061年在湖北荆州玉泉寺建成的十三层铁塔。在近代由于闭关锁国的政策我国的生产力的发展受到了阻碍，古代在铁结构方面的技术优势荡然无存，此外由于列强的资源掠夺我国的钢产量长期处于一个较低的状态。直到新中国的成立情况才发生一定的好转，在第一个五年计划我国新建了一大批钢结构的厂房和桥梁，但始终由于我国的钢产量有限我国的钢结构建筑发展缓慢。直到我国实行改革开放以经济经济建设为中心，钢的产量逐年上升，从1996年我国的钢产量就居世界第一，我国的钢结构建筑也如雨后春笋般出现在神州大地。
采用更加高性能的钢材是钢结构行业的一个发展趋势。钢结构耐热不耐火，当温度高于600摄氏度时就完全丧失了承载能力，除此之外钢结构的耐腐蚀性较差。如果今后我国能研究出一种新型的钢材来克服钢结构的这一缺陷我国钢结构的发展就会更上一个台阶。
六、结束语
钢结构在我国的建筑领域有着越来越广泛的应用，在一些特定的领域开始逐步替代钢筋混凝土结构。大量的建设钢结构建筑实际上是“存钢于民”的做法，这是因为钢结构是可以被回收利用的，这一做法符合我国的可持续发展理念，我相信钢结构在未来会展现出更强大的生命力。