钢结构基本原理篇1

[关键词]微合金钢；强韧化机理；原子团簇

[DOI]1013939/jcnkizgsc201615053

1引言

微合金钢以其节能、较高的强度及韧性等优点，被国际社会公认为“环境保护材料”。大幅度提高其强度和韧性，是“新一代钢铁材料重大基础研究”的主要目标之一，是我国“发展循环经济、建设节约型社会”可持续发展战略的基本要求。目前学术界普遍认同的微合金钢管强韧化机理是“在线常化”理论，即通过控轧控冷工艺基本完成奥氏体向铁素体和珠光体的转变，再加热时重新奥氏体化，利用冷却和再加热过程中两次相变实现细化组织的目的。

2前期工作

前期工作发现：在满足使用要求的前提下，可大幅度提高微合金钢管韧性的一种工艺虽类似“在线常化”，但在冷却及再加热过程中并未发生相变，“在线常化”理论难以解释其良好强韧性机理。针对N80非调质油井管用钢，重点研究了微合金元素除了细化奥氏体晶粒以外的其他作用，发现在轧管后至控冷到600℃相变温度前，奥氏体基体中钒碳氮化物颗粒数量明显增多，基体成分发生低合金化及低碳化，成分空间分布明显均匀化，奥氏体中晶内铁素体的形核率显著提高，原奥氏体晶粒被分割，最终获得了细化的铁素体和珠光体的室温组织。在此基础上提出了一种微合金钢的强韧化新观点――奥氏体区中析出相调控奥氏体分解转变，细化终端产品组织。

3对微合金钢强韧化机理的新认识

在研究时发现：在不同工序对应的奥氏体及最终的室温组织中，除了碳氮化物和氧化物外，还出现了一定数量的明显区别于稳定碳氮化物析出粒子的纳米尺度“原子团簇”，碳氮化物与其交互作用，影响纳米“原子团簇”在不同状态的奥氏体和室温组织中的析出质量分数。对纳米“原子团簇”进行能谱分析，发现其含有铁、碳、氧等元素，但这类纳米“原子团簇”的性质不太稳定，在空气中较易被氧化，能谱分析出的氧元素未必是其本身所固有，这与炼钢工艺中严格脱氧要求相吻合。并且因这类纳米“原子团簇”颗粒太小，在进行X射线衍射实验时存在漫反射现象，很难确定其结构，其形成机理及强韧化机制有待进一步深入研究。RDKMisra等研究发现在贝氏体型铁素体中有渗碳体型的铁碳化物，他们对这方面的研究极为关注，指出其形成机理和强韧化机制需要进一步深入系统地分析探讨，但距今为止并没有对此展开详细研究工作。IDiete在研究高强度低碳钢时，发现了含铜元素的纳米“原子团簇”。YLI，DN和BSoenen在微合金钢的微观结构演变研究中，对纳米“原子团簇”的强韧化作用存在着困惑和极大的兴趣。在上海宝钢2050热轧厂对700N/mm2级高强度热轧钢卷组织性能研究中，研究人员也发现了纳米“原子团簇”对钢板的韧性有明显影响。近年来在日本、韩国和国内研究获得的“超级钢”晶粒超细化机制以及HSLA钢的最新研究中对纳米“原子团簇”的作用给予了极大的关注和肯定。科技工作者在对高强度低碳钢和高强度低合金钢的研究中也发现了上述现象，再次印证了该类纳米“原子团簇”的超强韧化作用，认为其在微合金钢中的作用可能比微合金元素析出相本身的作用更大，其结构和析出规律以及作用机理有待进一步研究，这可能会促进现有分析手段和方法的改善。

从上述分析可知，微合金钢中亚稳态纳米“原子团簇”对材料的显著强韧化作用既得到了事实证明，又引起了国内外学术界极大关注，但未见有关其形成机理和强韧化机制的相关报道。

微合金钢属于多种相构成的复杂体系，在热加工过程中，各相之间或固溶体中的各元素之间会发生交互作用，它们是一个有机的整体，单独强调某一种相的作用，是不全面的，很难从本质上揭示微合金钢的强韧化机制，所以对这类亚稳态纳米“原子团簇”作用的研究，应突破其沉淀强化和细晶强化的相强化机制范畴，从整体上探究其更深一层的作用机理。

4试验分析

下图为Al5Fe2合金液态、固态（300K）及国际标准中的X射线衍射图。

Al5Fe2合金液态a、固态（300K）b和国际标准c的X射线衍射图

该图说明熔体中存在“中程有序”结构，即与其固态中相应的相结构具有密切关系的“原子团簇”，甚至出现完全类似于固态中相应相结构的“原子团簇”。这些“原子团簇”可看作是传递结构信息的遗传因子。既然在液态金属，特别是接近熔点的熔体中，存在类似于其固态的相应相结构，同时鉴于塑性成形过程中的传质仅以扩散方式进行，那么可推测，在微合金钢不同状态的奥氏体基体中，必然存在类似于固态组织中析出相的“原子团簇”，这些“原子团簇”与固态组织中的析出相密切相关。

由以上分析可知，这类纳米“原子团簇”可能是在淬火或塑性变形后的冷却过程中形成的类似于ε-渗碳体的一种“中程有序”结构，对应于不同塑性状态的微合金钢，这些“原子团簇”的本身特性和分布状态不同。生产工序中的碳氮化物形成元素分布状态，与这类纳米“原子团簇”的特性有很大的关系，它们将共同影响下一工序中碳氮化物的析出，并调控所对应元素的分布特性，使微合金钢在塑性变形后的冷却或时效过程中韧性得到大幅度提高，最终决定终端产品的组织和性能。从本质上揭示纳米“原子团簇”的形成机理及其强韧化作用机制，将会对调控钢中微合金的含量、在满足其使用要求的前提下大幅度提高其韧性具有理论指导意义。

在上述思路的指导下，拟将微合金钢进行多次塑性变形和再加热，并保持其中间过程处于稳定或亚稳定奥氏体区，取样后进行化学相分析、X射线小角散射分析和质量衡算，确定纳米“原子团簇”的种类、化学组成与结构、质量分数或体积分数。改进固体与分子经验电子理论（EET）建立纳米“原子团簇”的相界面价电子结构计算模型，计算其相结构因子和界面结合因子。通过计算纳米“原子团簇”与母相不同晶面上的电子密度差，并计算使电子密度保持连续的原子状态组数和其他价电子结构参数，研究纳米“原子团簇”的密度、位向、形貌等析出行为，探讨其形成机理和析出规律。采用三维原子探针断层分析技术，从原子尺度和电子层次上详细分析纳米“原子团簇”与碳氮化物形成元素的空间分布特性的相关性，最后归纳“原子团簇”对元素空间分布调控奥氏体相变的超强韧化新机制。

钢结构基本原理篇2

关键词：钢结构设计原理；双语教学；极限状态设计

中图分类号：TU391；G6420文献标志码：A文章编号：10052909（2015）05009805

随着“高铁走出去”战略的提出，我国土木工程专业国际型人才培养越来越紧迫[1-3]。土木工程专业主干课程开展双语教学，传授土木工程设计基本概念、原理与设计分析方法的同时，培养学生的专业英语应用能力，使学生熟悉国外规范和设计程序，为学生毕业后的涉外工作奠定基础，培养具有高水平专业知识和良好专业英语交际与应用能力的高素质人才。

一、课程改革必要性

双语教学作为一种新教学模式，如何立足现有教学大纲，采用何种教学模式和评价方法才能更好地开展教学，各方面研究有待进一步完善，还需要更多理论研究和教学案例的支持。目前的主要矛盾是课程定位不明，在教学内容、教学方式和教学质量评价等方面存在的问题如下所述。

（一）教学内容多和学时少的矛盾

课程内容主要包括钢结构材料性能，连接构造、受力构件（轴心受压，受弯和弯压）的基本原理、设计计算，公式繁琐难解，双语教学又增加了语言学习内容，教材还没完全成型，而相应分配的课时为32学时（2学分），于是教师每节课都在赶进度，学生每节课都感觉内容太多吃不消。

（二）学生难学和教师难教的矛盾

通过英语教学对大部分内容的理解并不难，但要想学生熟练运用国外工程师的思维方式学习新专业知识，还有一定难度。学生存在畏难情绪，学习兴趣不高。教师在考虑授课效果的同时还要考虑课程进度和课程内容，而在大班（50―80人）教学条件下，课堂氛围和授课效果很难保证，教师的讲解不能面面俱到。

（三）教学质量评价与反馈难

教学相长，及时在教学过程中评价教学质量以改进教学方式。钢结构设计原理课程教学内容难度差异大，学生英语水平参差不齐，学时少，教学质量很难评价。

西南交通大学茅以升学院于2011年开始在土木工程专业课程开展双语教学，并在多方面进行了探索。文章针对专业基础课钢结构设计原理课程特点，结合3年双语教学实践，分析和探索适合国内土木工程专业基础课程双语教学方式，总结并提出了适合大班授课，以极限状态设计为主线的多种教法组合的授课模式。

二、课程定位

钢结构设计原理属于土木工程专业“结构设计原理”系列课程很重要的一部分，是在完成力学课程，已经熟悉基本力学原理的情况下，开设的结构设计入门专业基础课。教学大纲要求培养学生运用钢结构的基本理论知识进行研究与设计的能力，这一点对双语教学和汉语教学都是一样的，只是双语教学是在此基本目标上朝国际化迈进了一步。钢结构设计原理双语教学应根据整个土木工程专业课程体系和钢结构设计的特点，基于学生的语言水平，在专业知识和语言之间找到一个合理可行的切入点和平衡点，明确课程定位，纲举目张，剪裁教学内容，选取教学方式，进行教学质量评价。

其一，明确专业知识的学习是双语课程学习的最终目的。语言和专业知识的关系往往困扰着双语教学，其关系应区分表里，互相呼应。专业知识学习应为“里”，语言作为工具应为“表”。让学生在深刻理解基本原理的基础上，掌握其专业化、国际化的英文表述，理解国外工程师的思维方式，具备与中外专业人士沟通的基础。

其二，衔接好钢结构基本原理与力学理论和力学概念脉络关系。钢结构基本原理课程的理论性强，难点和重点多，与力学理论和力学概念联系紧密，如疲劳与断裂力学，压杆稳定与欧拉稳定理论，局部稳定与弹性波板稳定理论，梁的稳定与开口薄壁杆件约束扭转等。在前置力学课程的基础上，为解决钢结构基本原理的难点和重点，就要理清其与力学理论和力学概念脉络关系，使学生有清晰的力学概念，顺利完成从力学到工程结构的过渡。

其三，明确基本原理的教授包括结构行为的学习和极限状态设计理念的灌输。钢结构原理课程内容复杂，设计与构造并举，中外相关规范规定差异较大，会使学生顾此失彼，抓不住关键，教师教学过程中也感觉教时不够，关键概念讲不透。所以教学应立足于极限状态设计理念，对钢结构的强度、稳定和疲劳等基本原理和关键公式，多举例，多练习，多提问，而对其他内容和具体构造规定等可让学生自学。

三、极限状态设计为主线的教学内容

（一）以极限状态衔接力学和钢结构设计课程

为解决钢结构基本原理的重难点，就要理清其与力学理论和力学概念脉络关系，使学生有清晰的力学概念，顺利完成从力学到工程结构的过渡[4]。

在前置材料力学、结构力学课程的基础上，可以简明扼要地介绍断裂力学和薄板理论等，然后从极限状态的角度，将力学基本理论应用于钢结构设计中，建立理论与实践的有机联系，让学生从基本力学原理和工程结构实际两个角度进行结构设计学习，如表1所示。

（二）以结构行为为“经”，以极限状态为“维”，归纳整合，抓住主线

钢结构设计原理教学内容多而繁，理论推导与构造要求的内容比较枯燥，学习有一定难度。教学大纲一般按结构行为归纳为三大层次或部分，即材料―连接―构件，让学生将知识点归入这三大块知识中便于理解和记忆。但是这样就割裂了各部分之间的有机联系，毕竟最后学生将面对的是整个结构设计，而不仅仅是材料或构件。

钢结构设计原理课程教学目标是能熟练运用基本原理进行钢结构设计，基本原理包括结构行为和结构设计方法，两者不可分割，缺乏前者，后者没有载体，只有前者，即为照猫画虎。以极限状态设计为主流的设计方法可以将上述三大块知识有机结合，如表2所示，根据不同结构行为层次的不同破坏模式，以关键性关系联结，逻辑性强，形象生动。表2中的重要关系是极限状态变化的基础和载体，极限状态则是推导各个公式的前提条件，而关键概念是设计的重要参数，也是学生必须掌握的基本概念和相应的英语单词。

（三）处理好教材和规范的关系

结构设计原理主要任务是让学生掌握土木工程中钢结构设计方法。一方面，实际结构设计需要结合相应规范规定开展教学，包括材料性能要求，构造规定、计算分析方法和流程等，基本原理的教学必须与实际设计的需要紧密结合。另一方面，钢材性能的提高和技术水平的进步，使规范的修订和完善成为一种常态，因此，双语教学中需要重视不基于特定规范的基本原理、知识与方法的传授，以增强学生的知识应用适应能力[5]。

西南交通大学茅以升学院土木工程专业钢结构设计原理课程曾计划采用国外高等院校土木工程专业原版教材，考虑到虽然结构设计原理不分国外国内，但不同国家在工程设计中所依据的规范不同，其教材针对的教学大纲也有差别，也就是说原版教材必然是建立在所属国家相应规范基础之上，学生学习过程中不仅会感受到专业知识的难度，还会产生语言困扰，因此，直接采用原版教材不完全适合国内需要。基于上述原因，宜先采用英文版讲义与中文教材相结合的教材体系，并指定相关英文参考资料，英文讲义经教学检验后可以形成适合本校的英文教材。

四、多种方法组合的教学模式

（一）案例分析辅助教学引入和总结教学内容

案例教学[6]是具体的实例，印象深刻，易于学习和理解。开始教学内容前，可引入相关的国内外有代表性的工程实例，激发学生学习兴趣，提高知识运用的真实性，教学内容完成后对案例进行分析，提高解决具体工程问题的能力。通过工程事故案例教学，还可以警醒学生，在专业学习过程中严格要求自己，培养一丝不苟的工作态度和严谨的职业素养。

组织的案例最好能具备学科前沿性，并与教学内容相关，能突出重难点。学生一般对钢结构实践中成功的案例司空见惯，但对垮塌的案例记忆深刻。表3为根据教学内容中的结构层次，分别给出了对应破坏极限状态的工程垮塌事故案例，让学生学习专业知识的同时，体验工程实际中责任使命感的重要性。

（二）问答式授课模式关注重难点内容

当学生对双语教学熟悉后，问答式授课模式才能有效地展开[7]。受双语授课课程学时的限制，问答式授课模式主要有两种形式：课上教师问学生答和课下学生问教师答。

课上教师问学生答。根据每讲课的教学安排，教师将授课主要内容和关键概念以英文问题的形式在课上给出，以随机点名，让学生回答，并记录评分，然后根据学生回答的情况，以问题为主线，逐一讲解。这样学生课上不仅仅是被动听课，还是被迫积极思考，教师根据学生的回答反馈教学效果。

课下学生问教师答。根据学生的作业和上课情况，在课后可以留一些时间给教师或助教解答学生的问题。课下单独交流可以节约课堂时间，学生可以书面形式提出问题，针对共性问题下次课强调和复习。

（三）流程图法梳理设计和计算的程序

流程图法[8]作为一种从计算机程序语言衍生出的教学方法，可将课程中的复杂结构设计编制成具有逻辑关系、体系化、规范化的流程，让学生理解并掌握复杂难懂的结构设计程序和要求，开展教学的具体实施步骤如图1所示。

流程图法采用箭头和图形，根据公式和简洁的语言展示复杂的结构构件设计流程和规范规定，教学内容清晰明确，优点为符号规范，表述简洁，结构清晰，逻辑明确，容易理解。

图1结构设计课程教学流程图

钢结构设计原理是一门理论性强、计算公式较多的课程。纷繁复杂的公式使学生容易产生混淆。在课程教学中，针对不同的教学内容，如不同构件设计、同一构件设计、构件与连接设计、焊缝连接中弯与扭的区分，可分别采用比较教学方法[9-10]，帮助学生辨别同类教学内容的异同，抓住教学内容的实质，从而熟练掌握，不致混淆。

五、多通道教学质量评价

教学质量评价对教师及时调整和优化教学内容非常关键[11]，可以通过以下几个通道得到教学效果的反馈意见。

（一）课堂即时提问

按照教学计划，每堂课的内容既不同又有逻辑联系，尽快课堂时间有限，仍然需要回顾已讲内容，引入新内容。在复习上一讲内容的时候，可以对重难点内容点名提问，根据学生的回答情况得到教学质量的反馈，并进行补充和强化。在新内容进行到关键点时，提出疑问，敦促学生思考，让学生不只是照本宣科，而是对内容进行思考。根据回答情况记录成绩，整个学期每人都会被提问到，课堂提问从这两个方面入手，可以即时评价教学质量，控制上课节奏，优化教学内容，提高学习效率。

（二）课后作业批改

钢结构设计原理是实践性强、计算公式和原理较多的课程，需要进行大量练习才能很好地掌握教学内容，因此课后作业必不可少。课堂教学工作完成后，布置教材上的3道左右计算题，因时间充裕，计算量比考试题目要大。学生作业的完成情况反映了该部分内容的教学效果，可针对作业批改中存在的问题在下讲课进行补充。这样可以评价每讲课的教学质量，适时调整教学内容

。

（三）期中阶段考试

当总教学内容进行到一半时，可以就已讲内容进行一个阶段性的考察，期中考试的题目形式宜与期末考试一致，只是考察内容侧重点不同。题目应该包括考察基本概念的客观题（选择题）和设计计算的计算题，一方面让学生对学过的内容进行总结和复习，另一方面可以考察半期教学效果，促进后半期教学质量提高。期中考试是阶段性总结和反馈，评价半期教学质量。考试试卷应为英文，学生可用中文解答，让学生熟悉英文表述，提高对题目的因素理解能力。

（四）期末考试

由于期末考试占总成绩的比例在60%以上，学生在期末考试前都会花大量时间复习。对学生来讲，期末考试是课程的指挥棒。对教师来讲，期末考试可以全面评价整学期教学质量情况，

为下次教学提供参考。考试试卷也应为英文，学生可以用中文解答，这样学生才能重视双语学习。教师通过对期末试卷进行分析，找到学生错误较多的地方，查找原因，寻求解决之道。另外可以在最后一次课上让学生匿名提出意见，如教学进度、重难点和教学方法是否得当等。

总之，应做到教学反馈及时，多通道评价教学质量，合理调整教学内容，提高教学质量。

六、结语

面对钢结构设计原理双语教学中内容多，课时少，学生英语水平参差不齐，教学质量难于评估的现状，可以极限状态设计为主线，在教学内容、教学方式和教学质量评价三方面进行优化和调整，取得较好的教学效果。

（1）明确双语教学的定位很关键，应以专业知识和设计思想的传授为主体，语言为载体。

（2）在传统以结构层次（材料―连接―构件）为模块的教学内容基础上，让学生掌握极限状态设计的理念，衔接好力学和钢结构课程，剪裁教学内容，提升学生结构设计学习的深度和广度。

（3）针对不同的教学内容和教学过程，应综合采用不同的教学方式，以各种手段促进教学效果的提高，降低学生学习的难度。

（4）教学质量评价应贯穿整个教学过程，并进行多通道实时评价，因地制宜，从学生的接受角度来提高教学质量，不断提升教学水平。参考文献：

[1]刘林，吕晓寅，张鸿儒.混凝土结构设计原理课程多模式英语教学实践与体会[J].东南大学学报：哲学社会科学版，2012（S2）：256-258.

[2]周海涛.双语教学在钢结构原理课程中的应用研究[J].教育教学论坛，2012（26）：206-207.

[3]张建仁，李传习，杨美良，等.结构设计原理课程教学团队建设的改革与实践[C]//高等学校土木工程专业建设的研究与实践――第十届全国高校土木工程学院（系）院长（主任）工作研讨会论文集，2010.

[4]颜庆智.钢结构基本原理教学中的力学过渡[J].中国冶金教育，2012（1）：24-26.

[5]向南.基于“结构设计原理”课程的全英文教学方式探索[J].重庆交通大学学报：社会科学版，2014，14（4）：123-125.

[6]商怀帅，杨琳，祝英杰.工程案例在混凝土结构设计原理教学中的应用[J].中国冶金教育，2014（5）：34-35.

[7]管巧艳，闫祥梅，谢晓鹏.问答式授课模式在土木工程双语教学中的应用[J].高等建筑教育，2012，21（4）：56-58.

[8]王亚军，马亚维，杨文伟.流程图法在混凝土结构设计原理教学中的应用[J].高等建筑教育，2013，22（6）：100-103.

[9]李素娟.比较教学法在钢结构设计原理课程中的应用[J].高等建筑教育，2011，20（4）：85-88.

钢结构基本原理篇3

关键词：钢结构；防火涂料；超薄型防火涂料；发展趋势

概述

钢结构作为现代建筑工程中较普遍的结构形式之一，就因为它的特点是强度高、自重轻、整体刚性好、变形能力强，故用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物特别适宜；材料匀质性和各向同性好，属理想弹性体，最符合一般工程力学的基本假定；材料塑性、韧性好，可有较大变形，能很好地承受动力荷载；建筑工期短；其工业化程度高，可进行机械化程度高的专业化生产。虽然钢结构具有诸多优点，但却有一个重大弊病：不耐火。钢结构通常在450～650℃温度中就会失去承载能力、发生很大的形变、导致钢柱、钢梁弯曲，结果因过大的形变而不能继续使用，一般不加保护的钢结构的耐火极限为15分钟左右。为克服钢材这一弱点，就须对钢结构进行必要的防火处理，以便将钢结构中各建筑构件的燃烧性能及耐火极限提高到规范要求范围。

1.钢结构防火的要求

在国家标准《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）、《高层民用建筑设计防火规范》（2015版）中，对建筑物的耐火等级及相应的构件的耐火极限作出了具体的规定：在设计和施工过程中只要保证各钢结构构件的耐火极限能够达标即可。

2.钢结构防火的方法

现有的钢结构防火的方法有很多种，主要有两个方面的防火：失火前的防火和失火后保护措施。失火后的保护措施主要是疏导法。失火前的防火从原理来分主要可以分为屏蔽和喷涂法。

屏蔽法是将钢结构设置在耐火材料里，然后在特殊部位设置防火屏障，将火源隔开。这样将会加重钢结构自重，不利于高层、大型建筑。

疏导法允许热流量传到钢构件上，然后设法把热量导走或消耗掉，从而使构件温度不致于升高到临界温度。

喷涂法是直接将防火涂料涂在钢结构的表面，这个方法最经济有效，而且不会加重钢结构本身的自重，适用各种钢结构工程。

3.防火涂料、防火原理

防火涂料是用于可燃性基材表面，能降低被涂材料表面的可燃性、阻滞火灾的迅速蔓延，用以提高被涂材料耐火极限的一种特种涂料。其原理：

（1）防火涂料本身具有难燃性或不燃性，使被保护基材不直接与空气接触，延迟物体着火和减少燃烧的速度。

（2）防火涂料除本身具有难燃性或不燃性外，它还具有较低的导热系数，可以延迟火焰温度向被保护基材的传递。

（3）防火涂料受热分解出不燃惰性气体，冲淡被保护物体受热分解出的可燃性气体，使之不易燃烧或燃烧速度减慢。

（4）含氮的防火涂料受热分解出NO、NH3等基团，与有机游离基化合，中断连锁反应，降低温度。

3.1防火涂料的种类

防火涂料的分类方法很多种，根据基料的不同可分为有机和无机两大类；按其燃烧后的状态可分为膨胀型和非膨胀型两种；按涂层厚度将涂料分为超薄型（0～3mm）、薄型（3～7mm）及厚型涂料（7～50mm）三种

4.超薄膨胀型防火涂料及其发展

按厚度来分的防火涂料中，又以超薄型最为常见。传统的膨胀型防火涂料主要由聚磷酸胺为催化剂，季戊四醇为成炭剂、三聚氰胺为发泡剂组成的阻燃系统，再加上各种外添加剂、颜料的配制以适应不同的使用需求。超薄型钢结构防火涂料中的多数产品属于溶剂型，主要由基料、阻燃剂、颜填料、溶剂和稀释剂组成。该类防火材料有很强的粘结强度、耐候、耐水性好，在受热后会缓慢的膨胀并发泡形成一层致密坚硬的隔热层，从而使钢结构的内部温度降低在耐火极限一下，有效的保护钢材。这种超薄型的防火涂料涂层更薄，用量少，施工方便，装饰性能高。因此在此基础上开发复合型的超薄防火涂料成为行业的发展趋势。

目前国外的代表性防火涂料：英国的Nullitifer钢结构防火涂料；德国的佑民生和柏兹钢结构防火涂料；加拿大A/Dfirefilm防火涂料等。国内的产品主要有：四川消防科研制的SCB（溶剂）、SCA（水性）、LF（溶剂型）、L6（溶剂型）和SF（溶剂型）等超薄膨胀型钢结构防火涂料。

当前，由于中国加入世贸组织，在国际上的地位也是越来越高，面对地球生态环境、温室效应等问题的严峻，加之中国国情需要我们坚持可持续发展的方针。因此，钢结构防火涂料不可避免的将面临低碳和环保这一课题，为解决这一课题，就要求钢结构防火涂料生产工业从原材料生产、涂料生产、施工、残留物处理等全部过程的能耗、物耗、废物排放进行量化计算，特别是考察防火涂料燃烧产物的毒性，以达到全面评估钢结构防火涂料的环保指标。随着科技的发展，纳米、可膨胀石墨材料的开发与应用为钢结构防火涂料的发展注入了新的活力，可以利用纳米TiO2、TiO2、纳米SiO2和纳米Sb2O3具有的特殊效应、可膨胀石墨层间的插层物质（H2SO4）与石墨发生氧化还原反应放出气体，使石墨体积膨胀增大数百倍。这样新型材料提高钢结构防火涂料的阻燃性能，并最大限度地节约资源和能源，减少对生态环境的污染，推动钢结构防火涂料向环境友好型、无机水性和生态型的发展。

5.钢结构防火涂料应用的不足

5.1耐久性

由于超薄型防火涂料的厚度很薄，而且都暴露在空气当中，火灾的发生又是不可预测的，在发生火灾前的这段时间防火涂料或多或少的会分解、降解、老化以及受到室外酸雨、碳化、钢材挠曲变形等因素影响其耐久性。

5.2稳定性

超薄型防火材料的作用原理基于失火后高温中涂料发生剧烈的化学反应膨胀形成疏松，致密的炭化层，剧烈的化学方应使涂料防火隔热层成为非稳定的传热过程，同时又必须要求反应过程复杂，所以在苛刻的火灾环境中形成稳定性好的炭化层非常困难，加上高温情况下催化剂的催化作用降低，这样严重阻碍失火后防火涂料中的阻燃系统发挥作用。

5.3安全性

超薄膨胀性防火涂料在失火后可能释放出氨、HCN、NO、二氧化氮、CO、二氧化碳、卤化氢、CL等有毒有害气体，，这些有毒气体对未及时逃离火场人员及消防灭火人员产生危害。

因此，防火涂料这些方面的不足之处也给未来的研究制造加重的难度。未来的产品也应该具有更耐久、更稳定、更安全的方向发展。

6.结论

虽然我国钢结构防火涂料的开发研究要比工业发达国家晚20年左右，但就普遍采用的主要指标防火性能而言，发展速度较快。目前，我国超薄型钢结构防火涂料的防火性能普遍较高，然而在耐久性、稳定性和安全性能上仍需进一步提高，因此在研究提高防火性能的同时应着重改善其综合性能。另一方面，研究开发无毒低污染的高性能防火涂料已成为科研重点，因此对水性型以与新型（石墨、纳米）超薄膨胀型型钢结构防火涂料进一步研究具有重要意义。（作者单位：重庆交通大学土木建筑学院）

参考文献：

[1]闫超.钢结构研究综述安防科技，2010：24-36.

[2]施丽彦.钢结构防火重庆建筑大学学报，2002，24（2）：15-18.

[3]邹华春，颜家桃.超薄型钢结构防火涂料的研究进展广东化工，2010，37（203）：16-17.

钢结构基本原理篇4

关键词：砖混结构，改造，钢框架，加固

1.工程概况

本项目位于连云港市东海县城，为两层砖混结构办公楼，底层层高3.7m，二层层高3.5m。屋面与楼面均为120mm厚预制空心板，条形基础。该建筑处于7度地震设防区，设计地震分组为第二组，Ⅱ类场地土，建筑抗震设防类别为丙类。地基承载力特征值fa取150kPa。因使用要求变更，须将办公楼部分承重墙拆除。

2.改造加固设计

本项目是对办公楼的局部改造加固，由一榀两层的钢框架代替拆除的承重墙承担荷载。图1为钢框架计算简图。考虑结构恒载、活载以及雪荷载和地震荷载作用，由不同荷载组合可得到不同结构部位的最不利受力状态。

图1.钢框架计算简图

2.1钢梁设计

第二层钢梁采用热轧普通工字梁I32a，梁所受最大正弯矩为Mmax=82.55kN•m，最大剪力Vmax=80.57kN。底层两跨梁均采用热轧普通工字梁I20a，梁所受最大正弯矩为Mmax=41.67kN•m，最大剪力Vmax=57.95kN，且均出现在右侧框架梁。经验算，框架梁的抗弯、抗剪、整体稳定性和刚度均满足规范要求。

2.2钢柱设计

上下两层柱均采用双槽钢[20a。与钢梁设计类似，取钢柱受力最不利位置进行验算，钢柱的强度、刚度、弯矩平面内稳定性、弯矩平面外稳定性和局部稳定性均满足规范要求。

2.3节点设计

由于两处层间柱节点最不利受力状态相近，偏向保守地取N=80.57kN，V=20.87kN，T=27.45kN•m验算。钢柱两侧外加Q235钢板，钢板与柱侧面采取两侧面角焊搭接连接。两侧钢板尺寸为15mm×120mm×300mm，所有焊角尺寸均取hf=10mm。手工焊，E43型焊条。经验算，满足规范要求。节点构造见图2（b）。

梁柱间连接腹板采用角焊，手工焊，E43型焊条，所有焊角尺寸均取hf=10mm。翼缘采用对接焊缝。施焊处所受的最大弯矩值为47.90kN•m，最大剪力为80.57kN，所受最大轴力为20.65kN。经验算，满足规范要求。节点构造见图2。

（a）

（b）

（c）

图2.梁柱节点构造详图

2.4基础设计

底层边柱受力最不利情况为N=104.72kN，M=1.65kN•m，V=1.89kN。由于原有结构本身的条形基础承担部分荷载，近似认为独立基础承担60%的荷载作用。设计基础如图3所示。基础埋深取600mm，承台底部尺寸取为800×1500mm，锥形基础，最小高度为200mm，基础上部尺寸取350×400mm。按照偏心受荷基础设计。底层中柱承受最大轴力值为83.66kN；而承受的最大弯矩值为1.71kN•m，最大剪力值为1.28kN。对于中柱独立基础按照中心受荷基础设计。设计基础如图4所示。基础埋深取600mm，承台底部尺寸取为800×800mm，承台上部尺寸取350×400mm。承台全部采用强度等级为C20混凝土，按照构造配筋。经验算，设计基础均满足承载要求。

图3.边柱基础构造详图

图4.中柱基础构造详图

3.加固施工要求

结构加固前，先将原底层钢框架顶部清除，以便与二层钢柱连接。施工前必须做好充分的防护措施，在底层、二层架临时支撑，间距不超过500mm，满樘。先对柱下独立基础进行施工，对底层已有钢柱、钢梁间节点进行焊接处理。对二层钢框架柱、梁施工，并注意钢框架梁、柱间的节点连接处理以及原有结构的支撑防护处理。本设计中所有焊接应严格按照《建筑钢结构焊接技术规程》进行施工。边柱要与墙进行加固处理，处理方法见边柱与墙连接处理详图（图5）。钢框架施工结束后，对钢柱、钢梁包裹一层钢筋混凝土，以保护其表面，防止钢材腐蚀。

图5.边柱与墙连接处理详图

4.结语

由于使用要求的变更，原有建筑的使用空间和结构形式不再适用，需要对结构进行局部的改造和加固。在已有建筑改造过程中，由于建筑使用功能的改变和新旧规范要求的不同，使得原有结构的承载能力和抗震措施等许多方面有可能存在不足需要加固。在加固设计中，须根据具体要求，采取不同的加固方法。在本项目的设计中，由一榀两层的钢框架代替拆除的承重墙承担荷载，可满足建筑的对使用功能的要求，且具有良好的承载和抗震性能，符合相关规范的要求。

参考文献

[1]GB50367-2006混凝土结构加固设计规范[S].

[2]GB50017-2003钢结构设计规范[S].

[3]JGJ116-2009建筑抗震加固技术规程[S].

[4]GB50007-2002建筑地基基础设计规范[S].

[5]杨威,王力波,张仕通.某多层砌体房屋改造及抗震加固设计[J].建筑结构,2010,40:214-217.

钢结构基本原理篇5

新工科建设是应对新经济的挑战，从服务国家战略、满足产业需求和面向未来发展的高度，在“卓越计划”的基础上，提出的一项持续深化工程教育改革的重大行动计划。根据新工科“新”的内涵，即新兴、新型、新生。“新兴”指的是全新出现、前所未有的新学科，主要指从其他非工科的学科门类，如应用理科等一些基础学科，孕育、延伸和拓展出来的面向未来新技术和新产业发展的学科。“新型”指的是对传统的、现有的（旧）学科进行转型、改造和升级，包括对内涵的拓展、培养目标和标准的转变或提高、培养模式的改革和创新等，而形成的新学科。“新生”指的是由不同学科交叉，包括现有不同工程学科的交叉复合、工程学科与其他学科的交叉融合等而产生出来的新学科。钢结构课程的教学改革属于新型、新生的范畴。本文从新工科专业建设的重点之一，即从“新工科人才培养模式”出发，包括课程体系和教学内容改革、教育教学方式改革、课堂教学与课外学习的关系、通识教育与专业教育的关系等方面，探讨钢结构课程教学改革的措施和方法。

1课程体系和教学内容改革

目前，多数院校在开设土木工程专业的钢结构课程时，课时偏少，更多的重视混凝土课程设置，本科阶段的钢结构课程中，学生所学内容主要是钢结构基本原理的学习，对于钢结构设计内容开设的极少，随着大跨度钢结构的发展及广泛应用，其设计愈显重要。通常学生主要学习钢结构的连接计算，焊缝及螺栓连接；轴心受力构件的计算，但部分院校所讲内容未包括格构式构件的设计，只讲授了实腹柱的强度、刚度、稳定的计算。稳定问题是钢结构中最重要的知识之一，由于稳定的理论及计算较难以理解，只是教授学生如何使用公式而已，未能使学生从失稳的机理上去掌握。同时受压构件的稳定问题在此课程开设之前的“材料力学”课程中有相关章节内容，部分院校开设力学课程时，并未讲授此章节，主要考虑到课时限制及内容的难度而省略了，但笔者建议在力学教学中关于压杆稳定的计算应重点讲解，为后期钢结构的稳定计算打下基础。后续内容便是钢结构受弯构件的计算，只是简单介绍了些概念问题，并未进行理论和设计的计算。拉压弯构件及屋架的计算，很多院校也忽略了此部分教学内容，造成学生无法对钢结构的设计及计算有整体上的理解。

钢结构的计算和设计需考虑实际施工的需要，在所学课程“土木工程施工”中，关于钢结构的施工内容较少，而且钢结构施工内容较为陈旧，很少涉及到动画或视频。

由于土木工程专业属于应用型学科，大多情况要求工作人员持证上岗，故教学中适量加入工程师考试内容，使学生提前了解考试题型，便于学生掌握规范内容及其应用，同时可加深对理论知识的理解。

2教学方式改革

钢结构问题均为实际工程问题，对于此课程的讲授难免需要实践教学。大多数院校在钢结构教学中，学生均反映内容较为难学，难以理解；一方面是钢结构与力学知识联系比较密切，学生力学基础薄弱，另一方面是钢结构连接、安装及实物有些抽象，学生只是在课堂上学习，未见过钢结构现场，对大部分构件、结构难以想象出来，造成学生感觉钢结构内容的学习很困难。故笔者认为，钢结构课程讲授过程中必须搭配实践教学，如讲到钢结构加工时，可把教室移到加工现场参观并加以讲解；涉及钢结构连接时，可安排学生到钢结构安装现场或已有钢结构建筑场地进行讲解。学校可与相关企业合作建立钢结构实习基地，才能真正解决钢结构实践教学的问题。

钢结构除了教室教学，还可让学生亲自动手试验去掌握课本知识。如轴心受力构件、受弯构件及拉压弯构件的整体稳定和局部稳定的破坏模式，课堂上学生理解，此部分内容对学生的空间想象能力及力学知识要求较高，为让学生有个直观的认识，可加工不同截面类型的试验构件通过实际试验让学生观察到试件产生整体失稳和局部失稳的过程，然后再从理论上教学，学生便易于接受。

同时需调整钢结构教学课时，应包括理论课时、实践（试验）课时和课程设计等，教学过程中应充分利用多媒体教学资源及手段，对于课本图片多为平面图，加之一些知识点较难理解，难以让学生看懂，且钢结构多为空间立体杆件结构，尤其钢结构的加工连接、安装、吊装均需提供详细的三维图纸和动画视频，这样可使学生达到身临其境的感觉，才能减轻学生的负担，从而提高教学效果。

3考核方式的改革

钢结构课程一般考核方式主要包括：平时成绩、考试成绩和期中考试成绩，大多数学校把平时成绩定为出勤率的考察，但学生出勤是必须的，也是学习这门课的前提和基础，因此，可把平时成绩改为平时作业、课堂听课状态、上课提问回答问题的情况、参与小组讨论情况等，若无特殊原因缺勤或迟到早退的现象，则在平时成绩中倒扣分。最后还可添加钢结构课程设计的成绩，钢结构同混凝土课程一样，均需要通过设计来最终考核学生对课本知识的掌握和应用情况，即学生的综合知识的运用能力。

4提供课外学习平台

一门课程的学习仅仅通过教师每节课的45分钟是远远不够的，学校可提供数字学习资源平台，为学生开通课下线上查阅资料，观看相关教学视频的渠道，让学生把课上的疑难问题在课下及时解决，达到事半功倍的效果。同时可组织创新创业实践、结构设计大赛、试验设计竞赛、专业社会实践等，积极引导学生参与进去，使学生利用?n本所学的理论知识应用到实际中去，以培养其实践用手能力、应用能力、创新能力。

大学四年最后的环节就是毕业设计，现阶段由于钢结构教学课时设置不足，毕业设计的对象基本都是混凝土结构，对于钢结构的设计较少，导致学生出现对钢结构设计的难度较大的错觉，为了丰富毕业设计的对象，锻炼学生的综合知识能力，指导教师可根据学生的兴趣和个人情况选定一些合适的钢结构设计题目，以锻炼其查阅钢结构规范及资料的能力。

5加强通识教育与专业教育

不同类型高校在新工科人才培养上对待二者关系上有不同的处理方式，但也有一致的方面：一是强调通识教育对专业教育的支持，包括加强基础科学教育使学生对各种新技术的科学基础有扎实的理解等，这些对学生适应日后新技术和新产业的快速发展和变化十分重要；二是新工科要求注重专业教育的包容性、发展性和未来性对通识教育提出了更高的要求，必然促进通识教育的改革。

根据钢结构的教学内容可知，该课程与力学中“材料力学”、“结构力学”知识联系最为密切，因此，力学老师应加强材料力学、结构力学的教学及考核方式，把学生的力学功底打牢。进而推知，材料力学的基础是数学，土木工程本科专业数学课程主要包括高等数学、线性代数、概率论与数理统计，数学即为通识教育课程，尤其是高等数学中的微积分的知识、线性代数中的矩阵知识及概率论与数理统计中的概率统计知识对后期力学的学习至关重要，同样必须加强通识教育课程的学习。

钢结构基本原理篇6

关键词：工业厂房；加固处理；钢筋混凝土

1引言

钢筋混凝土结构加固方法主要有加大截面法、外包钢法、预应力法、外部黏钢法、增设支点法、化学灌浆补强法、水泥压浆补强法、喷射混凝土补强法、粘贴纤维材料加固法等。实际工程中可能会用到一种或几种加固方法，然而，这些加固方法都有一定的缺陷。因此，在实际加固时，应寻求一种简便易行的技术含量高的加固技术。以下是某工业厂房改造的一个加固实例。

2钢筋混凝土结构工业厂房常用加固材料

2.1聚合物产品及微膨胀产品

配制聚合物砂浆用的水泥，其强度等级不应低于42.5级，且应符合聚合物砂浆产品说明书的规定。微膨胀混凝土不能用铝粉作膨胀剂进行配制，主要是因为铝粉遇水立即开始发泡，气温高时发泡还更快，从而在混凝土浇筑前，其膨胀作用便已发挥完毕，不能起到膨胀的作用。

2.2钢材及焊接材料

不得使用无出厂合格证、无标志或未经进场检验的钢材，当混凝土锚固件为植筋时，应使用热轧带肋钢筋，不得使用光圆钢筋。

2.3纤维和纤维复合材

(1)承重结构加固用的碳纤维必须为连续纤维，必须选用聚丙烯腈基12K或12K以下的小丝束纤维，严禁使用大束纤维；(2)承重结构用的玻璃纤维，必须选用高强度的S玻璃纤维或含碱量低于0.8％的E玻璃纤维，严禁使用A玻璃纤维或C玻璃纤维；(3)承重结构的现场粘贴加固，严禁使用单位面积质量大于300g/的碳纤维织物或预浸法生产的碳纤维织物；(4)结构加固用的结构胶：承重结构用的胶粘剂，宜按其基本性能分为A级胶和B级胶。对重要结构、悬挑构件、承受动力作用的结构、构件应采用A级胶。

3钢筋混凝土结构工业厂房改造的实例分析

3.1工程概况

某车间原旧厂房为钢筋混凝土排架结构，6m柱距，承重结构体系为：预应力钢筋混凝土大型屋面板一钢筋混凝土屋架一钢筋混凝土排架柱一钢筋混凝土独立基础。根据工艺要求，改造后旧厂房内要新增设备基础，原厂房6m跨度不能满足工艺要求，因此要把中间排架柱去掉，增大原有厂房柱距，使改造后厂房柱距变为12m，保持原有厂房屋结构，因此要增加托梁来支撑厂房屋架。经此结构改造后，厂房原有结构受力发生改变，抽柱两侧柱及柱基础受力增大，所以要对抽柱两侧柱及柱基进行加固，以保证新工艺的运行。

3.2厂房柱加固

拔柱前排架计算单元为6m，拔柱后变为12m，需验算按12m计算单元的平面排架，其传力路线为：屋面荷载(按6m考虑)―屋架―托梁―厂房柱―基础；吊车垂直荷载―12m吊车梁―厂房柱―基础。这样，验算拔柱后的排架时，排架的恒载和风荷载等的计算方法与一般排架相同，但吊车荷载则要按新的计算单元主排架产生Dmax、Dmin、Tmax时的吊车位置来计算。经计算，拔柱后的排架柱不满足受力要求，混凝土排架柱必须加固，厂房柱加固方案必须保证整体结构安全并且尽可能地不影响正常生产，有以下几种方案可选择比较：

3.2.1加大构件截面法

原有厂房柱为钢筋混凝土结构，对钢筋混凝土结构而言，当结构抗力不够时可通过采用同种材料(钢筋混凝土)来增大原混凝土结构截面面积，从而达到提高结构承载能力的目的。此外，加大截面法还有一些不利因素，使用时必须根据实际情况考虑构件质量和刚度变化较大，结构固有频率会发生变化，因此，应避免使结构加固后的固有频率进入地震或风震的共振区域，造成新形式的破坏。

3.2.2外包钢加固法

以角钢外包于厂房柱四角，角钢之间用缀板连接。外包钢加固法分干式和湿式两种情况。湿式外包钢法是在型钢与原构件之间用乳胶水泥或环氧树脂等黏结，使新旧材料之间有较好的协同工作能力，其整体性好，但湿作业工作量大。该方法能在基本上不改变原结构构件截面尺寸的情况下，大幅度提高构件承载力，增大延性和刚度并且施工速度快、现场工作量较小、加固效果好，但用钢量大，加固费用较高。

旧厂房的加固工作是相当复杂的，不仅要在技术上有合理的加固方案，而且方案实施还要有生产、施工、设计等单位的配合。一个好的加固方案不仅技术先进、经济合理、加固效果良好，还要尽可能地不影响生产、方便施工，由于本工程为旧厂房改造加固，所以，尽可能地不影响生产、少影响生产成为方案的一个主要因素。经综合分析以上方案利弊和现场实际情况，最终柱加固选择第二种方案：湿式外包钢加固法，以使加固后的厂房柱在新的结构受力体系中达到强度、刚度及稳定的目的。

3.2.3基础加固

厂房改造后柱距加大，基础受力也加大，原有基础不能满足改造后需求，通过全面分析，基础采用加大截面法进行加固。为保证新旧混凝同工作的可靠性，在设计时需对结构的结合面进行抗剪验算的同时，并在施工工艺上采取以下措施：(1)在基础加固时新老混凝土接触而应凿毛并将浮渣清除干净；(2)在新老混凝土接触面梅花形布置植入钢筋；(3)接触表面先涂刷纯水泥浆一道；(4)浇筑混凝土前应将原有混凝土接触面用水湿润，但不得有积水；(5)控制新浇混凝土的水灰比和坍落度；新浇的混凝土强度愈高、水灰比和坍落度愈小，则结合面黏结力量就愈大，因此，新浇混凝土将采用低流动性、水灰比小、高强度的混凝土，并在混凝土中加入适量的微膨剂。

4施工阶段

(1)模板和支撑系统优化。(2)混凝土工程。在混凝土浇筑之前，将模板内的杂物清理干净，洒上水湿润。第二次浇筑混凝土前，应剔除表面的浮浆并冲洗干净，再浇上一层水泥浆。同时，混凝土应分层进行浇筑，每层浇筑厚度也要受控制，每层间隔时间大约20h(初凝时间8h)，以前一层混凝土初凝前浇注后一层为衔接。在钢筋密集处用钢钎配合振捣，确保混凝土密实。严格控制钢筋绑扎质量，按设计控制好钢筋骨架的标高;混凝土浇筑前，放线抄平，在预留插筋弹出500mm标高控制线;由于转换层面积较大，为确保整个转换层的表面平整度，混凝土收面时要拉通线收面，用于控制其表面平整度。

5结语

随着我国工业化发展进程的加快，对工业厂房的安全可靠性要求越来越高，特别是五、六十年代的建筑物，经过几十年的使用，生产的发展，荷载的变更，甚至有的已经超过使用年限，造成建筑物结构的强度严重不符合国家规范要求，混凝土结构的加固是解决建筑物可靠性问题的主要途径之一，在施工过程中，根据厂房和生产的具体情况，认真分析，制定加固方案，一定能取得良好的效果，更好地为生产服务。

参考文献

[1赖雅琳，李宗坤，施力.闸墩复杂结构裂缝成因分析[J].郑州大学学报：理学版，2002，34(1)：55-5.