主题：【原创】钢结构和高层建筑设计的演化 -- Swell
家园 【原创】钢结构和高层建筑设计的演化 这方面不是我的专业，但是离得不远。看好多河友还不是很了解，就介绍一下。
和传统的钢混结构相比，钢结构简直就是为高层，超高层量身定做的。好处太多了，自重小，建筑有效空间大；水泥的制备，运输，养护都省了； 费事费力又不容易干好的钢筋连接也省了；施工现场如同搭积木；一个高层建筑最少的时候20多人就可以，这在过去是不可想象的。缺点就是造价，钢材价格比水泥一般是贵三个数量级，但是可以从人工，工期，有效面积里面找回来。 据我所知，不是钢结构的高层是越来越少了。
但是同传统的钢混结构相比，钢结构失稳的问题更加严重。从单个梁或柱来说，截面积太小（因为钢材贵啊），天生容易失稳。连接处采用栓接焊接，虽然为施工带来了极大方便，但是如果被破坏容易造成结构解体，坍塌。最后防火是硬伤，不仅是钢材预热软化，钢材的极高的导热性，很小的截面积都是硬伤。针对防火，现在的做法基本是主动或者被动的防火涂层，预留缝隙利用空气隔热等等。这些措施基本上只能延缓，希望结构能够拖到消防人员到来之前。很多的涂层一般可以延缓一到两个小时。 假如火根本灭不掉的话，传统的钢混结构很可能最后烧的剩下骨架，而钢结构最后还是会坍塌。
当年911发生的时候，我还在国内。这一下子就成了力学界的热门问题。几乎所有从事力学的老师都认为双塔是被震倒的；而所有的跟建筑有关的老师都认为是钢材受热失效导致的。最后这事情基本统一了。钢结构抗弯抗震能力一流，即使这种能量的冲击也不是太大问题，但是防火能力不足。温度超过600度，差不多刚度，强度就只剩下1/2~1/3了。而对于着火而言，600度真的只是一个起步价。 中国后来也发生了很多次钢结构着火垮塌的事故，但是不是这种超高层，名气不大所以知道的人也不多。 钢结构的防火也是随着人们不断的从事故中学习，修改各种规则手则。
通宝推：白鹤梁,桥上,为什么不可以,北纬42度,铁手,外俗内正,审度,家园 2. 计算力学对设计的影响 同样的，只是针对安全这一块大概说一下。
过去工程师的看家本领就是计算。我姥爷就是根正苗红的共和国培养的第一代桥梁工程师。我还留着他的几本工作笔记作为纪念。上边有一个他的设计，最简单那种桥梁，我大概看了一下有20多个自由度吧，就理解成解一个20乘20的的线性方程组吧。大概就是4，50十页的笔记，大概就算了十几天。而且是三个工程师同时算，把结果对到一起，全都一致了才算过关。想来解一个20乘20的方程也用不了那么久，但是每一步都很小心，反复验算，差不多也需要那么多时间。我还听他说伪满洲国时期一个日本工程师设计一个桥还是楼啊，设计错误，发现之后直接自杀了。想来这压力也是巨大。
几十个自由度尚可一算，再多就真的很难了。所以过去大量采用现在所谓的子单元法，凝聚自由度法。就是把一块结构假设为一个荷载加到主梁或柱上。在高层建筑中有个形象的说法叫“糖葫芦”。这么做自然就是过于保守。往往很大一部分面积被梁和柱占了。另外建筑还有防震的要求，其实就是针对材料的塑性和破坏部分。如果有一个很大的外力，能不能做到不垮塌，不死人（当然不能做到毫无影响，照常使用，那成碉堡了）。过去这种计算是不可能的，就直接加一个系数，一个系数都不大，比如1.2， 1.5。有时候几个系数乘到一起就很可怕了。
计算力学的核心就是有了解大规模线性方程组的能力，几百万个自由度也就是标配，上亿个也不是什么大问题。框架结构就成为主流了。原有的“糖葫芦”的那些设计连教科书都不讲了。进一步的发展就是利用有限元去定量的解决这些塑性破坏问题，倒逼原有的过于保守的设计标准。另外发现合理的减轻自重更能事半功倍。现在开始流行的钢-木混合高层建筑便是一例。这里的木其实应该理解成木质复合材料了。效果非常好，自重很轻但是刚度强度都不逊色。经过处理防火效果也很好。在建筑行业也希望减少碳排放的前提下很有市场。
有时候看新闻说很多老的桥和楼炸起来很费劲，评论都是当年的人有良心如何如何。其实从设计的角度这不是什么好事情。应该100块钱做的事情，200块钱做好了没什么好骄傲的。我姥爷设计的桥梁也有这个情况。他当年设计的一座铁路桥，后来废弃了就留在那里做普通桥梁。一年发大水，怕它威胁下游新建的桥梁安全，就决定炸了。结果计划赶不上变化。上游水库提前放水，大水过后桥梁啥事没有。这事完了之后还是决定炸了，结果炸了两次才勉强坍塌。怕不是当年设计的时候有过坦克的要求把。
通宝推：非鱼,家园 关于失稳、瞬间垮塌补充一下 结构的构件一般是进行平面内及平面外的弯、剪、扭、受力分析，构件的形心与质心并不都是重合，还有长细比要求。相对于砼的刚性，钢材受热时构件两端容易由固接变成铰接。
建筑物每层的形心质心及建筑物总的形心质心大都有偏差。
家园 记得以前看过一个房子 两楼。什么都好，就是在一个角是挑出的。二楼在上面，下面是空的，用一根钢管撑着，看上去很细，不会超过手腕粗。
当时觉得总是不放心，这钢管撑的住么。后来看别的房子，也有类似的，但是用木柱子撑着，比较粗大，感觉放心多了。
现在仔细想想，恐怕还是那个细钢管牢靠些吧。
家园 细了容易失稳
家园 应该不是贵三个数量级，贵三倍差不多 家园 我是说按单位重量 每吨价格。当然不需要用同样重量的钢去代替水泥。 写的不清楚，不好意思。
- 复 我是说按单位重量
家园 按单位重量也去不了三个数量级 目前水泥好象500左右吧？薄钢卷材好象是6-7000左右，厚板就更便宜。致于其他辅材，都差不多。防火涂料的价格不便宜，这个不便宜跟产量的关系大点，跟技术和原料价格相关性并不十分大，主原料也是普通无机粉体。只是钢结构建筑的维护成本，目前贵很多。
钢结构的确是未来建筑的方向。黄奇帆早几年提出要多搞钢结构建筑，是对的。我国设计标准，一般城镇建筑建筑寿命是50年吧？按早几年某住建部副部长的说法，实际寿命也就20多年，这个20多年，不知有没有考虑城市拆建。无论20还是50，合理设计维护的钢结构，都能够轻松达到。
钢结构相对目前的水泥混凝土框架，缺点很明显，优点也很明显。总体来说，我认为普通房屋，钢结构普遍化是趋势。
家园 的确是错了 钢材在我心中是上千，而水泥我还是以为是几十一吨，一查500。所以说不是这个行业的，一说就错
家园 以前在日本 看到很多建筑钢结构表层喷涂石棉层，但后来听说石棉致癌，建筑上明文规定禁用了
家园 请问钢结构防腐怎么处理？ 实践中发现，钢结构防腐似乎有漏洞。一个是中空钢材的内部防腐似乎很薄弱，一个是各孔洞位置的防腐，还有一个是上漆
曾经在佛山顺德碧江站坐轻轨，当时车站启用一年左右吧，站台有根立柱顶蓬已经是一片锈迹，锈迹看来象来源于柱顶或之上的彩钢板。
防火隔热涂料目前似乎是重立柱轻楼层板？