結構鋼

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結構鋼屬於鋼的一個分類，用來製造各種形狀的建築施工材料。許多結構鋼形狀採取具有特定橫截面輪廓的細長梁的形式。結構鋼的形狀，尺寸，化學成分，機械性能例如強度，存放方式等，在多數工業化國家均受標準規範。

大多數結構鋼的形狀，諸如I-beams，具有很高的截面二次軸距，意味著它們相對於其橫截面面積非常硬，因此可以支持高負荷，而不會發生過度下垂。

## 常見結構形狀

現在工程中可用的形狀已在全球許多已發布的標準中進行了闡述，這些標準還提供了許多專業和專有的橫截面。

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- I梁（I型截面），在英國包括通用梁（UB）和通用柱（UC）；在歐洲，它包括IPE，HE，HL，HD和其他截面；在美國，它包括寬法蘭（WF或W形）和H型鋼）
- Z形（在相反方向上將法蘭對半分開）
- HSS形（空心結構型鋼，也稱為SHS（結構空心型鋼），包括正方形，矩形，圓形（管道）和橢圓形型鋼）
- 角形（L形橫截面）
- 結構通道，也稱為C梁，或C形截面
- 三通（T形截面）
- 導軌型材（不對稱I-beam）
- 鐵軌
- Vignoles軌道
- 法蘭T軌
- 槽軌
- 條形，長條形，且具有矩形橫截面，但寬度不大的被稱為薄片。
- 杆形，與寬度相比較長的圓形或正方形；另請參見鋼筋和銷釘。
- 盤形，厚度大於6毫米或1/4英寸的金屬板。
- 開腹式鋼托梁。

許多型鋼通過熱軋或冷軋製作，其他則通過由焊接在一起的平坦或彎曲的鋼板製作（例如，最大的圓形中空型鋼由平板彎折成一個圓圈和縫焊製作而來）。

自從將鍛鐵替換成鋼用於商業用途之前，術語「角鐵」，「槽鐵」和「薄鐵」一直很常用。在商業鍛鐵時代之後，它們就得以留存，在今天有時也能聽到關於角鋼，槽鋼和薄板這些非正式詞語，儘管有時它們是名詞誤用（與「錫箔紙」比較，有時仍以非正式的形式用於鋁箔）。在針對金屬加工環境的正式文書工作中，使用了諸如角鋼，槽鋼和板材之類的準確術語。

## 標準

### 標準結構鋼（歐洲）

整個歐洲使用的大多數鋼都符合歐洲標準EN 10025。但是，許多國家標準仍然有效。

鋼材典型的級別型號被定義為「S275J2」或「S355K2W」。在這些示例中，「S」表示結構鋼，而不是工程鋼；275或355表示屈服強度，以牛頓/平方毫米或等效的兆帕斯卡為單位; J2或K2以夏比衝擊試驗值為參考表示材料韌性；W表示耐候鋼。可以使用其他字母來表示細晶粒鋼（「N」或「NL」）；調質鋼（「Q」或「QL」）；以及熱機械軋制鋼（「M」或「ML」）。

- S275JOH規範是EN 10219規範，EN 10210標準的鋼種。最廣泛使用的規範是EN10219標準，它是非合金鋼和細晶粒鋼的冷彎焊接結構空心型材。EN10219-1規定了圓形，方形或矩形的冷成型焊接結構空心型材的技術交貨條件，並適用於未經後續熱處理而冷成型的結構空心型材。S275JOH管道公差，尺寸和s275管道截面特性的要求包含在EN 10219-2中。

- S275JOH鋼管的製造工藝鋼鐵生產過程應由鋼鐵生產商自行決定。S275JOH碳鋼管可以採用ERW，SAW或無縫工藝製成。所有S275JOH鋼材和S275JOH管道均應符合EN10219標準。

可用的正常屈服強度等級為195、235、275、355、420和460，儘管某些等級比其他等級更常用，例如在英國，幾乎所有結構鋼的等級均為S275和S355。淬火和回火材料的等級更高（500、550、620、690、890和960，儘管690以上的等級目前很少用於建築）。

一系列歐洲規範定義了一組標準結構輪廓的形狀：

- 歐洲工字梁：IPE- Euronorm 19-57
- 歐洲工字梁：IPN- DIN 1025-1
- 歐洲法蘭梁：HE- Euronorm 53-62
- 歐洲頻道：UPN-DIN 1026-1
- 歐洲冷成型IS IS 800-1

### 結構鋼（美國）

美國用於建築施工的鋼使用ASTM International標識和指定的標準合金。這些鋼的合金標識以A開頭，然後是兩個，三個或四個數字。通常用於機械工程，機器和車輛的AISI鋼號為四種，是完全不同的規格系列。

常用的標準結構鋼為：

#### 碳素鋼

- A36-結構形狀和板。
- A53-結構管道。
- A500-結構管道。
- A501-結構管道。
- A529-結構形狀和板材。
- A1085-結構管道。

#### 高強度低合金鋼

- A441-結構形狀和板材-（由A572取代）
- A572-結構形狀和板材。
- A618-結構管道。
- A992-可能的應用是W或S型電子束。
- A913-淬火和自回火（QST）W形。
- A270-結構形狀和板材。

#### 耐腐蝕高強度低合金鋼

- A243-結構形狀和板材。
- A588-結構形狀和板材。

#### 調質合金鋼

- A514-結構形狀和板材。
- A517-鍋爐和壓力容器。
- Eglin steel-廉價的航空航天和武器裝備。

#### 鍛鋼

- A668-鋼鍛件

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### CE標誌

《建築產品指令》（CPD）引入了所有建築產品和鋼材的CE標誌概念。CPD是一項歐洲指令，可確保歐盟內所有建築產品的自由流通。

由於鋼部件是「安全關鍵」的部件，因此除非經過歐盟委員會批准的適當認證機構對用於生產鋼部件的工廠生產控制（FPC）系統進行評估，否則不允許使用CE標誌。

對於鋼製品，例如型鋼，螺栓和鋼結構，CE標記表明該產品符合相關的協調標準。

對於鋼結構，主要的協調標準是：

- 鋼型材和鋼板-EN 10025-1
- 中空部分-EN 10219-1和EN 10210-1
- 預緊螺栓-EN 14399-1
- 不可預緊螺栓-EN 15048-1
- 鋼結構-EN 1090 -1

涵蓋CE標記的標準是EN 1090 -1。該標準於2010年底生效。經過兩年的過渡期，CE標記將在2012年初的某個時候在大多數歐洲國家強制執行。過渡期的正式結束日期是2014年7月1日。

## 鋼與混凝土

### 選擇理想的結構材料

大多數建築項目需要使用數百種不同的材料。這些範圍包括所有不同規格的混凝土，不同規格的結構鋼，粘土，砂漿，陶瓷，木材等。就承重結構框架而言，它們通常由結構鋼，混凝土，磚石和/或木材組成，並使用每種材料的適當組合來產生有效的結構。大多數商業和工業建築結構主要使用結構鋼或鋼筋混凝土建造。設計結構時，工程師必須確定最適合設計的材料，如果都不是最適合的則同時使用兩種材料。選擇建築材料時要考慮許多因素。成本通常是控制全局的因素；但是，在做出最終決定之前，還會考慮其他因素，例如重量，強度，可施工性，可用性，可持續性和耐火性。

- 成本-這些建築材料的成本將完全取決於項目的地理位置和材料的可用性。正如汽油價格波動一樣，水泥，骨料，鋼鐵等的價格也會波動。鋼筋混凝土的建築成本約占所需模板的一半。這是指建造箱型或容器所需的木材，在其中澆注並保持混凝土直至其固化。由於減少了成本和時間，因此模板的費用使預製混凝土成為設計師的普遍選擇。按重量出售鋼材時，結構設計師必須指定儘可能最輕的構件，同時要保持安全的結構設計。使用許多相同的鋼構件而不是許多獨特的鋼構件也可以降低成本。
- 強度/重量比-建築材料通常按強度與重量比（或比強度）進行分類，比強度是材料的強度除以密度。這些比率表明材料對其重量的有用性，進而表明其成本和易於施工的程度。混凝土的抗壓強度通常比抗拉強度高十倍，從而使抗壓強度與重量比更高。
- 可持續發展-許多建築公司和材料供應商越來越注重環保。對於世代相傳的材料而言，可持續性已成為一個全新的考慮因素。可持續材料在安裝時和在整個生命周期中對環境的影響最小。如果使用得當，鋼筋混凝土和結構鋼是可以可持續的。超過80％的結構鋼構件由稱為A992鋼的再生金屬製成。這種構件材料比以前使用的鋼構件（A36級）更便宜並且具有更高的強度重量比。混凝土材料由對環境無害的天然材料構成，現在可以將混凝土澆築成可滲透的，使水流過鋪面，以減少排水或徑流基礎設施的需求。還可以將混凝土壓碎並用作骨料，以免將來被填埋。
- 防火-建築物最危險的危險之一就是火災。在乾燥多風的氣候以及使用木材建造的結構中尤其如此。對於結構鋼，必須特別考慮這點以確保其不會處於危險的火災隱患狀態。鋼筋混凝土在發生火災時通常不會構成威脅，甚至可以抵抗火災的蔓延以及溫度變化。這使混凝土具有出色的隔熱性能，通過減少維持氣候所需的能量來提高其周圍建築物的可持續性。
- 腐蝕-某些結構材料易受諸如水，熱，濕氣或鹽等周圍元素的腐蝕。在安裝結構材料時，必須採取特殊的預防措施以防止這種情況發生，並且建築物的居住者必須了解任何附帶的維護要求。例如，結構鋼不能暴露在環境中，因為任何濕氣或與水的任何接觸都將導致其生鏽，從而損害建築物的結構完整性並危及居住者及其鄰居。

### 鋼筋混凝土

- 特性-通常由矽酸鹽水泥，水，建築骨料（粗和細）和鋼鐵強化筋（鋼筋）組成，混凝土與結構鋼相比更便宜。
- 強度-混凝土是一種具有相對較高的抗壓強度特性的複合材料，但缺乏抗拉強度/延展性。這固有地使混凝土成為承載結構重量的有用材料。用鋼筋加固的混凝土使結構具有更強的抗拉能力，並強化了延展性和彈性。
- 可施工性-施工時必須澆注鋼筋混凝土並使其凝固或硬化。凝結後（通常1-2天），混凝土必須固化，在此過程中，混凝土會在水泥質顆粒與水之間發生化學反應。28天後固化過程完成；但是，根據結構的性質，施工可能會在1-2周後繼續進行。混凝土可以被構造成幾乎任何形狀和尺寸。在結構項目中使用鋼筋混凝土大約一半的成本歸因於模板的建造。為了節省時間並因此節省成本，可以預製混凝土結構構件。這是指從現場倒出並固化的鋼筋混凝土梁，大梁或柱子。在固化過程之後，可以將混凝土構件運送到施工現場並在需要時立即安裝。由於混凝土構件是事先在某個位置固化的，因此安裝後可立即繼續施工。
- 耐火性-混凝土具有出色的耐火性，無需遵循國際建築規範（IBC）防火標準列出的額外建築成本規定。但是，混凝土建築仍可能會使用其他不耐火的材料。因此，設計人員仍必須考慮混凝土的使用以及需要使用火災危險材料的地方，以防止將來在整體設計中遇到麻煩。
- 腐蝕-建造適當的鋼筋混凝土結構，具有出色的抗腐蝕性能。混凝土不僅耐水，而且還需要用水來固化，其強度會隨著時間推移不斷發展。但是，混凝土中的鋼筋不能被暴露出來，以防止其腐蝕，因為這可能會大大降低結構的極限強度。美國混凝土協會為工程師提供了必要的設計規格，以確保任何鋼筋都有足夠的混凝土覆蓋以防止暴露在水環境中。設計時必須指定該覆蓋距離，因為在承受張力的位置，或為了承受該張力而包含鋼筋的位置，混凝土將不可避免地破裂。如果混凝土破裂，其裂縫將提供一條路徑讓水直接流向鋼筋。一些鋼筋塗有環氧樹脂，作為防止因水接觸而腐蝕的第二措施。但是，由於環氧塗層的鋼筋成本較高，因此該方法在整個項目中導致較高的成本。另外，當使用環氧塗層的鋼筋時，鋼筋混凝土構件必須設計得更大，更堅固，以平衡鋼筋和混凝土之間的摩擦損失。這種摩擦稱為粘結強度，它對混凝土構件的結構完整性至關重要。

### 結構鋼

- 特性-結構鋼與混凝土的區別在於其抗壓強度和抗拉強度。
- 強度-結構鋼具有高強度，剛度，韌性和延展性，是商業和工業建築中最常用的材料之一。
- 可施工性-結構鋼幾乎可以製成任何形狀，這些形狀在建築中都可以通過螺栓連接或焊接在一起。現場交付材料後可以立即豎立結構鋼，而混凝土必須在澆筑後至少固化1-2周才能繼續施工，這使鋼材成為易於使用的建築材料。
- 耐火性-鋼本質上是不可燃的材料。但是，當加熱到發生火災時的溫度時，材料的強度和剛度會大大降低。《國際建築規範》要求將鋼材用足夠的耐火材料包裹，從而增加了鋼結構建築的總體成本。
- 腐蝕-鋼與水接觸時會腐蝕，形成潛在的危險結構。在結構鋼結構中必須採取措施以防止任何永久腐蝕。我們可以對鋼進行噴漆，以提供耐水性。同樣，用於包鋼的耐火材料通常是防水的。
- 黴菌-鋼提供的黴菌生長表面環境比木材要差。

當今最高的結構（通常稱為「摩天大樓」或高層建築）由於其可施工性以及高強度重量比而使用結構鋼建造。相比之下，混凝土雖然密度不如鋼，但強度/重量比卻低得多。這是由於結構混凝土構件承受相同的載荷所需的體積要更大；鋼材雖然密度更高，但並不需要那麼多的材料來承載載荷。但是，對於低層建築物或幾層以下的建築物，此優勢變得微不足道。低層建築的負荷要比高層結構小得多，這使混凝土成為一個經濟的選擇。對於簡單的結構（例如停車場）或任何具有簡單直線形狀的建築物，尤其如此。

結構鋼和鋼筋混凝土並非總是作為建築材料單獨選擇的，因為它們是結構的最理想材料。公司和設計師一樣，都依賴於為任何建設項目獲利的能力。原材料（鋼，水泥，粗骨料，細骨料，模板用木材等）的價格不斷變化。如果可以使用任何一種材料來構造結構，則這兩種材料中最便宜的一種可能會得到青睞。另一個重要變量是項目的地理位置。最近的鋼鐵製造廠可能比最近的混凝土供應商離施工現場更遠。能源和運輸的高成本也將控制材料的選擇。在開始建設項目的概念設計之前，所有這些成本都將被考慮在內。

### 鋼筋和鋼筋混凝土的結合

兩種材料組成的結構都利用了結構鋼和鋼筋混凝土的優點。在鋼筋混凝土中，這已經是很普遍的做法，因為鋼筋用於為結構混凝土構件提供鋼的抗拉強度。一個常見的例子是停車場。一些停車場是使用鋼結構柱和鋼筋混凝土板建造的。混凝土將被澆築作為基礎，為停車場的地面提供了基礎。鋼柱將通過螺栓連接和/或焊接到從澆築的混凝土樓板表面伸出的鋼釘上，從而連接到鋼板。預製混凝土梁可以在現場交付以安裝到第二層，然後可以將混凝土樓板澆築到人行道區域。可以針對多個情況執行此操作。這種類型的停車場只是許多可能同時使用鋼筋混凝土和結構鋼的結構一個可能的例子。

結構工程師了解，有無數的設計可以建造出高效，安全和可承擔的建築。與業主，承包商和所有其他有關部門共同努力，生產出適合每個人需求的理想產品，這是工程師應該做的。在為結構選擇結構材料時，工程師要考慮許多變量，例如成本，強度/重量比，材料的可持續性，可施工性等。

## 熱性能

鋼的性能因為要取決於合金元素，從而相差很大。

鋼的奧氏體化溫度（鋼轉變為奧氏體晶體結構的溫度）始於900°C用於純鐵，然後隨著更多的碳被添加進來，溫度降至最低溫724°C用於低共熔鋼（碳含量僅為0.83％的鋼）。由於2.1％的碳（由質量）接近時，這個奧氏體化溫度重新爬升回來，達到1130°C。類似地，鋼的熔點根據合金而變化。

普通碳鋼開始融化的最低融點是1130°C。低於此溫度時鋼永遠不會變成液體。純鐵（碳含量為0％的「鋼」）在1492°C熔化，並且在達到1539°C完全呈液體。碳含量為2.1％的鋼在1130°C開始熔化，並在達到1315°C完全熔化。碳含量超過2.1％的「鋼」不再是鋼，而是被稱為鑄鐵。

## 防火性能

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充分加熱會使鋼失去強度。鋼構件達到其臨界溫度時就不能安全支撐其載荷了。建築規範和結構工程實踐標準根據結構元件的類型，配置，方向和載荷特性定義了不同的臨界溫度。臨界溫度通常被認為是其屈服應力已降至室溫屈服應力60％的溫度。為了確定鋼構件的耐火等級，可以使用公認的計算方法，或可以進行阻燃測試，其臨界溫度是由具有管轄權的機構所接受的標準來設置的，例如建築規範。在日本，這個數值低於400攝氏度。在中國，歐洲和北美（例如ASTM E-119），大約是1000-1300 °F（530-810 °C）。要測試的鋼元件達到測試標準設定的溫度所需的時間決定了耐火等級的持續時間。使用防火材料可以減慢鋼的熱傳遞，從而限制鋼的溫度。結構鋼的常見防火方法包括覆蓋膨脹型，吸熱和灰泥型塗料以及設置干牆，矽酸鈣覆層和布置礦棉隔熱毯。

混凝土建築結構通常是滿足規範要求的耐火等級的，因為鋼筋上的混凝土厚度可提供足夠的耐火性。但是，混凝土可能會容易剝落，尤其是含水量較高時。儘管附加的防火措施並不經常應用於混凝土建築結構，但有時會在交通隧道和更有可能發生烴類燃料著火的地方使用，因為與普通可燃物在同樣的火災周期內發生的火災相比，易燃液體火災為結構元件提供了更多的熱量。鋼結構防火材料包括膨脹型，吸熱型和灰泥型塗料以及干牆，矽酸鈣覆層以及礦物或高溫隔熱羊毛毯。施工時也要多注意連接，因為結構元件的熱膨脹會損害耐火組件。

## 製造業

製造時通常用帶鋸將工件切成一定長度。

長期以來，束流鑽孔線（鑽孔線）一直被認為是在梁，通道和HSS元件上鑽孔和銑槽的必不可少的方法。CNC梁鑽生產線通常配備有進料傳送帶和位置傳感器，以將元件移動到鑽孔位置，此外還具有探測功能，可以確定要切割孔或槽的精確位置。

為了在規定尺寸的（非板材）元件上切割不規則的開口或不均勻的末端，通常使用割炬。含氧燃料割炬是最常見的技術，從簡單的手持割炬到自動CNC應對機器，均可根據編程至機器中的切削指令使割炬頭圍繞結構元件移動。

平板的製造是在鋼板加工中心進行的，鋼板被平放在固定的「工作檯」上，不同的切割頭從龍門式臂或「橋」橫穿鋼板。切割頭可以包括沖頭，鑽頭或火炬。