Tin tức - Kết cấu thép: Hệ thống kết cấu chủ chốt trong kỹ thuật hiện đại

Trong kiến trúc đương đại, giao thông vận tải, công nghiệp và kỹ thuật năng lượng,kết cấu thépVới những ưu điểm kép về cả vật liệu và kết cấu, kết cấu thép đã trở thành động lực cốt lõi thúc đẩy sự đổi mới trong công nghệ kỹ thuật. Sử dụng thép làm vật liệu chịu lực cốt lõi, kết cấu thép vượt qua những hạn chế của kết cấu truyền thống thông qua sản xuất công nghiệp hóa và lắp đặt mô-đun, mang đến giải pháp hiệu quả cho nhiều dự án phức tạp.

Ưu điểm và nhược điểm của kết cấu thép - THÉP HOÀNG GIA TRUNG QUỐC

Định nghĩa và bản chất của kết cấu thép
Kết cấu thép là hệ thống kết cấu chịu lực bao gồmtấm thép, phần thép (dầm chữ H, Kênh U, thép góc, v.v.) và ống thép, được cố định bằng hàn, bu lông cường độ cao hoặc đinh tán. Bản chất của nó là tận dụng độ bền và độ dẻo dai cao của thép để truyền đều tải trọng thẳng đứng (trọng lượng chết và trọng lượng thiết bị) và tải trọng ngang (gió và động đất) từ tòa nhà hoặc dự án xuống móng, đảm bảo tính ổn định của kết cấu. So với kết cấu bê tông, lợi thế cốt lõi của kết cấu thép nằm ở các đặc tính cơ học của chúng: cường độ kéo của chúng có thể đạt tới hơn 345 MPa, gấp hơn 10 lần so với bê tông thông thường; và tính dẻo tuyệt vời của chúng cho phép chúng biến dạng dưới tải mà không bị vỡ, mang lại sự đảm bảo kép về an toàn kết cấu. Đặc điểm này khiến chúng trở nên không thể thay thế trong các trường hợp nhịp lớn, nhà cao tầng và tải trọng nặng.

Các loại kết cấu thép chính

(I) Phân loại theo hình thức cấu trúc
Kết cấu khung cổng: Kết cấu này, bao gồm các cột và dầm, tạo thành một khung hình "cổng", kết hợp với hệ thống hỗ trợ. Nó phù hợp cho các nhà máy công nghiệp, kho vận hậu cần, siêu thị và các công trình khác. Chiều dài thông thường từ 15 đến 30 mét, một số vượt quá 40 mét. Các thành phần có thể được chế tạo sẵn tại nhà máy, cho phép lắp đặt tại chỗ chỉ trong 15 đến 30 ngày. Ví dụ, các kho vận hậu cần số 1 châu Á của JD.com chủ yếu sử dụng loại kết cấu này.
Kết cấu giàn: Kết cấu này bao gồm các thanh thẳng được nối với nhau bằng các nút để tạo thành hình tam giác hoặc hình thang. Các thanh chỉ chịu lực dọc, tận dụng tối đa sức bền của thép. Kết cấu giàn thường được sử dụng trong mái sân vận động và nhịp chính cầu. Ví dụ, việc cải tạo Sân vận động Công nhân Bắc Kinh đã sử dụng kết cấu giàn để đạt được nhịp không cột dài 120 mét.
Cấu trúc khung: Hệ thống không gian được hình thành từ các dầm và cột kết nối chặt chẽ với nhau, mang lại mặt bằng linh hoạt và là lựa chọn chủ đạo cho các tòa nhà văn phòng và khách sạn cao tầng.
Cấu trúc lưới: Lưới không gian bao gồm nhiều thành phần, thường có các nút tam giác và vuông đều, mang lại tính toàn vẹn cao và khả năng chống động đất tuyệt vời. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các nhà ga sân bay và trung tâm hội nghị.

(II) Phân loại theo đặc tính tải trọng
Cấu kiện chịu uốn: Được biểu diễn bằng dầm, các cấu kiện này chịu được mô men uốn, với lực nén ở phía trên và lực kéo ở phía dưới. Chúng thường sử dụng tiết diện chữ H hoặc tiết diện hộp hàn, chẳng hạn như dầm cầu trục trong các nhà máy công nghiệp, và phải đáp ứng cả yêu cầu về độ bền và khả năng chịu mỏi.
Cấu kiện chịu tải dọc trục: Các cấu kiện này chỉ chịu lực kéo/nén dọc trục, chẳng hạn như thanh giằng giàn và cấu kiện lưới. Thanh giằng được thiết kế để chịu lực, trong khi thanh nén yêu cầu độ ổn định. Ống tròn hoặc tiết diện thép góc thường được sử dụng. Cấu kiện chịu tải lệch tâm: Chúng chịu cả lực dọc trục và mô men uốn, chẳng hạn như cột khung. Do độ lệch tâm của tải trọng ở đầu dầm, cần có tiết diện đối xứng (như cột hộp) để cân bằng lực và biến dạng.

Ưu điểm cốt lõi của kết cấu thép
(I) Tính chất cơ học tuyệt vời
Cường độ cao và trọng lượng nhẹ là những ưu điểm nổi bật nhất của kết cấu thép. Với cùng một nhịp, trọng lượng riêng của dầm thép chỉ bằng 1/3-1/5 trọng lượng riêng của dầm bê tông. Ví dụ, một giàn thép nhịp 30 mét nặng khoảng 50 kg/m, trong khi dầm bê tông nặng hơn 200 kg/m. Điều này không chỉ giúp giảm chi phí móng (20%-30%) mà còn giảm thiểu tác động động đất, cải thiện độ an toàn chịu động đất của kết cấu.
(II) Hiệu quả xây dựng cao
Hơn 90% cấu kiện kết cấu thép được đúc sẵn tại nhà máy với độ chính xác đến từng milimet. Việc lắp đặt tại công trường chỉ cần cẩu và kết nối. Ví dụ, một tòa nhà văn phòng thép 10 tầng chỉ mất 6-8 tháng từ khi sản xuất cấu kiện đến khi hoàn thành, giảm 40% thời gian thi công so với kết cấu bê tông. Ví dụ, một dự án nhà ở bằng thép đúc sẵn tại Thâm Quyến đã đạt tốc độ xây dựng "một tầng trong bảy ngày", giúp giảm đáng kể chi phí nhân công tại công trường.
(III) Khả năng chống động đất và độ bền cao
Độ bền của thép cho phép các kết cấu thép phân tán năng lượng thông qua biến dạng trong động đất. Ví dụ, trong trận động đất Vấn Xuyên năm 2008, một nhà máy kết cấu thép ở Thành Đô chỉ bị biến dạng nhẹ và không có nguy cơ sụp đổ. Hơn nữa, sau khi được xử lý chống ăn mòn (mạ kẽm và phủ), thép có thể có tuổi thọ lên đến 50-100 năm, với chi phí bảo trì thấp hơn nhiều so với kết cấu bê tông.
(IV) Bảo vệ môi trường và phát triển bền vững
Tỷ lệ tái chế thép vượt quá 90%, cho phép luyện lại và xử lý sau khi phá dỡ, giúp loại bỏ ô nhiễm chất thải xây dựng. Hơn nữa, kết cấu thép không cần ván khuôn hay bảo trì, chỉ cần thi công ướt tại chỗ tối thiểu và giảm phát thải bụi hơn 60% so với kết cấu bê tông, phù hợp với các nguyên tắc xây dựng xanh. Ví dụ, sau khi tháo dỡ địa điểm Ice Cube cho Thế vận hội Mùa đông Bắc Kinh 2022, một số cấu kiện đã được tái sử dụng cho các dự án khác, đạt được mục tiêu tái chế tài nguyên.

Ứng dụng rộng rãi của kết cấu thép
(I) Xây dựng
Các công trình công cộng: Sân vận động, sân bay, trung tâm hội nghị và triển lãm, v.v., đều sử dụng kết cấu thép để đạt được nhịp lớn và thiết kế rộng rãi.
Tòa nhà dân dụng: Nhà ở kết cấu thép đúc sẵn ngày càng phổ biến và có thể đáp ứng các yêu cầu về nhà ở riêng lẻ.
Tòa nhà thương mại: Tòa nhà văn phòng và trung tâm mua sắm siêu cao tầng, sử dụng kết cấu thép để đạt được thiết kế phức tạp và xây dựng hiệu quả.
(II) Vận chuyển
Kỹ thuật cầu: Cầu vượt biển và cầu đường sắt. Cầu thép có nhịp lớn, khả năng chống gió mạnh và động đất.
Vận chuyển đường sắt: Mái che ga tàu điện ngầm và dầm đường ray xe lửa nhẹ.
(III) Công nghiệp
Nhà máy công nghiệp: Nhà máy máy móc hạng nặng và nhà máy luyện kim. Kết cấu thép có thể chịu được tải trọng của thiết bị lớn và tạo điều kiện thuận lợi cho việc cải tạo thiết bị sau này.
Cơ sở kho bãi: Kho lạnh và trung tâm hậu cần. Kết cấu khung cổng đáp ứng nhu cầu lưu trữ diện tích lớn, nhanh chóng thi công và đưa vào sử dụng.
(IV) Năng lượng
Cơ sở điện: Tòa nhà chính của nhà máy nhiệt điện và tháp truyền tải. Kết cấu thép phù hợp với tải trọng cao và môi trường ngoài trời khắc nghiệt. Năng lượng mới: Tháp tuabin gió và hệ thống lắp đặt pin quang điện sử dụng kết cấu thép nhẹ, dễ vận chuyển và lắp đặt, hỗ trợ phát triển năng lượng sạch.