钢的优缺点

钢是一种含碳铁合金，与普通铁相比，其强度和抗断裂性得到了提高。可以添加或加入许多其他元素。不锈钢通常需要额外添加11%的铬，以提高其耐腐蚀和耐氧化性。钢材因其高抗拉强度和低成本而被广泛用于建筑、基础设施、工具、船舶、火车、汽车、机器、家用电器、武器和巡航导弹。钢材的基础金属是铁。根据温度不同，它可以呈现晶体形态（同素异形体）：体心立方和面心立方。铁的同素异形体与合金元素（主要是碳）的相互作用，赋予了钢及其铸铁优异的性能。

钢的优点

• 可靠性

钢结构体系非常可靠。可靠性的原因包括其性能的一致性和均匀性、工厂化的质量控制、高弹性和柔韧性。如果实验室中对几种钢材进行屈服强度、最终强度和伸长率的测试，其变异性远小于混凝土和木材等其他材料。

此外，由于钢是均质且具有弹性的材料，它满足了大部分在分析和设计公式推导中涉及的假设，并且获得的结果是可靠的。这与混凝土结构不同，混凝土结构是异质材料，存在开裂和应力-应变关系非线性等问题。

• 工业化建造

钢材轧制型材在工厂生产。在现场只需将这些构件连接起来，通过安装铆钉或螺栓，以及焊接不同的部件。有时，构件的部件也在工厂组装；也就是说，存在一种独特的预制化。这样可以显著减少人为错误，提高生产速度，并降低总成本。此外，还可以减少人力，并为工厂装配安排人员。

• 施工时间短/安装速度快

由于钢结构施工的经济性，工程进展迅速，使得结构经济实惠。其原因是这些结构可以提前投入使用。人工成本和管理费用费用的降低以及结构提前使用的好处都有助于经济效益。

• 高强度和轻质特性

由于钢材的高强度，按单位重量计算，自重可以更小。需要指出的是，自重是结构总荷载中的很大一部分。当自重减小时，下部构件由于承受的重量较小而也更小。这一点对于长跨度桥梁、高层建筑以及基础条件较差的结构具有重要意义。

• 均匀性、耐久性和性能

钢材是一种均质且均匀的材料。因此，它满足了大多数分析和设计公式的基本假设。如果通过油漆等进行良好维护，钢材的性能不会随时间发生显著变化，而钢筋混凝土结构中的混凝土性能会随时间发生显著变化。因此，钢结构更耐用。

• 弹性 (Elasticity)

钢材比大多数其他材料更能满足设计假设，因为它在相当高的应力下仍遵循胡克定律。产生的应力与施加的应力成正比，应力-应变图呈直线。钢构件在最终荷载作用下不会开裂或撕裂，因此可以计算钢结构的惯性矩。而钢筋混凝土结构的惯性矩则是不确定的。

• 延性和失效前的预警

材料在承受高拉应力而不发生断裂的能力称为韧性。低碳钢是一种非常延展的材料。在断裂后，标准拉伸试样的伸长率可以高达25%至30%。这提供了可见的挠度，表明在过载情况下有即将失效的迹象。可以通过移除多余的载荷来防止结构坍塌。即使发生坍塌，也有时间让居住者撤离建筑物。在正常荷载作用下，结构构件的各个点会出现过度的应力集中。普通结构钢的延展性使其能够在这些点局部屈服，重新分布应力，并防止过早失效。

• 对现有结构的添加

对现有钢结构进行加建非常容易。新旧结构之间的连接可以很方便地实现。可以在现有的钢结构建筑中添加新的跨度甚至整个新的翼楼，也可以经常加宽钢桥。

• 可重复使用

结构拆除后，钢构件可以重复使用。

• 废料价值

钢材有废料价值，即使它不能以现有形式重复使用。

• 水密和气密结构

钢结构提供不渗透的结构，水库、油管、燃气管道等系统最好由结构钢制成。

• 长跨度结构

高层建筑、长跨度桥梁和高大的输电塔由结构钢制成。工业建筑的跨度可达90米，可以通过板梁或桁架设计。板梁桥的跨度可达260米。对于穿桁架桥，已使用300米的桥梁跨度。

• 临时建筑

对于临时结构，通常首选钢结构。战争期间的军用建筑通常由结构钢制成。可以通过拧下几个螺栓来拆卸结构，然后将部件运到新的地点，结构可以轻松地重新组装。

钢的缺点

• 高维护成本和更多腐蚀

大多数钢材暴露在空气和水中时容易生锈，需要定期涂漆。这需要更高的成本和特别的护理。在坚固的设计应用中使用耐候钢可以消除这种成本。如果不妥善维护，钢构件每年可能会损失1至1.5毫米的厚度。因此，这类结构在其使用寿命内可能会损失高达35%的重量，并在外部荷载下失效。

• 防火成本

虽然钢构件不易燃，但在火灾温度下其强度会显著降低。在约400ºC时，蠕变变得更加明显。蠕变定义为在恒定载荷下长时间发生的塑性变形。这会导致主要构件产生过大的挠曲/变形，迫使其他构件承受更大的应力或发生坍塌。钢是优良的热导体，可以将燃烧隔间中的热量传递到建筑物的其他部分，从而引发火灾。需要额外的成本来使建筑防火。

• 易发生屈曲

钢材在用作柱子时，有时并不经济，因为需要大量材料来加强柱子以抵抗屈曲。钢构件通常由薄板组合而成。此外，整个钢构件的尺寸小于钢筋混凝土构件。如果这些细长构件受到压缩，发生屈曲的可能性更大。屈曲是一种构件由于临界压缩载荷而发生突然的大弯曲而导致的失效。

• 初始成本较高/可用性较低

在一些国家，钢材的供应量有限，与替代结构材料相比，其初始成本要高得多。这是导致这些国家钢结构衰落的最重要因素。

• 美学

对于某些类型的建筑，钢结构在建筑上更受欢迎。然而，对于大多数住宅和办公建筑，如果不使用吊顶和包层，钢结构被认为具有糟糕的美学外观。为了改善其外观，需要在这些结构上花费大量成本。包层是指覆盖在结构构件表面上用于包裹其的金属、塑料或木材。包层不仅可以保护构件，还可以改善其外观。

结论

钢材是一种用途广泛的建筑材料，具有众多建筑应用。钢结构提供了极其灵活的细部处理方案，可以在创作过程中增强建筑设计。融合其他材料或建筑服务的混合结构开辟了新的设计可能性。与实心建筑构件和材料相比，钢结构可以分解成最精细的质量。膜状索结构和网格可以与大型梁一样有效。高水平预制提供的精确执行为设计师提供了广泛的设计选择。材料质量和性能的不断进步提供了光明的未来。

除了钢材无数的技术应用外，建筑仍然是其主要重点。密斯·凡·德·罗和让·普鲁维的建筑作品展示了结构意识和设计才能的高度结合。他们将这些结合在一种特定材料的造型语言中。这种知识和创造力的结合必须教授，因为它是钢结构的基础。