钢结构体系分类及核心特点：钢框架与钢桁架结构详解

钢结构体系的主要承重构件是钢材。这种建筑结构形式具有高强度、轻质以及施工快等优势。所以它在建筑、桥梁、厂房等领域得到了广泛的应用。其常见分类以及核心特点如下：

一、常见钢结构体系分类

1. 钢框架结构

特点：

钢梁和钢柱通过焊接或螺栓连接成空间框架，这种结构能够有效承担竖向的建筑恒载和活载，同时也能承担水平方向的风荷载和地震荷载，从而全方位保障结构的安全。

节点的刚性较高，能够紧密地约束梁和柱的相对位移，从而大幅度提升了整体的稳定性。空间的布局较为灵活，能够按照需求来调整梁柱的布置，以此满足各种多样的设计需求。

典型应用：上海中心大厦、深圳平安金融中心。

2. 钢桁架结构

特点：

杆件通过铰接或刚接构成三角形单元，这些三角形单元组合起来形成大跨度空间结构。它主要承受轴向力，能够高效地发挥材料的性能，只需较小的截面就能承载较大的荷载。

在大空间场景下：既可以减轻基础的负荷和成本，又便于进行运输和安装，经济性较为突出。

典型应用：国家体育场（鸟巢）、北京大兴国际机场。

3. 网架与网壳结构

特点：

网架结构：它是由钢管或者型钢杆件按照网格的形式组成的平板状空间结构，在受力方面是双向均匀的。对于大跨度的屋顶构建来说，它的优势非常明显，能够实现大面积且没有柱子的空间，这种结构适用于体育馆、展览馆等对空间有较高要求的建筑。

网壳结构属于曲面网格结构，它既有良好的刚度，又有造型美感。这种结构经常被应用在穹顶建筑中，例如天文馆、大型剧院等。它能够将建筑的功能性和艺术性融合在一起，营造出独特的空间氛围。

典型应用：水立方游泳馆（网架）、国家大剧院（网壳）。

4. 门式刚架结构

特点：

变截面钢柱与钢梁刚接组成，有单跨形式，有单跨形式的构件与连接方式简单；变截面钢柱与钢梁刚接组成，有多跨形式，有多跨形式的构件与连接方式简单。

施工优势：工厂预制构件，现场安装便捷，施工周期短、成本低。

适用于物流中心等低层大空间建筑，能提供开阔空间，契合建设需求。

5. 悬索与张拉结构

特点：

受力原理：高强度钢索和拉杆能够承受拉力，它们与支撑结构协同工作，从而实现大跨度覆盖，力会经由钢索和拉杆传递到支撑结构上。

造型方面轻盈，跨度能力较为突出，例如大跨度的桥梁。然而，节点所承受的集中力较大，在设计、构造以及工艺等方面的要求都很高。

典型应用：悬索桥（如明石海峡大桥）、膜结构体育场。

6. 组合结构

特点：

材料协同方面，将钢材的轻质高强特性与混凝土的抗压性能相融合，例如钢管混凝土柱、钢 - 混凝土组合梁等。钢管能够对混凝土起到约束作用，从而增强混凝土的抗压能力和延性；而混凝土则可以防止钢管出现局部屈曲的情况，进而提升构件的承载能力。

钢材具有延性，能够吸收地震能量。混凝土可以增强整体性与刚度。因此，这种材料的抗震性能良好，既适用于超高层建筑，也适用于桥梁。在灾害发生时，它能够保障结构的安全。

典型应用：台北101大厦（钢管混凝土核心筒）。

二、钢结构的核心特点

优点：

强度超越混凝土，能够减小构件的截面，降低自身的重量，减轻软土或者高层地基所承受的负荷，进而提升结构的性能。

施工效率高：采用工厂预制的方式，在现场进行拼装，机械化程度较为高。这样一来，工期能够缩短 30%到 50%，还能减少天气对施工的影响，从而加快了项目的进程。

钢材延性良好，在地震发生时能够凭借塑性变形来消耗能量。这种特性使得钢材适合用于高烈度抗震区，从而能够保障建筑的安全。

施工废弃物较少，钢材的回收率超过 90%，这符合绿色建筑的理念，也推动了可持续发展。

空间具有灵活性。它有大跨度，且不受承重墙的限制，这样便于划分功能空间，也能提高空间的利用率。

缺点：

耐火性能不佳：在 550℃左右时强度会急剧下降，这时就需要喷涂防火涂料或者包覆防火材料，这会增加成本以及施工的难度。

在潮湿或腐蚀性环境中容易发生腐蚀现象，需要定期涂抹防腐涂层或者使用耐候钢，这样会增加维护的成本。

细长构件受压时容易发生局部屈曲，因为对稳定性要求高，所以需要设置加劲肋或支撑体系，这就增加了设计与施工的难度。

初期成本较高。因为钢材价格波动较大，所以初期投资要比混凝土结构高。然而，综合考虑工期与寿命周期成本的话，或许会更有优势。

三、应用场景

超高层建筑，例如上海环球金融中心，采用核心筒 + 外钢框架的组合结构。核心筒承担着主要的荷载以及抗侧力的作用，而外框架则增强了建筑物的稳定性，以此来满足超高层建筑对于安全和空间的需求。

大跨度公共建筑，例如国家会展中心这类体育场馆和展览中心，钢结构凭借其大跨度的能力，能够打造出开阔且无柱的空间，从而满足活动以及设计的要求。

工业建筑方面，厂房借助钢结构的大空间来布置设备；石化装置利用经防腐处理过的钢结构，以适应复杂的工况；港口起重机依靠钢结构的高强度，保障吊运的安全，并且在工业建筑中应用广泛。

以港珠澳大桥为例，桥梁工程中，斜拉桥和悬索桥等大型桥梁采用钢结构。这种钢结构具有高强轻质的特性，能够跨越海域。它可以承受荷载与自然作用，并且还能减少基础规模。

临时建筑包括装配式活动房和应急设施用模块化钢结构。这种建筑能够快速搭建起来，同时也便于拆卸、运输以及重复使用，从而可以满足临时的需求。

四、发展趋势

智能化建造方面，BIM 能够进行优化设计，它可以模拟施工过程并发现其中的缺陷；机器人焊接能够提升精度，从而保障构件的质量，推动了钢结构高效且精准的建造。

高性能材料方面：高强度钢，像 Q690 这种，能够减小构件的尺寸，还能减轻自重；耐候钢具有抗腐蚀的特性，可降低维护成本；耐火钢在高温情况下能保持性能，减少防火措施，从而满足多样的需求。

模块化建筑采用工厂预制钢结构单元，然后在现场进行组装。这样做能够缩短工期，同时减少污染，契合绿色理念。并且方便后期进行改造，还能提高资源的利用率。

钢 - 木结构具有强度，同时又美观环保，这种混合结构创新适用于旅游建筑；钢 - 复合材料能够优势互补，从而拓展在海洋、化工等特殊环境中的应用。

附：钢结构设计中常见钢构件符号及其含义汇总

HM 钢的含义、截面特征与用途。