王国周的《中国钢结构五十年》
王国周的《中国钢结构五十年》
中国钢结构五十年
王国周
[提要]本文综合介绍新中国建国50年来钢结构的发展情况，包括房屋、桥梁、塔桅、管道、储罐、 压力容器以及水工等方面，并列举了重要的钢结构工程。特别介绍了改革开放以来，房屋钢结构以其 优越的结构性能和良好的综合经济效益，在国内迅速发展的情况。
一、房屋(建筑)钢结构
钢结构尤其是房屋钢结构的50年发展过程大体可分为三个阶段:
一是初盛时期(50年代至60年代初)，二是低潮时期(60年代中后期和70年代)，三是发展时期(80和90年 代)，分述如下。

(一)初盛时期(50年代至60年代初)
1949年新中国成立后，百废待兴，借助苏联经济和技术的支援，在50年代有156个建设项目新建 和扩建。其中冶金、重型机械、动力设备、汽车、飞机、造船等重型工业工厂的大部分厂房采用钢结 构，例如鞍山钢铁厂、武汉钢铁厂、包头钢铁厂、太原钢铁厂、富拉尔基和太原重型机械厂、哈尔滨 三大动力厂(锅炉厂、电机厂、汽轮机厂)、长春汽车制造厂、沈阳和哈尔滨的飞机制造厂、大连造船 厂、洛阳拖拉机厂等。当时的厂房钢结构主要是由钢柱和钢屋架组成的单层钢框架，阶形钢柱支承吊 车梁，采用的钢材主要是碳素结构钢(3号钢)。 当时各有关工业部门都成立了设计院。如北京、东北(在沈阳)、华东(在上海)、中南(在武汉)、 西南(在成都)、西北(在西安)等六个工业建筑设计院；北京、武汉、鞍山、重庆、包头、上海等地成 立钢铁(黑色冶金)设计院。各地也纷纷兴建钢结构制造厂，成立安装(建设)公司。先后建立的22个冶 金建设公司，其中大都有钢结构安装和制造队伍。 从无到有，短短几年时间建成了许多钢结构工业厂房，为我国重工业打下了基础。在取得了卓越 建设成就的同时，钢结构的设计、制造和安装水平也有很大的提高，成长了一批钢结构技术队伍，几 十年来一直是钢结构事业的骨干力量。 民用建筑方面的钢结构房屋虽然没有工业建筑那么多，但也有值得一提的几幢。1954年建成的北 京体育馆，采用跨度57m的两铰拱，是当时较大的体育馆。 1959年建成的北京人民大会堂万人礼堂采 用了7m高钢屋架屋盖，跨度60．9m，该礼堂的挑台结构采用悬挑15．5m和16．4m的工形钢梁，都是当 较大的结构。还有1954年建成的重庆人民大礼堂，屋盖为直径40．6m的肋环形弯顶。1956年建成的天 津体育馆采用圆柱面联方网壳，跨度52m，在支座水平面设数道拉杆(1973年遭火灾重建)。 这两幢网壳是国内兴建的首批空间结构。 在50年代中期，国内开始研究预应力钢结构，并首先在输料栈桥上应用，1958年建成的山西大同 煤矿输煤栈桥，跨度25m，是我国第一个预应力钢结构，相继又建了一些跨度不同的同类栈桥。

(二)低潮时期(60年代中后期和70年代)
我国冶金工业虽然有了较大发展，但各部门需要钢材量也越来越多。国家提出在建筑业节约钢材 政策，但在执行过程中也出现过误区，有人认为节约钢材就是不用钢结构，以至工程师们视钢结构为 畏途，不敢采用，限制了钢结构的合理使用与发展。 在60年代初期，建筑工程部北京工业建筑设计院曾主持编制一本钢结构设计规范，以代替当时使 用的苏联规范，审查通过，恰逢“设计革命”开始，报批稿没有敢上报，不久“文化大革命”开始， 这本尚未面世的“婴儿”就天亡了。这也反映了当时搞钢结构的技术人员思想上的压力。钢结构工程 少了，钢结构设计、制造和安装队伍也逐渐萎缩。但还是有几幢有意义的大型房屋和大跨桥梁等采用 了钢结构，并且应用了新的空间结构体系或者采用了新的钢材品种。 为了迎接世乒赛，1962年建成的容纳15000人的北京工人体育馆，屋盖采用直径94m的圆形双层辐 射式悬索结构，中央钢环直径16m，高11m，上下两层各有144束钢索， 目前仍是我国跨度最大的悬索 屋盖结构。1967年杭州建成的浙江人民体育馆为鞍形双曲抛物面正交索网悬索屋盖，平面为椭圆形， 长轴80m，短轴60m。为了准备另一次世界性体育比赛，1967年建成的北京首都体育馆，平面尺寸99mx 112．2m，屋盖采用两向正交斜放平板网架结构，高6m，角钢杆件，高强度螺栓连接节点。1973年建成 的上海体育馆屋盖为圆形三向平板网架，直径110m，周边外挑7．5m，高6m，圆管杆件，空心球焊接节 点。这几幢大型体育馆的建成表明中国在跨度100m的空间结构的设计、 制造和安装等方面已经有能力 自己完成。 1979年援建巴基斯坦伊斯兰堡万人体育馆，采用四柱支承的平板网架(93．6m×93．6m)，地面整体 拼装，用8台千斤顶顶升到位，有其特色。 1964年建成的上海师范学院球类房是我国第一个正放四角锥平板网架屋盖(31．5mx40．5m)，此后 这类结构发展较快，至70年代末，大小共建30多幢。这段时间网壳结构较少， 1967年建成的郑州体育 馆采用直径64m的肋环形弯顶。 **德阳第二重型机械厂是60年代兴建的有代表性的重型工业厂房。
在这一阶段为了改变肥梁胖柱、深基重盖的笨重结构体系，在国务院和有关部委推动下，开发冷弯 薄壁型钢结构。1965年在上海建了5万m2的冷弯薄壁型钢试点工程，以后在韶关、桂林和十堰市第二汽 车制造厂建造了数十万m2厂房。70年代中后期北京汽车制造厂还用冷弯薄壁型钢兴建了一幢自动化高架 仓库(净高15m，13层)。冶金工业部同时也建了几个冷弯薄壁型钢厂。1978年武汉钢铁厂引进修建1米7 薄板轧钢厂。由于多种原因，这种轻钢结构当时未得到持续发展。 这段时间，有志于钢结构的工程技术人员还花费了不少时间和精力研究开发圆钢和小角钢组成的适 用于跨度较小的轻钢屋盖，这两种钢材容易取得，当时应用范围相当广，但由于不少工程是非专业人员 设计、制造和安装的，有的钢材质量差，有的焊接质量差，也出现了一些事故。

(三)发展时期(80和90年代)
80年代初期，以经济建设为中心的改革开放政策走人轨道，尤其是90年代推行有中国特色的社会主 义市场经济，经过10几年的发展，建筑钢结构呈现出50年来未曾有过的兴旺景象。1997年中国钢产量达 1亿t，1998年投产的轧制H型钢系列，给钢结构创造了良好的物质基础。 钢结构依其自重轻、基础造价低、适用于软弱地基、安装容易、施工快、周期短、投资回收快、施 工污染环境少、抗震性能好等综合优势而受到主管部门的重视，促进了建筑钢结构的发展。
1．单层厂房框架结构
上海宝山钢铁厂是改革开放以来第一个新建的、大量引进国外先进技术的大型钢铁企业。由于宝钢 工程地基软弱，施工速度要求快，该厂大型厂房和一些特种构筑物都采用钢结构。1，2期工程钢结构建 筑面积就有105万m2。当时厂房结构基本上仍属单层框架或排架体系，但高度大，有的车间柱高50m，面 积大，有的厂房面积达22．4万m2，无缝钢管厂跨度和柱距最大48m，最多的连跨为8跨(无缝钢管和连铸 厂)，最大延长为1215．6m(热轧厂)；吊车起重量大，最大450L(连铸厂)；而厂房围护结构则很轻， 全 部采用彩色涂层压型钢板或铝合金压型板，自重8-15k8／m2。
一期工程钢结构主要由 设计制造，二期工程则主要由国内设计施工。三期工程厂房面积 100多 万m2，厂房钢结构约27．8万t。钢结构设计尽量选用宝钢或宝钢集团生产的钢材—板、管、冷弯型钢等 ，实现轻型化。部分框架横梁由实腹梁代替屋架，吊车起重量轻的采用门式刚架和冷弯薄壁型钢结构， 部分厂房采用平板网架结构和钢管混凝土柱。
80年代初西北电力设计院与美国一家公司合作设计的山东石横火力发电厂(2×300MW)是首例引进先 进技术的大型电厂，主厂房采用钢结构。其中锅炉问屋架底标高64．45m，煤仓间标高60．37m。汽轮发 电机房、除氧间和煤仓间构成联合结构体系，结构全部采用铰接，纵向和横向设有垂直和水平支撑，各 楼层也设水平支撑，形成空间支撑体系。并将水平力按弹性支承点传到锅炉钢架。 钢屋架采用由H型钢 剖分的T型钢代替双角钢。此后几年中， 国内独立完成了几个主厂房为钢结构的大型火力发电厂的设计
和建造，在1994年至1996年间，该院与美国另一家公司合作完成利港、扬州、丹东和大连电厂的设计和 施工，先进的设计思想和方法使工程设计水平有所发展。
华能南通电厂一期工程，厂房结构由意大利一家公司负责，纵横向都不设一般支撑，横向采用刚架， 构成自抗侧力体系，纵向则将厂房长度1／3处的4根柱子在纵向加强成T形，柱间设纵梁，形成框架以抵 抗纵向水平力。二期工程厂房结构由美国一家公司负责，采用的结构方案为横向和纵向以及楼层均设支 撑，柱脚与基础刚接，计算按空间杆系分析。从以上几例可见国外设计比较灵活多样。
2．空间结构
(1)平板网架最引人瞩目的空间结构仍是六七十年代就已崭露头角并得到持续发展和广泛应用的平 板网架，从1964年至1997年国内已有大约8000幢大大小小的建筑采用这类结构，广泛用于大型体育馆建 筑、展览中心、影剧院、商场、航站楼、候车厅、工厂、仓库、电视塔，甚至食堂、门廊等，总覆盖面 积约900万m2，年增长约80万m2。网架在工业厂房中的应用在70年代末就开始研究，80年代初在唐山(丰 润)机车车辆厂的总装车间(约5万m2)和唐山齿轮联合厂房(1．65万m2)等开始采用，但大量应用还是在8 0年代后期和90年代规模之大为国际上少见。网架结构，改变了常规屋盖体系，柱网加大 ，有利于工艺 灵活布置，一个车间的面积往往达几万m2，例如1992年建成的天津无缝钢管厂加工车间约6万m2(3x36mx 564m)，1991年建成的长春一汽一大众轿车装配车间约8万m2(189m×422m)，轻型发动机联合厂约4万m2。 1996年建成的北京首都国际机场大型客机检修库是世界上规模最大的飞机检修库之一，屋盖采用两 跨(153m十153m)、进深90m的四角锥焊接球节点三层网架，厚6m，大门口由重型桥架支承。 同年建成的 厦门太古飞机维修基地的157m跨拉杆拱架三层网架机库，网架跨度152m，进深70m， 大门口采用无粘结 预应力索拉杆拱，具有特色。 沈阳博展中心室内足球场(容纳3万观众)屋盖平面144m×204m，采用两向正交正放网架， 这是我国 第一座大型室内足球场。 网架用于塔架(如大连电视塔)、塑像骨架(如九华山佛像高99．9m)、人行过街天桥等特种结构，范 围越来越广。 平板网架计算比较成熟，国内有许多网架专用电算程序，这是促进网架结构发展的重要因素之一。
(2)网壳虽然网壳结构在50年代就已开始应用于体育馆和公共会堂，但发展比平板网架慢。平板网 架向网壳发展是必然趋势，后者比前者有许多优点，特别是大跨度和超大跨度时。
我国采用的网壳型式多种多样，如柱面、球面、双曲抛物面、扭面以及双曲扁壳等。除钢网壳外还 有单层网壳与钢筋混凝土屋面板共同工作的组合网壳。已建成的网壳工程以球面和柱面最多。 1994年建成的天津体育中心体育馆采用了肋环斜杆型双层球面网壳结构，直径108m，周边悬挑13． 5m。1997年建成的长春综合体育馆，平面为杏核形，长轴191．68m，短轴146m，沿长轴设脊拱架，跨 度191．68m，矢高40．67m，厚2．8m，38榀斜向径向拱架，一端落地，一端与脊拱相连，另设7道环向 衍架，与各拱相连，杆件都用方钢管，这样组成双层方钢管网壳，此工程由加拿大初步设计。 1995年 建成的黑龙江滑冰馆是由中央部分的柱面壳 (正放四角锥)和两端的两个半球壳(三角锥)组成的双层网 壳，轮廓尺寸86．2m×191．2m，厚2．1m，为钢管杆件和螺栓球节点。 1995年建成的铜陵水泥厂储量为4万t的石灰石预均化库，屋盖采用直径110m分叉肋环式多棱弯顶， 16榀(分叉后32榀)肋和5道环都用空腹式结构。又如嘉兴电厂干煤棚采用3心圆柱面网壳，跨度103.5m， 长80mo 1995年建成的**省攀枝花市体育馆是八边花瓣形双层网壳结构，跨度60m，在8个边缘构件设置 了拉索，施加多次预应力(3次加载，两次卸载)。这是首次在国内采用多次预应力。 之后相继又建造 了数座不同形式网壳在不同部位施加预应力的体育馆。1984年兴建的宁河体育馆(42mx42m平板网架 )，是第一座通过调整支座高差使网架建立预应力的预应力空间结构(网架)。 铝合金结构是金属结构的一种。1998年建成的上海国际体操中心主馆，直径68m穹顶采用单层铝合 金球面网壳，共有12圈，覆以亚光铝合金板。铝材为进口。铝合金结构对减轻结构自重、降低基础造 价起重要作用。 国内在网壳结构的理论研究和分析方面进行过很多有益的工作，取得良好效果，并编制了不少计 算程序，也做了一些模型试验。 (3)悬索及斜拉结构建成北京工人体育馆和浙江体育馆后悬索结构几乎停顿下来，直到80年代又 开始采用。不少中小跨度的悬索结构采用单曲平行索系。不同工程采用不同方法来提高这种索系的刚 度和稳定性，如山东淄博54m跨单层平行索系的体育馆， 采用预加荷载方法使钢索与钢筋混凝土形成 具有抗弯刚度的预应力悬挂薄壳。又如安徽体育馆外包尺寸72m×53m不等边6角形， 长向采用单曲承 重索，横向按柱距6m设置轻型钢屋架作为加劲构件，调整两端支座位移使索建立预应力。 单曲面双层悬索结构是在下凹承重平行索系的基础上增设一层反向曲率(上凸)的稳定索和系杆构 成，如无锡体育馆(43m×40m)的单曲面双层悬索结构，其上下索位于同一竖面内，承重索与稳定索在 跨中交接，类似拉索衍架，受力属平面体系。吉林冰球馆的单曲面双层悬索结构的承重和稳定索不在 同一竖面上，相互错开半个柱距，形成空间(立体)拉索衍架。在跨中间2／3范围内稳定索高于承重索， 靠近两端稳定索则低于承重索。 屋盖中的斜拉结构是利用斜拉索作为屋盖梁、网架、网壳等结构中间的附加支承，也可通过张拉 斜拉索在结构中建立预应力。 北京奥林匹克中心综合馆(70mx 83．2m)于1989年建成,是在人字形双层圆柱面网壳(四角锥)中央 屋脊处设置高9．9m、宽9m的衍梁，用16根斜拉索将衍梁悬挂到两端60m高的预应力钢筋混凝土塔筒上， 成为柔性斜拉索与钢网壳屋盖的混合体系。同样北京奥林匹克中心英东游泳馆(1989年建成，78m×11 8m)屋盖为曲面人字形钢屋架，屋脊处支承在箱形主梁上，用24根斜拉索将主梁吊挂到两端预应力钢筋 混凝土塔筒上，也是柔性结构和刚性屋盖混合体系。这两幢建筑从外形看，都是中国民族形式。1993 年我国承建的新加坡港务局(PSA)仓库，采用斜拉四角锥网架，总面积6万多m2，分A，B两种类型，A型 4幢，中间设6根塔柱，平面120m×96m；B型2幢，中间设4根塔柱，平面96m×70m每根塔柱设4根斜拉索 吊起网架。 (4)空间结构与拱、刚架等组成的混合体系北京石景山体育馆，平面为正三角形，边长99．7m，屋 盖采用三片四边形的双曲抛物面网壳，厚1．5m，中间支承在中央立体衍架组成的三叉拱上。再如江西 省体育馆，屋盖为六边形网架，中间悬吊在跨度88m箱形钢筋混凝土落地拱上，将屋盖分成两个梯形网 架，有利于采光，也丰富了建筑外形。 **省体育馆(73．7m×79．4m)屋盖为索网结构，采用一对相互倾斜、跨度102．5m的钢筋混凝土 拱作为中间支承(两片索网一边支承在拱上，三边支承在梁上)。青岛体育馆(87m×72m)与**的相似， 采用一对跨度为109m交叉的钢筋混凝土箱形拱作为中间支承。北京朝阳体育馆(60m×78m)则采用预应 力索拱体系作为索网的中间构架。
(5)膜和索膜结构
90年代后期国内已建和在建的几座体育场、剧院和展览馆采用了膜结构(钢结构加膜)。最大的是 1998年建成的上海8万人体育场看台顶盖，为鞍形大悬挑钢管空间结构，径向64榀大悬挑主桁架与2至 4道环向次衍架相连。膜屋面由飞索飞杆和膜材组成，形成多个锥状伞面，能避雨遮阳，体育场加蓬 盖是新的趋势。其他如上海虹口体育场、青岛颐中体育场、武汉新经济开发区体育场蓬盖、长沙世界 之窗剧场(内柱最大跨度70m，外柱88m)等，后3座都是索膜结构，即承重结构主要是拉索 ，这几座较 大工程所用膜材料是进口的，价格较贵。我国对膜材的找形、剪裁和分析做了一些研究工作。