钢VS木材VS混凝土：结构工程常用材料的优缺点对比

钢VS木材VS混凝土：结构工程常用材料的优缺点对比

在建筑和工程领域，材料的选择至关重要。本文将详细介绍三种常用的结构材料：钢、钢筋混凝土和木材。每种材料都有其独特的优缺点，了解这些特性对于确保安全且经济高效的结构设计至关重要。

结构工程常用材料

结构工程依赖于建筑材料及其相应特性的知识，以便我们更好地预测不同材料在应用于结构时的行为。通常，结构工程中最常用的三种材料是钢、混凝土和木材。了解每种材料的优缺点对于确保安全且经济高效的结构设计方法至关重要。那么让我们来看看钢铁与木材与混凝土的优缺点！

结构钢

钢是主要由铁和碳组成的合金。其他元素也混入合金中以获得其他性能。一个例子是添加铬和镍来制造不锈钢。增加钢中的碳具有增加材料抗拉强度的预期效果。增加碳含量会使钢更脆，这对于结构钢是不希望的。

结构钢的优势

1. 钢具有高强度/重量比。从而，的自重钢结构比较小。这种特性使钢成为高层建筑非常有吸引力的结构材料，大跨度桥梁，位于低土壤承载力和高地震活动地区的建筑物。
2. 延展性。失效前钢会经历大的塑性变形，因此提供了很大的储备力量。
3. 可预测的材料性能。可以高度确定钢的性能。实际上，钢显示出较高的，通常是明确定义的应力水平的弹性行为。与钢筋混凝土相反，钢性能不会随时间变化很大。
4. 架设速度。钢构件只需安装到结构上，使施工时间非常短。通常，这可以在诸如人工成本等领域带来更快的经济回报。
5. 维修方便。一般而言，钢结构可以快速轻松地修复。
6. 预制的适应。钢非常适合预制和批量生产。
7. 重复使用。拆卸结构后即可重复使用钢。
8. 扩大现有结构。通过增加新的机架或侧翼可以轻松扩展钢结构建筑。钢桥可能会加宽。
9. 疲劳强度。钢结构具有相对较好的疲劳强度。

结构钢的缺点

1. 一般费用。钢铁非常耗能，生产成本自然更高。与其他类型的结构相比，钢结构的建造成本可能更高。
2. 防火等级。在建筑物火灾中通常观察到的温度下加热时，钢的强度会大大降低。钢铁还非常快地传导和传递建筑物燃烧部分的热量。因此，建筑物中的钢框架必须有足够的防火措施。
3. 保养。暴露在环境中的钢会损坏材料，甚至会因腐蚀而污染结构。暴露在空气和水中的钢结构，例如桥梁和塔楼，定期涂漆。耐候和耐腐蚀钢的应用可以消除这个问题。
4. 屈曲的敏感性。由于高强度/重量比，钢制受压构件，一般来说，比它更苗条，因此更容易弯曲，说，钢筋混凝土受压构件。结果是，需要更多的设计考虑来提高细长钢制受压构件的抗屈曲性。

图1. 钢结构概述

钢筋混凝土

混凝土是水的混合物，水泥和骨料。这三种主要成分的比例很重要，这样才能形成所需抗压强度的混凝土混合物。将钢筋添加到混凝土中时，这两种材料与提供抗压强度的混凝土以及提供抗拉强度的钢一起工作。

钢筋混凝土的优点

1. 抗压强度。与其他建筑材料相比，钢筋混凝土具有较高的抗压强度。
2. 抗拉强度。由于提供了加固，钢筋混凝土也可以承受大量的拉应力。
3. 防火性能。混凝土具有良好的保护钢筋长期防火的能力。这样就可以为钢筋腾出时间，直到火被扑灭。
4. 当地采购的材料。生产混凝土所需的大多数材料很容易从当地采购，这使混凝土成为受欢迎且具有成本效益的选择。
5. 耐用性。钢筋混凝土建筑系统比其他任何建筑系统都更耐用。
6. 成型性。钢筋混凝土，作为一开始的流体材料，可以经济地模制成几乎无限的形状范围。
7. 低维护。钢筋混凝土设计坚固耐用，使用不需要大量维护的低价值材料，例如沙子和水。混凝土的意思是将钢筋完全包围起来，以使钢筋不受干扰。这使得钢筋混凝土结构的维护成本非常低。
8. 结构像立足点，水坝，码头等。钢筋混凝土是最经济的建筑材料。
9. 刚性。它的作用像是具有最小挠度的刚性构件。最小的挠度有利于建筑物的使用寿命。
10. 用户友好。与在结构中使用钢相比，熟练技术工人可用于钢筋混凝土结构的施工。

钢筋混凝土的缺点

1. 长期储存。水泥与水起反应并且混合物硬化后，一旦混合就无法储存混凝土。其主要成分必须分开存放。
2. 固化时间。混凝土有三十天的养护期。这个因素对建筑物的施工进度有很大影响。这使得现浇混凝土的安装速度比钢慢，然而，使用预制混凝土可以大大改善。
3. 表格费用。用于铸造钢筋混凝土的表格的成本相对较高。
4. 更大的横截面。对于多层建筑，钢筋混凝土柱截面（碾压混凝土）在RCC的情况下，由于抗压强度较低，因此比钢截面大。
5. 收缩率。收缩导致裂纹发展和强度损失。

图2. 钢筋混凝土的典型示例

木材

木材是有机的，吸湿各向异性材料。其热，声学的，电的，机械，美学的，加工，等等。属性非常适合使用，仅使用木制品。与其他材料，这几乎是不可能的。木材作为结构工程材料，显然既是一种常见的，也是一种历史的选择。然而，在过去的几十年中，从木材转向使用工程产品或铝等金属。

木材的优势

1. 抗拉强度。作为一种相对轻质的建筑材料，在断裂长度方面，木材的表现甚至胜于钢（或自支撑长度）。简单地说，它可以更好地支撑自己的体重，在某些建筑设计中允许更大的空间和更少的必要支撑。
2. 电气和耐热性。干燥至标准水分含量时具有天然的抗导电性（MC）等级，通常在7%-12%对于大多数木材种类。其强度和尺寸也不受热影响很大，为完成的建筑物提供稳定性，甚至在某些火灾情况下也可能带来安全隐患。
3. 吸音。它的声学特性使其非常适合将居住或办公室空间中的回声降至最低。木材吸收声音，而不是反映或放大它，并有助于显着降低噪音水平，从而带来额外的舒适感。
4. 本地采购。木材是一种建筑材料，可以通过自然过程以及补植和林业管理计划进行种植和重新种植。精选采伐和其他做法可在收获大树的同时继续增长。
5. 环保的。许多建筑材料的最大挑战之一，包括混凝土，金属，和塑料，是当它们被丢弃时，他们花了很长的时间分解。暴露于自然气候条件下，木材会更快分解，并在此过程中真正补充土壤。

木材的缺点

木材的收缩和膨胀是其主要缺点之一。木材是一种吸湿材料。这意味着它将吸收周围的可冷凝蒸汽，并在纤维饱和点以下将水分流失到空气中。另一个缺点是它的恶化。引起木材变质和破坏的因素分为两类：生物的（生物）和非生物（非生物）。生物制剂包括腐烂和霉菌，细菌和昆虫。非生物制剂包括阳光，风，水，某些化学物质和火。

图3. 木材/木质结构框架

摘要

为了更好地描述钢，混凝土和木材。让我们总结一下将突出每种材料的主要特征。

钢在拉伸和压缩方面都非常强，因此具有很高的压缩和拉伸强度。钢的极限强度约为400至500兆帕（58 – 72.5 KSI）。它也是一种易延展的材料，在失效之前会屈服或变形。钢铁以其施工速度和效率脱颖而出。它相对较轻的重量和易于施工的特点使得大约10至20%与正在建造的类似混凝土结构相比要小。钢结构也具有出色的耐久性。

具体抗压强度极高，因此具有约17MPa至28MPa的高抗压强度。具有更高的强度，甚至超过70兆帕。混凝土使设计坚固耐用的建筑成为可能，并通过将其保持在建筑物围护结构内来利用其热质量，可以帮助调节室内温度。预制混凝土在建筑业中的使用也越来越多，在环境影响方面具有优势，成本和施工速度。

木耐电流，使其成为电气绝缘的最佳材料。拉伸强度也是选择木材作为建筑材料的主要原因之一；其卓越的品质使其成为重型建筑材料（例如结构梁）的理想选择。木材的体积比混凝土和钢材轻得多，它易于使用并且非常适合现场。耐用，导致的热桥接比同类产品少，并且易于合并预制元件。其结构性能非常高，抗压强度与混凝土相似。尽管有这些，木材被广泛用于住宅和低层建筑。它很少用作高层建筑的主要材料。

这些是用于建筑的最常见建筑材料。每种材料都有其独特的优点和缺点。最终，这些可能会被对未来技术进步几乎没有限制的材料所取代。而不管，我们当前的建筑材料将在未来数十年中保持相关性。