我国古代和近代建筑中的铁结构和铁构件

建筑结构小论文我国古代和近代建筑中的铁结构和构件铁是古代就已知的金属之一。铁矿石是地壳主要组成成分之一，铁在自然界中分布极为广泛，但人类发现和利用铁却比黄金和铜要迟。首先是由于天然的单质状态的铁在地球上非常稀少，而且它容易氧化生锈，加上它的熔点（1812K）又比铜（1356K）高得多，就使得它比铜难于熔炼。人类最早发现的铁是从天空落下来的陨石，陨石中含铁的百分比很高，是铁和镍、钴等金属的混合物，在融化铁矿石的方法尚未问世，人类不可能大量获得生铁的时候，铁一直被视为一种带有神秘性的最珍贵的金属。我国从东周时就有炼铁，至春秋战国时代普及，是较早掌握冶铁技术的国家之一。1973年在我国河北省出土了一件商代铁刃青铜钺，表明我国劳动人民早在3300多年以前就认识了铁，熟悉了铁的锻造性能，识别了铁与青铜在性质上的差别，把铁铸在铜兵器的刃部，加强铜的坚韧性。经科学鉴定，证明铁刃是用陨铁锻成的。随着青铜熔炼技术的成熟，逐渐为铁的冶炼技术的发展创造了条件。我国最早人工冶炼的铁是在春秋战国之交的时期出现的。这从江苏六合县春秋墓出土的铁条、铁丸，和河南洛阳战国早期灰坑出土的铁锛均能确定是迄今为止的我国最早的生铁工具。生铁冶炼技术的出现，它对封建社会的作用与蒸汽机对资本主义社会的作用可以媲美。生铁一般指含碳量在2.11-6.69%的铁的合金，又称铸铁。生铁里除含碳外，还含有硅、锰及少量的硫、磷等，它可铸不可锻。我国古代建筑主要以生铁为主。1、古代建筑中的铁结构1）.铁桥做为较早发明炼铁技术的国家之一，早在战国时期，我国的炼铁技术已很盛行了。在河南辉县等地出土的大批战国时代（公元前475～前221年）的铁制生产工具说明这点。公元65年（汉明帝时代），已成功地用锻铁为环，相扣成链，建成了世界上最早的铁链悬桥--兰津桥。此后，为了便利交通，跨越深谷，曾陆续建造了数十座铁链桥。其中跨度最大要数1705年（清康熙四十四年）建成的四川泸定大渡河桥，桥宽2.8m，跨长100m，由9根桥面铁链和4根桥栏铁链构成，两端系于直径20cm、长4m的生铁铸成的锚桩上。该桥比美洲1801年才建造的跨长23m的铁索桥早近百年，比号称世界最早的英格兰30m跨铸铁拱桥也早74年。兰津桥大渡河桥2）铁塔铁链悬桥以外，我国古代许多铁建筑物，如公元694年（周武氏十一年）在洛阳建成的“天枢”，高35m，直径4m，顶有直径为11.3m的“腾云承露盘”，底部有直径约16.7m用来保持天枢稳定的“铁山”，相当符合力学原理。又如公元1061年（宋代）在湖北荆州玉泉寺建成的13层铁塔，目前依然存在。所有这些都表明，我们中华民族对铁结构的应用，曾经居于世界领先地位。当阳铁塔共13层，彷木结构阁楼式，平面八角形，属古代最高铁塔，塔座为双层须弥座，台座八角各筑托塔力士8尊。据称塔重53.3吨，用铁38600kg。全塔由44件构件逐层铸造叠装组成，以克服无法运输吊装的难题。广州光孝寺铁塔为五代南汉刘全长所建，铁塔彷木结构四方塔形，具唐塔风格，每层塔身分为塔檐和塔体两节，由分别铸造的17件构件逐层叠装而成，各构件相连处有凹凸相见的定位结构，以使组装牢固。据样分析，铁塔成分为中磷，低硅，低硫，即白口铸铁，在城市湿热污染下的耐腐蚀性极强。当阳铁塔光孝寺铁塔2.古代建筑中的铁构件我国的古建筑主要以木材为原料建造而成，千百年来，它们能历经各种自然灾害而完整保存下来，这与木材良好的抗弯，抗压，及抗震性能密切相关。然而，由于木材又有徐变大，弹性模量低，易老化变形等缺点，这使得外力作用下的古建筑易产生各种破坏。铁件材料由于具有体积小，强度高等有点，因而自古以来便成为古建筑木结构加固的重要手段。1）铁箍主要用于梁，柱加固。柱子长期受上部荷载，将产生过大裂缝，对此采取的加固技术为：对于开裂的柱子直接用扁铁包裹，然后用铆钉固定；古建工艺称之为墩借。对于梁而言，梁开裂时，也用铁箍对梁身进行包裹，然后用铆钉固定，用铁箍的核心约束作用来提高构件的强度和刚度。柱加固梁加固2）.铁片主要用于榫卯节点加固。对于用于梁柱连接的燕尾榫节点，通常采用厚约5~15mm的铁片连接，然后用铆钉固定。对于半榫节点，由于柱的卯口完全被贯穿，且插入的榫头为可以容易拔榫的直榫形式，因而用5~20mm厚的铁片从卯口上下端分别拉结榫头，然后用铆钉固定。燕尾榫节点加固半榫节点过河拉扯做法3).铁钩主要用于顶棚及藻井爬梁加固。古建筑顶棚一般由帽儿梁，小龙骨和天花板组成，帽儿梁为顶棚主要承重构件一般帽儿梁的两端采用铁钩加固，铁钩的一端固定在帽儿梁上，另一端固定在与帽儿梁连接的承重梁上，方式为：铁钩端头削尖直接钉入构件，或端头打卯孔再用铆钉固定在构件上，通过铁钩端头或铆钉约束力来提供部分抗剪承载力。檩头节点加固顶棚加固4）.铁钉铁钉主要包括固定角量的穿钉，固定山花板的蘑菇钉，固定连檐，椽子的镊头钉，用于墙板连接的两尖钉等，主要用于小型构件的拉结，方法为：用铁钉将这些小型构件进行拉结，铁钉承担部分拉，压，弯，剪力。铁件加固技术虽然可以在一定程度上提高古建筑结构的刚度和强度，但也存在一定的问题如锈蚀，破坏木结构和不可逆性等，在之后的发展中逐渐改造或淘汰，通过其他材料代替及合理的加固方式变换等方法使得构件更好的作用于房屋建筑之中。对于欧美等国家中最早将铁做为建筑材料的是英国，但直到1840年以前，还只采用铸铁来建造拱桥。1840年以后，随着铆钉（rivets）连接和锻铁技术的发展，铸铁结构逐渐被锻铁结构取代，1846-1850年间在英国威尔士修建的布里塔尼亚桥（BrittaniaBridge）是这方面的典型代表。该桥共有4跨，跨长分别为70-140-140-70m，每跨均为箱型梁式桥，由锻铁型板和角铁经铆钉连接而成。随着1855年英国人发明贝氏转炉炼钢法和1865年法国人发明平炉炼钢法，以及1870年成功轧制出工字钢之后，形成了工业化大批量生产钢材（steelproducts）的能力，强度高且韧性好的钢材才开始在建筑领域逐渐取代锻铁材料，自1890年以后成为金属结构的主要材料。20世纪初焊接（welding）技术的出现，以及1934年高强度螺栓（high-strengthbolts）连接的出现，极大地促进了钢结构的发展。除西欧、北美之外，钢结构在前苏联和日本等国家也获得了广泛的应用，逐渐发展成为全世界所接受的重要结构体系。用生铁精炼而成的比较纯的铁。含碳量在0.02%以下，又叫锻铁、纯铁。熟铁质地很软，塑性好，延展性好，可以拉成丝，强度和硬度均较低，容易锻造和焊接。由于我国长期处于封建主义统治之下，束缚了生产力的发展，1840年鸦片战争以后，更沦为半封建半殖民地国家，经济凋敝，工业落后，古代在铁结构方面的技术优势早已丧失殆尽。我国在1907年才建成了汉阳钢铁厂，年产钢只有0.85万吨。日本帝国主义侵略中国期间，曾在东北的鞍山、本溪建设了几个钢铁企业，疯狂掠夺我国的宝贵资源。1943年是我国历史上钢铁产量最高的一年，生产生铁180万吨，钢90万吨，绝大部分是在东北生产的。这些钢铁很少用于建设，大部分被日本帝国主义用于反动的侵略战争。3.中国近代建筑中的铁结构黄河铁桥黄河铁桥建于宣统元年，由清政府花巨资从德国买进材料，整个造桥过程完全由德国控制。铁桥建成之前，这里设有浮桥横渡黄河。浮桥始建于明洪武年间（公元一三六八至一三九八年），名叫镇远桥，今尚存建桥所用铁柱一根高达三米，重约数吨，上有洪武九年字样.，桥建成后共厚50米，外由加厚铁托板托起。黄河铁桥也代表了中国近代的建筑状况，大批有着外国技术的建筑物在中国制造，而我国自己的技术发展却几乎为零，一方面受到列强的压迫没有发展的能力和空间，另一方面清政府的盲目自大造成了中国技术的停滞不前。黄河铁桥新中国成立后，随着经济建设的发展，钢结构曾起过重要作用，如第一个五年计划期间，建设了一大批钢结构厂房、桥梁。但由于受到钢产量的制约，在其后的很长一段时间内，钢结构被限制使用在其他结构不能代替的重大工程项目中，在一定程度上，影响了钢结构的发展。生铁、熟铁、钢的比较一般含碳量小于0.02%的叫熟铁或纯铁，含量在0.02-2.11%的叫钢，含量在2.11-6.69%的叫生铁。熟铁软，塑性好，容易变形，强度和硬度均较低，用途不广；生铁含碳很多，硬而脆，几乎没有塑性。钢材具有以下优点：强度高，结构重量轻；材质均匀，且塑性韧性好；良好的加工性能和焊接性能；密封性好；可重复使用；耐热但不耐火；耐腐蚀性差；低温冷脆。主要应用于大跨度结构，工业厂房等。读塔斜拉桥——海河大桥轻钢工业厂房门式钢架上海金茂大厦自1978年我国实行改革开放政策以来，经济建设获得了飞速的发展，钢产量逐年增加。自1996年超过1亿吨以来，一直位列世界钢产量的首位，2003年更达到创纪录的2.2亿吨，逐步改变着钢材供不应求的局面。我国的钢结构技术政策，也从“限制使用”改为积极合理地推广应用。近年来，随着市场经济的不断完善，钢结构制作和安装企业像雨后春笋般在全国各地涌现，外国著名钢结构厂商也纷纷打入中国市场。在多年工程实践和科学研究的基础之上，我国新的《钢结构设计规范》GB50017和《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB50018也已发布实施。所有这些，为钢结构在我国的快速发展创造了条件。参考文献：谭德睿；当阳铁塔——我国古代著名铸铁建筑；特种铸造及有色金属；2011,31谭德睿；光孝寺铁塔——分铸叠装而成的耐蚀铸铁体；特种铸造及有色金属；2010,30（12）岳建伟；“开封铁塔”动力特性研究；建筑科学；2008,24(3)周乾；铁杆加固技术在古建筑木结构中的应用研究；水利与建筑工程学报；2011,9,（1）中国第一历史档案馆；清末修建兰州黄河铁桥史料薛克远；基于断裂力学模型对铆接铁桥剩余寿命的评估；山西建筑；2009,35，（30）