鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件連接構(gòu)造技術(shù)淺析
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摘要：鋼結(jié)構(gòu)材料具有較好的工作性能，其作為建筑構(gòu)件連接件在增加建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性上優(yōu)勢(shì)顯著。此外，鋼結(jié)構(gòu)材料經(jīng)濟(jì)實(shí)用，適用性廣泛。本文第一部分介紹了鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件及其特點(diǎn)；第二部分以受力構(gòu)件、拉彎壓彎構(gòu)件為例，分析了鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的應(yīng)用；第三部分探討了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接構(gòu)造的關(guān)鍵技術(shù)。旨在為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接構(gòu)造的應(yīng)用及其創(chuàng)新發(fā)展提供一些參考。
關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；建筑構(gòu)件；連接構(gòu)造技術(shù)；焊接；螺栓
0引言
隨著現(xiàn)代建筑施工材料及施工技術(shù)的發(fā)展，多元化建筑材料及施工技術(shù)的應(yīng)用豐富了建筑藝術(shù)的表現(xiàn)形式。以最常見的鋼材為例，它良好的抗折性、抗彎性、強(qiáng)度、抗震性、韌性、塑性、耐熱性、導(dǎo)電性、光澤及工業(yè)質(zhì)感等工作性能，為建筑結(jié)構(gòu)造型創(chuàng)新提供了更多的可能。如鋼結(jié)構(gòu)漏窗、鋼結(jié)構(gòu)護(hù)欄、鋼結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件、鋼結(jié)構(gòu)拉彎壓彎構(gòu)件等等。無論是作為承重連接構(gòu)建，還是造型裝飾構(gòu)件，鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件都能夠更好的將實(shí)用性與藝術(shù)性相結(jié)合，在建筑結(jié)構(gòu)中凸顯別具一格的價(jià)值。當(dāng)然，以上可能都必須建立在科學(xué)合理的應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)材料及施工技術(shù)的基礎(chǔ)之上。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)自身也存在著易銹蝕和耐火性差的缺陷。鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件唯有通過特殊工藝及保護(hù)技術(shù)，才能將其優(yōu)勢(shì)最大程度的發(fā)揮出來。鋼材作為現(xiàn)代建筑做廣泛的應(yīng)用材料之一，研究鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件連接構(gòu)造技術(shù)對(duì)提升其在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用價(jià)值有著重要的意義。
1鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件及其特點(diǎn)
1.1鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件
我國在鐵建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用歷史相對(duì)較早。鐵建筑結(jié)構(gòu)就是鋼建筑結(jié)構(gòu)的前身。早在明清時(shí)期，鐵建橋梁就已經(jīng)在我國得到應(yīng)用。如明成化年間的云南霽虹橋、清康熙年間的四川瀘定橋等，都是早期的鐵索橋的代表。在鐵建的帶動(dòng)下，明清鋼鐵結(jié)構(gòu)也有所發(fā)展，但受封建制度的限制發(fā)展緩慢。到半封建板殖民地時(shí)期，國內(nèi)鋼鐵建筑結(jié)構(gòu)增多。主要由外國人設(shè)計(jì)。直到新中國成立以后，鋼結(jié)構(gòu)建筑才在國內(nèi)橋梁、廠房、塔桅、大跨度公共建筑等范圍內(nèi)得到較為廣泛的應(yīng)用，并快速的發(fā)展起來。如今，鋼鐵結(jié)構(gòu)已在現(xiàn)代建筑中得到及其廣泛的應(yīng)用，也帶動(dòng)了國內(nèi)鋼鐵業(yè)的發(fā)展[1]。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)件主要由桿件、索等組成。常見的鋼結(jié)構(gòu)受力件有拉索、拉桿、壓桿、受彎桿件、拉彎構(gòu)件、壓彎桿件、拱、鋼架等等。此外，還有一些為鋼構(gòu)件與混凝土的組合件。如鋼管混凝土、型鋼混凝土構(gòu)件等等。以上這些桿件、索等是構(gòu)成鋼結(jié)構(gòu)件形式的最基本單位，也稱鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件。不同類型更結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件之間所采用的連接形式及其連接技術(shù)有所差異。
1.2應(yīng)用特點(diǎn)
鋼結(jié)構(gòu)材料在建筑中的應(yīng)用體現(xiàn)了強(qiáng)度高、質(zhì)量情、韌性好、材質(zhì)均勻、工業(yè)化程度高、密封性好、抗震性好的特點(diǎn)，同時(shí)也有耐火性差、耐腐蝕性差的缺點(diǎn)。因其自身的特點(diǎn)及其結(jié)構(gòu)形式的多元化，使其具有及其廣泛的應(yīng)用范圍。包括工業(yè)廠房、大跨結(jié)構(gòu)、高層及多層建筑、輕型鋼結(jié)構(gòu)、鋼混組合結(jié)構(gòu)、塔桅結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、移動(dòng)式結(jié)構(gòu)等等[2]。
2鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件的應(yīng)用
2.1鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的應(yīng)用原則
鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的連接應(yīng)遵循安全可靠、傳力明確、構(gòu)造簡單、制造方便、節(jié)約鋼材的基本原則。其中連接的安全可靠是首要原則。
2.2受力構(gòu)件的應(yīng)用
受力構(gòu)建主要應(yīng)用于桁架、網(wǎng)架、塔架等鋼結(jié)構(gòu)中。其鋼結(jié)構(gòu)的截面形式主要包括實(shí)腹式、格溝式等。影響鋼結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件應(yīng)用安全可靠性的主要因素包括構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)下的強(qiáng)度、穩(wěn)定性，以及正常使用極限狀態(tài)下的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。構(gòu)件連接構(gòu)造時(shí)要加強(qiáng)對(duì)受力構(gòu)件受力性能的計(jì)算，以及軸心受壓桿件的彈性彎曲屈曲與整體穩(wěn)定性的計(jì)算。同時(shí)分析偏心荷載、橫向荷載以及彎矩，并根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件形式做好連接點(diǎn)的質(zhì)量控制[3]。
2.3拉彎壓彎構(gòu)件的應(yīng)用
工業(yè)廠房、多層房屋建筑的框架柱等，均采用了拉彎壓彎構(gòu)件。拉彎件與壓彎構(gòu)件在進(jìn)行連接時(shí)，也要對(duì)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)以及正常使用極限狀態(tài)下的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，分析偏心荷載、橫向荷載以及彎矩的作用，在連接施工時(shí)做好允許偏差的控制。
3鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接構(gòu)造的關(guān)鍵技術(shù)
3.1鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接技術(shù)
3.1.1焊接連接技術(shù)。焊接技術(shù)是鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件最常見的連接形式。一般通過電弧產(chǎn)生的熱量將焊條與焊件局部熔化，冷卻凝結(jié)成焊縫使二者連接為一體的方式。焊接連接技術(shù)可直接焊接，施工簡單、節(jié)約材料，連接點(diǎn)密封性好、剛度大。焊接連接的質(zhì)量與焊接技術(shù)有著緊密的關(guān)系。當(dāng)焊接溫度較高時(shí)，就使鋼材變得脆弱，或因焊接使應(yīng)力處理不當(dāng)形成殘余螢火或變形問題，還可能因焊接處理不當(dāng)導(dǎo)致裂縫的發(fā)生。焊縫裂縫低溫冷脆問題是焊接連接技術(shù)最常見的問題。焊接連接在鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件中的應(yīng)用極其廣泛。除少數(shù)直接承受動(dòng)力荷載的鋼結(jié)構(gòu)部位因易生產(chǎn)疲勞破壞而不易采用焊接連接外，其他構(gòu)件連接構(gòu)造基本可以采用焊接連接進(jìn)行處理。根據(jù)焊接技術(shù)，常見的鋼結(jié)構(gòu)焊接連接的焊縫有焊縫、對(duì)接焊縫、塞焊縫、坡口焊縫等。目前，國內(nèi)自動(dòng)化焊接技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。在鋼結(jié)構(gòu)基本焊接處理時(shí)，可采用自動(dòng)化焊接技術(shù)來提升焊接連接的質(zhì)量[4]。鋼結(jié)構(gòu)連接常用的焊接方法有電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊、電阻焊等。以電弧焊為例（如圖1所示）。采用焊接技術(shù)連接鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件時(shí)，應(yīng)注意選用的焊條應(yīng)當(dāng)與焊件鋼材主體屬性相適應(yīng)。不同鋼種的鋼結(jié)構(gòu)焊接連接時(shí)采用的焊條也不同。非同類型鋼材一般采用與低強(qiáng)度鋼材相應(yīng)的焊條。如Q235鋼選擇E43型焊條（E4300—E4328）、Q345鋼選擇E50型焊條（E5001—E5048）、Q390、Q420鋼選擇E55型焊條（E5500-E5518）。埋弧焊自動(dòng)化程度高，焊接效率快、質(zhì)量高，但設(shè)備投資大、施工位置有一定限制。多應(yīng)用于工期緊、質(zhì)量要求高且施工位置允許的鋼結(jié)構(gòu)焊件焊接。氣體保護(hù)焊接無熔渣，焊接效率高、質(zhì)量好，但不適用于風(fēng)較大的環(huán)境。電阻焊主要適用于板疊厚度小于12mm的鋼結(jié)構(gòu)件的焊接。焊縫要根據(jù)被連接鋼材的位置而定，一般選擇對(duì)接、搭接、T型連接、角部連接的方式。鋼管之間的連接一般采用T型、Y型連接的形式。3.1.2螺栓連接技術(shù)。螺栓連接也是鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的主要形式之一。根據(jù)螺栓分類，螺栓連接可以分為C級(jí)螺栓與A、B級(jí)螺栓兩大類。C級(jí)螺栓根據(jù)制造的鋼材級(jí)別，分為4.6級(jí)和4.8級(jí)兩種，尺寸精度和強(qiáng)度相對(duì)偏低，螺桿與螺孔間間隙為1.5-3mm。當(dāng)C級(jí)螺栓受剪時(shí)板間間易產(chǎn)生較大的滑移，其剪性能相對(duì)較差，受拉性相對(duì)較好，應(yīng)用范圍較廣。A、B級(jí)螺栓根據(jù)制造的鋼材級(jí)別分5.6級(jí)和8.8級(jí)兩種。這類螺栓的尺寸精度及精度度較高，螺栓與螺孔間間隙僅為0.3-0.5mm，有著較好的受剪性能。因制造工藝復(fù)雜，安裝熱處理工藝復(fù)雜，制造安裝過程中材料浪費(fèi)嚴(yán)重，應(yīng)用范圍受到一定的限制。此外，部分鋼結(jié)構(gòu)建筑對(duì)整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求較高，往往采用高強(qiáng)度螺栓連接。高強(qiáng)度螺栓采用經(jīng)過熱處理的優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)。根據(jù)螺栓材料強(qiáng)度等級(jí)，分為10.9s級(jí)、8.8s級(jí)兩種。根據(jù)螺栓連接形式，分為摩擦型連接、承壓型連接。摩擦形連接利用了板疊間的摩擦力傳遞剪力，具有變形小、耐疲勞、不易松動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，在動(dòng)荷載鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)最為明顯。承壓型連接利用了栓桿與螺栓孔壁靠近傳遞剪力，具有強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)。它智能應(yīng)用于承受靜荷載或間接動(dòng)荷載的鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的連接[5]。3.1.3鉚釘連接技術(shù)。鉚釘連接指將鉚釘插入鋼結(jié)構(gòu)鉚孔后通過施壓使鉚釘端部與鉚孔鉚合的鋼結(jié)構(gòu)件連接方式。一般采用加熱鉚合的方式。鉚釘連接的優(yōu)勢(shì)是傳力可靠、塑形與韌性好。因鉚釘加工制造對(duì)鋼材耗費(fèi)較大，且加工制造勞動(dòng)強(qiáng)度大，承載力有限，因此使用范圍較小。一般的鋼結(jié)構(gòu)件之間連接都可以采用焊接或螺栓連接的方式替代[6]。3.1.4鑄鋼節(jié)點(diǎn)連接。鑄鋼節(jié)點(diǎn)多應(yīng)用于承載力較大或大跨度鋼結(jié)構(gòu)件連接中。鑄鋼節(jié)點(diǎn)的主要形式有樹型、釵接型及混合型幾種。樹型鑄鋼節(jié)點(diǎn)多應(yīng)用于代替主管與多跟支管節(jié)點(diǎn)，來分散焊接應(yīng)用。釵接型鑄鋼節(jié)點(diǎn)多應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)桿件端部或支座處的連接?；旌闲丸T鋼節(jié)點(diǎn)則融合了樹型、釵接型鑄鋼節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用范圍較廣，工作性能也更好。如南京奧林匹克體育中心的鑄鋼球節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。其優(yōu)點(diǎn)是造型美觀、承載力及穩(wěn)定性更好。目前國內(nèi)鑄鋼節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)應(yīng)用面臨最大的問題就是鑄鋼件生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的差異性。應(yīng)現(xiàn)行國標(biāo)鑄鋼要求偏低，且標(biāo)準(zhǔn)化要求不高，導(dǎo)致鑄鋼節(jié)點(diǎn)連接在大跨度或承載力較大的鋼結(jié)構(gòu)件連接中缺乏質(zhì)量保證[7]。
3.2鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接構(gòu)造的造型藝術(shù)
鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件是構(gòu)成現(xiàn)代建筑不可缺少的元素。鋼結(jié)構(gòu)件在建筑構(gòu)造中除了起承重、連接及穩(wěn)定性作用外，還有著其自身的藝術(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)形式。在滿足鋼結(jié)構(gòu)建筑安全可靠的條件外，鋼結(jié)構(gòu)件構(gòu)造連接還需要注重建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)造的藝術(shù)與審美價(jià)值。即在符合一般工程力學(xué)的假定的基礎(chǔ)上選擇質(zhì)地均勻、重量輕、塑性與韌性好、同性好、整體性高的的連接件及連接處理方式。要求在鋼結(jié)構(gòu)藝術(shù)形態(tài)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，保證鋼結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性不變[8]。3.3鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接構(gòu)造的保護(hù)措施根據(jù)鋼材耐腐蝕性差的特點(diǎn)，夠結(jié)構(gòu)件連接構(gòu)造施工中必須加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)構(gòu)件與連接件的防腐保護(hù)，采用鍍金屬層或涂漆等方式處理。對(duì)焊縫也要采取防腐蝕保護(hù)，來延長鋼結(jié)構(gòu)連接部位的生命周期。
4結(jié)語
綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件作為連接件的應(yīng)用非常廣泛。最常見的連接方式包括焊接連接、螺栓連接、錨釘連接、鑄鋼節(jié)點(diǎn)連接、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)連接、混凝土預(yù)制構(gòu)件濕法連接等。具體連接方式及其技術(shù)工藝的選擇還要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件連接件的承載需求而定。在鋼結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造的應(yīng)用中，首要條件是安全可靠，其次，要注重傳力明確、構(gòu)造簡單、制造方便、節(jié)約材料。在連接件表現(xiàn)形式上，可適當(dāng)融入藝術(shù)的表現(xiàn)形式，將真實(shí)與夸張向結(jié)合，塑造更加多樣化、個(gè)性化的藝術(shù)形態(tài)，以實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接構(gòu)造的安全性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性以及良好適應(yīng)性的目標(biāo)，全面提升鋼結(jié)構(gòu)連接件作為建筑連接構(gòu)造的價(jià)值。
作者:凌志祥 單位:湖北中振建筑工程有限公司
