鋼結(jié)構建筑構件連接構造技術淺析

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摘要：鋼結(jié)構材料具有較好的工作性能，其作為建筑構件連接件在增加建筑結(jié)構整體穩(wěn)定性上優(yōu)勢顯著。此外，鋼結(jié)構材料經(jīng)濟實用，適用性廣泛。本文第一部分介紹了鋼結(jié)構建筑構件及其特點；第二部分以受力構件、拉彎壓彎構件為例，分析了鋼結(jié)構建筑構件的應用；第三部分探討了鋼結(jié)構構件連接構造的關鍵技術。旨在為鋼結(jié)構構件連接構造的應用及其創(chuàng)新發(fā)展提供一些參考。

關鍵詞：鋼結(jié)構；建筑構件；連接構造技術；焊接；螺栓

0引言

隨著現(xiàn)代建筑施工材料及施工技術的發(fā)展，多元化建筑材料及施工技術的應用豐富了建筑藝術的表現(xiàn)形式。以最常見的鋼材為例，它良好的抗折性、抗彎性、強度、抗震性、韌性、塑性、耐熱性、導電性、光澤及工業(yè)質(zhì)感等工作性能，為建筑結(jié)構造型創(chuàng)新提供了更多的可能。如鋼結(jié)構漏窗、鋼結(jié)構護欄、鋼結(jié)構受力構件、鋼結(jié)構拉彎壓彎構件等等。無論是作為承重連接構建，還是造型裝飾構件，鋼結(jié)構建筑構件都能夠更好的將實用性與藝術性相結(jié)合，在建筑結(jié)構中凸顯別具一格的價值。當然，以上可能都必須建立在科學合理的應用鋼結(jié)構材料及施工技術的基礎之上。因為鋼結(jié)構自身也存在著易銹蝕和耐火性差的缺陷。鋼結(jié)構建筑構件唯有通過特殊工藝及保護技術，才能將其優(yōu)勢最大程度的發(fā)揮出來。鋼材作為現(xiàn)代建筑做廣泛的應用材料之一，研究鋼結(jié)構建筑構件連接構造技術對提升其在建筑結(jié)構中的應用價值有著重要的意義。

1鋼結(jié)構建筑構件及其特點

1.1鋼結(jié)構建筑構件

我國在鐵建筑結(jié)構的應用歷史相對較早。鐵建筑結(jié)構就是鋼建筑結(jié)構的前身。早在明清時期，鐵建橋梁就已經(jīng)在我國得到應用。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。在鐵建的帶動下，明清鋼鐵結(jié)構也有所發(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期，國內(nèi)鋼鐵建筑結(jié)構增多。主要由外國人設計。直到新中國成立以后，鋼結(jié)構建筑才在國內(nèi)橋梁、廠房、塔桅、大跨度公共建筑等范圍內(nèi)得到較為廣泛的應用，并快速的發(fā)展起來。如今，鋼鐵結(jié)構已在現(xiàn)代建筑中得到及其廣泛的應用，也帶動了國內(nèi)鋼鐵業(yè)的發(fā)展[1]。鋼結(jié)構構構件主要由桿件、索等組成。常見的鋼結(jié)構受力件有拉索、拉桿、壓桿、受彎桿件、拉彎構件、壓彎桿件、拱、鋼架等等。此外，還有一些為鋼構件與混凝土的組合件。如鋼管混凝土、型鋼混凝土構件等等。以上這些桿件、索等是構成鋼結(jié)構件形式的最基本單位，也稱鋼結(jié)構基本構件。不同類型更結(jié)構基本構件之間所采用的連接形式及其連接技術有所差異。

1.2應用特點

鋼結(jié)構材料在建筑中的應用體現(xiàn)了強度高、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，同時也有耐火性差、耐腐蝕性差的缺點。因其自身的特點及其結(jié)構形式的多元化，使其具有及其廣泛的應用范圍。包括工業(yè)廠房、大跨結(jié)構、高層及多層建筑、輕型鋼結(jié)構、鋼混組合結(jié)構、塔桅結(jié)構、板殼結(jié)構、橋梁結(jié)構、移動式結(jié)構等等[2]。

2鋼結(jié)構建筑構件的應用

2.1鋼結(jié)構基本構件的應用原則

鋼結(jié)構基本構件的連接應遵循安全可靠、傳力明確、構造簡單、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受力構件的應用

受力構建主要應用于桁架、網(wǎng)架、塔架等鋼結(jié)構中。其鋼結(jié)構的截面形式主要包括實腹式、格溝式等。影響鋼結(jié)構受力構件應用安全可靠性的主要因素包括構件承載能力極限狀態(tài)下的強度、穩(wěn)定性，以及正常使用極限狀態(tài)下的強度、剛度及穩(wěn)定性。構件連接構造時要加強對受力構件受力性能的計算，以及軸心受壓桿件的彈性彎曲屈曲與整體穩(wěn)定性的計算。同時分析偏心荷載、橫向荷載以及彎矩，并根據(jù)鋼結(jié)構基本構件形式做好連接點的質(zhì)量控制[3]。

2.3拉彎壓彎構件的應用

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件。拉彎件與壓彎構件在進行連接時，也要對構件承載能力極限狀態(tài)以及正常使用極限狀態(tài)下的強度、剛度及穩(wěn)定性進行計算，分析偏心荷載、橫向荷載以及彎矩的作用，在連接施工時做好允許偏差的控制。

3鋼結(jié)構構件連接構造的關鍵技術

3.1鋼結(jié)構構件連接技術

3.1.1焊接連接技術。焊接技術是鋼結(jié)構基本構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。焊接連接技術可直接焊接，施工簡單、節(jié)約材料，連接點密封性好、剛度大。焊接連接的質(zhì)量與焊接技術有著緊密的關系。當焊接溫度較高時，就使鋼材變得脆弱，或因焊接使應力處理不當形成殘余螢火或變形問題，還可能因焊接處理不當導致裂縫的發(fā)生。焊縫裂縫低溫冷脆問題是焊接連接技術最常見的問題。焊接連接在鋼結(jié)構基本構件中的應用極其廣泛。除少數(shù)直接承受動力荷載的鋼結(jié)構部位因易生產(chǎn)疲勞破壞而不易采用焊接連接外，其他構件連接構造基本可以采用焊接連接進行處理。根據(jù)焊接技術，常見的鋼結(jié)構焊接連接的焊縫有焊縫、對接焊縫、塞焊縫、坡口焊縫等。目前，國內(nèi)自動化焊接技術已經(jīng)得到廣泛應用。在鋼結(jié)構基本焊接處理時，可采用自動化焊接技術來提升焊接連接的質(zhì)量[4]。鋼結(jié)構連接常用的焊接方法有電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊、電阻焊等。以電弧焊為例（如圖1所示）。采用焊接技術連接鋼結(jié)構基本構件時，應注意選用的焊條應當與焊件鋼材主體屬性相適應。不同鋼種的鋼結(jié)構焊接連接時采用的焊條也不同。非同類型鋼材一般采用與低強度鋼材相應的焊條。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）。埋弧焊自動化程度高，焊接效率快、質(zhì)量高，但設備投資大、施工位置有一定限制。多應用于工期緊、質(zhì)量要求高且施工位置允許的鋼結(jié)構焊件焊接。氣體保護焊接無熔渣，焊接效率高、質(zhì)量好，但不適用于風較大的環(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。螺栓連接也是鋼結(jié)構基本構件的主要形式之一。根據(jù)螺栓分類，螺栓連接可以分為C級螺栓與A、B級螺栓兩大類。C級螺栓根據(jù)制造的鋼材級別，分為4.6級和4.8級兩種，尺寸精度和強度相對偏低，螺桿與螺孔間間隙為1.5-3mm。當C級螺栓受剪時板間間易產(chǎn)生較大的滑移，其剪性能相對較差，受拉性相對較好，應用范圍較廣。A、B級螺栓根據(jù)制造的鋼材級別分5.6級和8.8級兩種。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。因制造工藝復雜，安裝熱處理工藝復雜，制造安裝過程中材料浪費嚴重，應用范圍受到一定的限制。此外，部分鋼結(jié)構建筑對整體結(jié)構的強度和穩(wěn)定性要求較高，往往采用高強度螺栓連接。高強度螺栓采用經(jīng)過熱處理的優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構。根據(jù)螺栓材料強度等級，分為10.9s級、8.8s級兩種。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、不易松動的優(yōu)勢，在動荷載鋼結(jié)構中應用優(yōu)勢最為明顯。承壓型連接利用了栓桿與螺栓孔壁靠近傳遞剪力，具有強度高的優(yōu)勢。它智能應用于承受靜荷載或間接動荷載的鋼結(jié)構基本構件的連接[5]。3.1.3鉚釘連接技術。鉚釘連接指將鉚釘插入鋼結(jié)構鉚孔后通過施壓使鉚釘端部與鉚孔鉚合的鋼結(jié)構件連接方式。一般采用加熱鉚合的方式。鉚釘連接的優(yōu)勢是傳力可靠、塑形與韌性好。因鉚釘加工制造對鋼材耗費較大，且加工制造勞動強度大，承載力有限，因此使用范圍較小。一般的鋼結(jié)構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)點連接。鑄鋼節(jié)點多應用于承載力較大或大跨度鋼結(jié)構件連接中。鑄鋼節(jié)點的主要形式有樹型、釵接型及混合型幾種。樹型鑄鋼節(jié)點多應用于代替主管與多跟支管節(jié)點，來分散焊接應用。釵接型鑄鋼節(jié)點多應用于鋼結(jié)構桿件端部或支座處的連接?；旌闲丸T鋼節(jié)點則融合了樹型、釵接型鑄鋼節(jié)點的優(yōu)勢，應用范圍較廣，工作性能也更好。如南京奧林匹克體育中心的鑄鋼球節(jié)點的設計。其優(yōu)點是造型美觀、承載力及穩(wěn)定性更好。目前國內(nèi)鑄鋼節(jié)點連接技術應用面臨最大的問題就是鑄鋼件生產(chǎn)標準的差異性。應現(xiàn)行國標鑄鋼要求偏低，且標準化要求不高，導致鑄鋼節(jié)點連接在大跨度或承載力較大的鋼結(jié)構件連接中缺乏質(zhì)量保證[7]。

3.2鋼結(jié)構構件連接構造的造型藝術

鋼結(jié)構建筑構件是構成現(xiàn)代建筑不可缺少的元素。鋼結(jié)構件在建筑構造中除了起承重、連接及穩(wěn)定性作用外，還有著其自身的藝術設計表達形式。在滿足鋼結(jié)構建筑安全可靠的條件外，鋼結(jié)構件構造連接還需要注重建筑結(jié)構構造的藝術與審美價值。即在符合一般工程力學的假定的基礎上選擇質(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)構藝術形態(tài)創(chuàng)新的基礎上，保證鋼結(jié)構整體的穩(wěn)定性不變[8]。3.3鋼結(jié)構構件連接構造的保護措施根據(jù)鋼材耐腐蝕性差的特點，夠結(jié)構件連接構造施工中必須加強對基礎構件與連接件的防腐保護，采用鍍金屬層或涂漆等方式處理。對焊縫也要采取防腐蝕保護，來延長鋼結(jié)構連接部位的生命周期。

4結(jié)語

綜上所述，鋼結(jié)構建筑構件作為連接件的應用非常廣泛。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)點連接、鋼管混凝土結(jié)構連接、混凝土預制構件濕法連接等。具體連接方式及其技術工藝的選擇還要根據(jù)鋼結(jié)構建筑構件連接件的承載需求而定。在鋼結(jié)構連接構造的應用中，首要條件是安全可靠，其次，要注重傳力明確、構造簡單、制造方便、節(jié)約材料。在連接件表現(xiàn)形式上，可適當融入藝術的表現(xiàn)形式，將真實與夸張向結(jié)合，塑造更加多樣化、個性化的藝術形態(tài)，以實現(xiàn)鋼結(jié)構構件連接構造的安全性、經(jīng)濟性、美觀性以及良好適應性的目標，全面提升鋼結(jié)構連接件作為建筑連接構造的價值。

作者:凌志祥 單位:湖北中振建筑工程有限公司