鋼結構建筑構件連接構造技術淺析

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摘要：鋼結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構整體穩(wěn)定性上優(yōu)勢顯著。此外，鋼結構材料經(jīng)濟實用，適用性廣泛。本文第一部分介紹了鋼結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，分析了鋼結構建筑構件的應用；第三部分探討了鋼結構構件連接構造的關鍵技術。旨在為鋼結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)質感等工作性能，為建筑結構造型創(chuàng)新提供了更多的可能。如鋼結構漏窗、鋼結構護欄、鋼結構受力構件、鋼結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，鋼結構建筑構件都能夠更好的將實用性與藝術性相結合，在建筑結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構材料及施工技術的基礎之上。因為鋼結構自身也存在著易銹蝕和耐火性差的缺陷。鋼結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，研究鋼結構建筑構件連接構造技術對提升其在建筑結構中的應用價值有著重要的意義。

1鋼結構建筑構件及其特點

1.1鋼結構建筑構件

我國在鐵建筑結構的應用歷史相對較早。鐵建筑結構就是鋼建筑結構的前身。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)鋼鐵建筑結構增多。主要由外國人設計。直到新中國成立以后，鋼結構建筑才在國內(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]。鋼結構構構件主要由桿件、索等組成。常見的鋼結構受力件有拉索、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、索等是構成鋼結構件形式的最基本單位，也稱鋼結構基本構件。不同類型更結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

鋼結構材料在建筑中的應用體現(xiàn)了強度高、質量情、韌性好、材質均勻、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、大跨結構、高層及多層建筑、輕型鋼結構、鋼混組合結構、塔桅結構、板殼結構、橋梁結構、移動式結構等等[2]。

2鋼結構建筑構件的應用

2.1鋼結構基本構件的應用原則

鋼結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、塔架等鋼結構中。其鋼結構的截面形式主要包括實腹式、格溝式等。影響鋼結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)鋼結構基本構件形式做好連接點的質量控制[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鋼結構構件連接構造的關鍵技術

3.1鋼結構構件連接技術

3.1.1焊接連接技術。焊接技術是鋼結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量[4]。鋼結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、質量要求高且施工位置允許的鋼結構焊件焊接。氣體保護焊接無熔渣，焊接效率高、質量好，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，部分鋼結構建筑對整體結構的強度和穩(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)質合金結構。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構鉚孔后通過施壓使鉚釘端部與鉚孔鉚合的鋼結構件連接方式。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構件連接中缺乏質量保證[7]。

3.2鋼結構構件連接構造的造型藝術

鋼結構建筑構件是構成現(xiàn)代建筑不可缺少的元素。鋼結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。在滿足鋼結構建筑安全可靠的條件外，鋼結構件構造連接還需要注重建筑結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。要求在鋼結構藝術形態(tài)創(chuàng)新的基礎上，保證鋼結構整體的穩(wěn)定性不變[8]。3.3鋼結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，來延長鋼結構連接部位的生命周期。

4結語

綜上所述，鋼結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)鋼結構建筑構件連接件的承載需求而定。在鋼結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，將真實與夸張向結合，塑造更加多樣化、個性化的藝術形態(tài)，以實現(xiàn)鋼結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