對(duì)鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的探討

霍建梅

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)已經(jīng)不能滿足工程的實(shí)際使用需要，因此，相關(guān)工作人員要不斷總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，明確鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，以期為日后的工作提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；焊接連接；螺栓；鉚釘

中圖分類號(hào)：TU393.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.06.098

雖然日常生活中常見的建筑物從表面上看是一個(gè)整體，但它是由許許多多的小部件連接而成的，尤其是鋼結(jié)構(gòu)建筑物。為了保證鋼結(jié)構(gòu)建筑物的承載力和整體剛度，需將許多小部件有效地連接起來。要想保證工程質(zhì)量，保證鋼結(jié)構(gòu)建筑物各部件連接的牢固性，節(jié)點(diǎn)的連接強(qiáng)度要與構(gòu)件的自身強(qiáng)度保持一致。在施工過程中，節(jié)點(diǎn)所采用的施工工藝和連接方法是重點(diǎn)。本著安全、可靠和經(jīng)濟(jì)、方便的原則，施工時(shí)采用的連接方法也不相同。在鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)中，焊縫連接是最常見的，而螺栓連接的利用率也比較高。鉚釘連接不僅對(duì)施工工藝有較高的要求，而且施工工序也比較復(fù)雜，所以，應(yīng)用得比較少。

1 焊縫連接

焊接連接在工程中的利用率比較高，基本所有的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件都可以采用這種方法。采用這種連接方法時(shí)，不僅對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造的要求少，而且施工工藝也簡(jiǎn)單，不會(huì)因?yàn)楹缚p的存在而削弱截面強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)整體不會(huì)發(fā)生大的變形，剛度也比較強(qiáng)。在焊接管道的過程中，采用這種方法能夠保證結(jié)構(gòu)的密閉性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。焊接連接與其他連接方法相比更為經(jīng)濟(jì)，其操作過程也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。但是，這種連接方法的缺點(diǎn)也比較明顯。由于局部受熱，鋼材的化學(xué)構(gòu)造有所變化，許多元素的含量也發(fā)生了變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)容易受到脆性破壞。在施工過程中，要保證焊接后節(jié)點(diǎn)處沒有裂縫。因?yàn)榱芽p的存在會(huì)使節(jié)點(diǎn)承受較大的力而產(chǎn)生新的裂縫，它會(huì)沿著之前的裂縫迅速蔓延。在焊接的過程中，加熱、散熱不均勻，殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變的存在都會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受到荷載時(shí)斷裂。

焊接方法主要有4種：①手工電弧焊。利用電弧產(chǎn)生的3 000 ℃的高溫將涂有藥皮的、與焊件鋼材相似的焊條滴落在熔池中。藥皮的作用是保護(hù)焊縫，降低焊縫的脆性。這種焊法很難控制，對(duì)工人的操作水平也有很高的要求。②埋弧焊有自動(dòng)和半自動(dòng)2種操作方式，其生產(chǎn)效率高，所形成的焊縫結(jié)構(gòu)均勻，力學(xué)性能好。焊接時(shí)間越短，殘余應(yīng)變和殘余應(yīng)力對(duì)焊縫的影響就越小。與手工電弧焊相比，這種焊接方法裝配精密，埋弧焊中沒有藥皮，而是多了焊劑。因?yàn)殡娀÷裨诤竸┑南旅?，熱量集中，所以，多將其用于厚桿件的焊接工程中。③氣體保護(hù)焊與埋弧焊相反，它適用于一些比較薄、比較小的焊件。在焊接過程中，它用氣體的保護(hù)代替了藥皮，將焊縫與有害氣體隔絕起來，而且焊縫熔化區(qū)內(nèi)并沒有熔渣，施工人員可以清晰地看到焊縫的形成過程。④電阻焊主要運(yùn)用的是電流在電阻中產(chǎn)生的熱量，用熱量熔化金屬，再利用外界傳遞的壓力完成焊接工作。一般情況下，這種焊接方法的使用率并不高，它主要被用于6～12 mm厚鋼板的連接工程中。

因?yàn)楹缚p的連接方式不同，所以，可以將其分為對(duì)接焊縫、搭接焊縫、T形連接焊縫和角焊縫。對(duì)接焊縫適用于板件相等，構(gòu)件在同一個(gè)平面內(nèi)，力量傳遞比較均勻，沒有明顯的過渡，用料也比較少的結(jié)構(gòu)連接工程中。但是，這種方法的焊接尺寸小，對(duì)焊接技術(shù)有很高的要求，而且焊件邊緣和焊口也要提前加工。搭接焊縫適用于厚度不同的板件。這種焊法不僅會(huì)浪費(fèi)焊材，還會(huì)影響傳力效果，但是，它操作簡(jiǎn)單，所以被廣泛應(yīng)用。T形連接焊縫與其他的焊縫沒什么不同，只是連接桿件的形式不同。角焊縫的種類比較多，它適用于大的、特大的構(gòu)件連接工程。在施工過程中，如果構(gòu)件之間有縫隙，則會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。

焊接殘余應(yīng)變和殘余應(yīng)力是影響焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵。要想保證焊縫質(zhì)量，就要減小這兩種不利因素對(duì)焊接工藝的影響。在焊縫設(shè)計(jì)方面，焊縫要盡量小。如果焊縫較大，不僅會(huì)浪費(fèi)焊材，還會(huì)將焊接缺陷完全表現(xiàn)出來。另外，焊接設(shè)計(jì)要合理，要減少不必要的焊縫，而且焊縫不能過于密集，要盡量減少交叉數(shù)量。如果母板的同一個(gè)位置加熱很多次，熱量就會(huì)過于集中，焊接變形就會(huì)增大，進(jìn)而導(dǎo)致母板的化學(xué)組織和物理組織被破壞。與此同時(shí)，要合理選擇焊縫的位置——焊縫要盡可能設(shè)置在應(yīng)力較小的地方，使其對(duì)稱于截面的中軸。這樣做，可以減小焊縫的直接受力，減小焊縫的變形。在施工過程中，采用合理的施工工藝是很必要的。在焊接前，可以給焊件一個(gè)相反的預(yù)變形，以此抵消焊接變形。在焊接過程中，焊接順序要合理，以減小焊接應(yīng)力。待焊接工作完成后，可以用錘擊或者碾壓的方法加工焊縫，使其得到相應(yīng)的延伸，從而降低焊接應(yīng)力。對(duì)于小的焊件，焊前要預(yù)熱，焊后回火也是減小殘余應(yīng)變和應(yīng)力的有效方法之一。

2 螺栓連接

螺栓是一種機(jī)械零件，將其與螺母配套使用是一種有效的連接方式。利用它可以緊固2個(gè)帶有通孔的構(gòu)件。螺栓連接是一種可拆卸、重復(fù)使用的連接方式。螺栓連接的應(yīng)用范圍比較廣——在建筑、鐵道、車輛等工業(yè)工程中，螺栓連接的使用率較高。因?yàn)樗哂惺┕し奖?、施工效率高、?qiáng)度大、循環(huán)利用率高和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，所以，受到了各行各業(yè)施工人員的青睞。螺栓分為普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓。普通螺栓根據(jù)制作的精細(xì)程度可分為精致螺栓和粗糙螺栓；高強(qiáng)度螺栓是用抗拉強(qiáng)度高的鋼材制成的，它主要應(yīng)用于具有較高力學(xué)要求的連接工程中。

使用普通螺栓連接構(gòu)件時(shí)，要盡量少使用螺栓，而且對(duì)螺栓群的排列也有一定的要求。一般情況下，螺栓數(shù)不能少于1個(gè)，以防1個(gè)螺栓損壞導(dǎo)致整個(gè)接頭被破壞的情況發(fā)生。在施工過程中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)處可以使用2個(gè)以上的螺栓。螺栓排列可以分為并列和錯(cuò)列2種。螺栓到焊件邊緣的距離不宜過小，否則容易導(dǎo)致鋼材端部斷裂；各個(gè)螺栓之間的距離也不宜過小，一旦施加一定的力，螺栓之間的鋼材就會(huì)變?yōu)檎麄€(gè)構(gòu)件的應(yīng)力集中處，進(jìn)而使這個(gè)部位的鋼材發(fā)生脆性斷裂。在螺栓工作的過程中，當(dāng)其受力較小時(shí)，主要依靠的是接觸面的摩擦力，螺栓桿基本不受力；當(dāng)其受力不斷加大，摩擦力已經(jīng)不能滿足相關(guān)要求時(shí)，板件之間會(huì)有相對(duì)的滑移，螺栓桿會(huì)與構(gòu)件截面接觸而受力。普通螺栓往往承受的是剪力和拉力，當(dāng)這兩種力超過鋼材的極限抗剪強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)會(huì)斷裂，最終導(dǎo)致其整體被破壞。端部的鋼板沖剪破壞和螺栓桿的彎曲破壞可以利用構(gòu)造法解決，而其他的破壞只能通過施工前的計(jì)算來控制。

高強(qiáng)度螺栓主要是利用栓桿產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力完成工作的。常見的螺栓有大六角頭螺栓和扭剪型螺栓。采用螺栓連接的關(guān)鍵在于控制預(yù)拉力，保證摩擦面的抗滑能力。對(duì)于大六角頭螺栓，控制預(yù)拉力時(shí)可以采用力矩法和轉(zhuǎn)角法。在工程中使用抗剪型螺栓時(shí)，要用特殊的電動(dòng)扳手將其擰緊，安裝后一般不拆卸。這種連接方法比較簡(jiǎn)單，不需要特殊的操作即可保證其質(zhì)量，只需擰緊即可。

3 鉚釘連接

鉚釘是由頭部和釘桿構(gòu)成的一類緊構(gòu)件，它主要是通過自身變形產(chǎn)生的摩擦力完成連接工作，具體的連接方法有冷鉚法和熱鉚法?，F(xiàn)在的建筑主要采用的是熱鉚法，即先給鉚釘加熱，使其高溫膨脹，然后迅速將鉚釘打入鉚孔。鉚釘冷卻后會(huì)收縮，但是，收縮變形過程會(huì)被兩側(cè)的鋼板阻止。鉚釘連接的特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、連接可靠、抗沖擊性強(qiáng)，與焊接相比，它的缺點(diǎn)是噪聲大、生產(chǎn)效率低，能削弱15%～20%的被連接構(gòu)件等。與焊接相比，鉚釘連接的經(jīng)濟(jì)性不強(qiáng)。

鉚釘連接的力學(xué)性能比較好，它能應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)、鐵路橋梁和鍋爐制造等工程中。但是，當(dāng)其被破壞時(shí)很容易發(fā)現(xiàn)，而且制作難度大、施工困難、抗拉強(qiáng)度低，工程中已經(jīng)不再使用。目前，使用率較高的連接方法是焊接和高強(qiáng)螺栓連接，使用鉚釘連接的工程已經(jīng)越來越少。鉚釘連接僅應(yīng)用于焊接和螺栓連接受到限制或振動(dòng)荷載較大的金屬結(jié)構(gòu)中，例如鐵路橋梁、重型機(jī)械和起重機(jī)機(jī)架等?，F(xiàn)階段，航空領(lǐng)域或飛行器、非金屬元件（汽車摩擦片或閘帶）等制造工程還是以鉚釘連接為主。

4 總結(jié)

要想更好地使用鋼結(jié)構(gòu)，構(gòu)件的連接至關(guān)重要。連接節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量決定了整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，不管采用哪種連接方法，保證節(jié)點(diǎn)的安全性和穩(wěn)定性是最重要的。每種焊接方法都有其使用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，因此，在施工過程中，不僅要保證連接方式的安全性和穩(wěn)定性，還要確保施工方法簡(jiǎn)單、可操作。如果將這三種連接方法有機(jī)結(jié)合起來，取長(zhǎng)補(bǔ)短，將會(huì)是一種新的連接方法。但是，這種連接方法還需要不斷的實(shí)踐，要確保其經(jīng)濟(jì)性和安全性。在連接手段和工藝的創(chuàng)新方面我們還有很長(zhǎng)的路要走。

參考文獻(xiàn)

[1]李星榮.鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[2]荊軍，王元清.門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)端板連接節(jié)點(diǎn)性能研究與設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2000，30（4）：16-19.

[3]李少甫.鋼結(jié)構(gòu)的螺栓端板連接[J].建筑結(jié)構(gòu)，1998（8）：24-26.

[4]施剛，石永久，王元清，等.鋼結(jié)構(gòu)半剛性端板連接的設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用[J].工業(yè)建筑，2003，33（8）：52-55.

〔編輯：白潔〕