采用承插式連接的臨時鋼結構可行性研究

張 揚 張 滿 龍珊珊

（1.黃岡職業(yè)技術學院建筑學院， 湖北 黃岡 438002； 2.湖北天工建筑勘察設計有限公司羅田分公司， 湖北 黃岡438002；3.湖北精誠鋼結構股份有限公司， 湖北 黃岡 438002）

1 鋼結構連接方式

鋼結構工程安裝的主要連接方式有：螺栓（鉚釘）連接、焊接連接、螺栓+焊接連接。三種主要的連接方式之中，焊接連接施工時間較長、高空作業(yè)不便、質量難以控制；螺栓連接施工時間較短，但構件截面削弱較大；螺栓+焊接連接是指腹板采用螺栓連接，翼緣采用焊接連接，這種連接方式既吸取了兩者的優(yōu)點，也繼承了兩者的缺點，整體來看，螺栓+焊接連接仍然存在施工時間較長、質量難以控制等缺點。

在一些臨時性鋼結構中，也可采用承插式連接，承插式連接是指將鋼管構件一端的插口插入另一個鋼管構件的承口內(nèi)，并使連接接頭具有傳遞軸力、剪力以及彎矩的一種連接方式。承插式連接的主要優(yōu)點是安裝拆卸速度快，安裝高度可調；缺點是連接處間隙較大，導致結構位移偏大，不適合大跨度和層數(shù)較多的建筑。

2 承插式連接的工程實踐

早在1963年，我國五〇三廠冶金建設公司就設計了承插式的鋼結構臨時建筑，該項目利用廢鋼筋和廢鋼板焊接桁架，桁架兩端采用鋼筋與套管進行承插式連接，最大跨度可達18m，總體建筑面積2000余m2，可承受1.5kN/m2的荷載，經(jīng)受了兩次七級大風的考驗。

1988年石油部施工技術研究所研究并試驗了以金屬壓型輕鋼龍骨作為主結構，墻體圍護板和屋面板直接插在卷邊工字型輕鋼龍骨內(nèi)的快速組裝式臨時房屋，并得出了“承插式金屬壓型輕鋼結構具有突出的優(yōu)點”等結論。

合肥工業(yè)大學夏珊研究了在高速公路F型剛架結構廣告牌中采用了承插式連接技術的可行性，并進行了力學基本理論，模型試驗及有限元三方面的分析，論證了承插式連接在F型剛架結構廣告牌橫梁中應用的可行性。

上述實踐案例涵蓋了梁-柱連接節(jié)點、梁-梁連接節(jié)點以及圍護結構與主體結構連接節(jié)點等一般鋼結構關鍵部位的節(jié)點連接，充分證明了我國在鋼結構承插式連接范疇有一定的研究和實踐基礎。

3 承插式鋼結構節(jié)點構造

3.1 柱-柱承插式剛接接頭構造

承插式柱-柱剛接接頭，可以在具有插口的插件端部焊接端板，端板之外再焊接上小截面的插芯，一般情況下承口部位可不做處理，如圖1。但當節(jié)點內(nèi)力較大或板厚較小時，為防止插芯和承口變形，也可將插芯和承口部位加強。

圖1 具有固定長度的承插式柱-柱連接基本構造

承插式連接與其他連接一樣，必須滿足軸力、剪力、彎矩的傳遞，在圖1的柱-柱承插式連接節(jié)點中，內(nèi)力傳遞路徑及控制變形的構造措施見表1。為減小安裝間隙和增加施工安全保障，可在承件和插芯中設置安裝螺栓。

表1 承插式柱-柱連接的內(nèi)力傳遞路徑與控制變形的構造措施

從表1中可以看出，承插式連接構造合理時，是可以作為剛接使用的，但由于制作偏差和安裝間隙的需要，承插式連接中的插芯外徑比承口內(nèi)徑小4～6mm，當插芯較短時，承插式連接節(jié)點會有一定程度的轉動，不配置安裝螺栓時，可以按鉸接考慮。

3.2 梁-柱剛接接頭構造

在框架結構中，梁-柱接頭一般為剛接，即柱對梁在平面內(nèi)有X方向、Y方向、轉動方向三個約束，以保證框架結構整體有一定的多余約束，形成超靜定結構，提高整體剛構的安全性。

眾所周知，梁剪力主要依靠腹板承擔，彎矩主要依靠翼緣承擔，根據(jù)這種原理，并考慮施工方便的因素，筆者設計了如下的接頭構造。其中圖2為下柱頂端構造，柱頂端設置支托，該支托可作為梁安裝的臨時固定支座，支托下面的加勁豎板可傳遞剪力，支托采用螺栓與梁翼緣連接，可傳遞彎矩。

圖2 下柱頂端構造

下柱和樓層梁連接完成后，留有連接上柱的空腔，如圖3、圖4。再將帶有翼緣蓋板的上柱插入到空腔中，即可完成下柱、樓層梁、上柱的連接，整個連接過程中，剪力依靠梁腹板和下柱支托承擔，彎矩通過梁翼緣傳遞給下柱支托和上柱蓋板，僅用到少量的螺栓。設計計算時，梁上下翼緣的螺栓承載力應大于梁設計彎矩，必要時可在梁端貼焊厚板加強。如果要進一步提高“強柱弱梁”系數(shù)，可在梁端適當位置設計“犬骨”式削弱翼緣，或在框架內(nèi)設置低屈服支撐，使罕遇地震力在“犬骨”位置或低屈服支撐處消耗，保證“強節(jié)點、弱構件”抗震理念的實現(xiàn)（見圖5）。

圖3 樓層梁端構造

圖4 下柱和樓層梁連接完成圖

圖5 下柱、樓層梁、上柱連接完成圖

基于上述“柱-柱承插式剛接接頭構造”和“梁-柱剛接接頭構造”構造的鋼結構整體模型如圖6，由于梁柱剛接的存在，整體結構屬于不可變結構體系，且至少具有2個以上的多余約束，有足夠的安全儲備。

圖6 采用承插式柱-柱連接的多層結構

4 鋼結構承插式連接的適用范圍

綜上所述，鋼結構承插式連接的優(yōu)點有：連接方便、單構件重量小、質量容易保證，可以在缺少大型起重機械時進行安裝。其主要缺點有：安裝間隙較大，加工精度要求較高，運輸變形控制更嚴。

因此，承插式鋼結構主要適用于低層結構，建議層數(shù)不超過3層，尤其適用于臨時建筑如工棚、救災房屋、臨時指揮所等。與現(xiàn)有的臨時性房屋相比，該類承插式鋼結構房屋具有抗二次災害能力強、回收率高、使用成本低、收納簡單等優(yōu)點。

與焊接、螺栓連接等相比，鋼結構承插式連接構造簡單，施工速度快，無現(xiàn)場焊接作業(yè)，質量可靠，施工人員經(jīng)簡短培訓后即可上崗。對于地面潮濕、坑洼等不利條件，采用具有非固定長度的柱-柱承插式連接接頭，通過架空高度可調的底層，組裝前無需進行大規(guī)模的場地平整工作，特別適合防災救災工作中的臨時房屋建設，如圖7。

圖7 具有架空底層的臨時承插式連接鋼結構示意圖

此外，配合阻燃保溫外墻板的安裝，與帳篷、板房等臨時性房屋相比，該類房屋在安全、防火、節(jié)能、配套設施安裝方面都具有較大的優(yōu)勢。同時，由于該類房屋的柱每層設置連接節(jié)點，單根柱重量不超過50kg，可在缺少大型機具時人工安裝，使其應用范圍更廣。其模塊化標準構件，適合發(fā)展工業(yè)化規(guī)?；a(chǎn)，對于我國推進智能制造，減少人力資源消耗存在重要的意義。

5 結束語

截止發(fā)文時，筆者已經(jīng)著手制作了承插式連接結構樣品，其可行性得到了一定程度的驗證。但承插式連接存在的缺點和問題也不容小覷，如防火性能不佳，只能用于低層建筑，跨度不大等等，因此，筆者認為承插式連接至少還需要在以下幾個方面進行深入研究和探索。

（1）承插式連接鋼結構在其適用范圍內(nèi)需要進行進一步論證和試點。

（2）研發(fā)輕質、高強、防火性能佳的圍護結構。

（3）探索采用鋁材代替鋼材，降低單個構件的重量。

（4）進一步探索承插式連接在桁架結構中的應用，以提高結構的跨度，拓展其適用范圍。