張 揚(yáng) 張 滿 龍珊珊

（1.黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑學(xué)院， 湖北 黃岡 438002； 2.湖北天工建筑勘察設(shè)計(jì)有限公司羅田分公司， 湖北 黃岡438002；3.湖北精誠(chéng)鋼結(jié)構(gòu)股份有限公司， 湖北 黃岡 438002）

1 鋼結(jié)構(gòu)連接方式

鋼結(jié)構(gòu)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(shí)間較長(zhǎng)、高空作業(yè)不便、質(zhì)量難以控制；螺栓連接施工時(shí)間較短，但構(gòu)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(diǎn)，也繼承了兩者的缺點(diǎn)，整體來看，螺栓+焊接連接仍然存在施工時(shí)間較長(zhǎng)、質(zhì)量難以控制等缺點(diǎn)。

在一些臨時(shí)性鋼結(jié)構(gòu)中，也可采用承插式連接，承插式連接是指將鋼管構(gòu)件一端的插口插入另一個(gè)鋼管構(gòu)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(diǎn)是安裝拆卸速度快，安裝高度可調(diào)；缺點(diǎn)是連接處間隙較大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)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(shí)踐

早在1963年，我國(guó)五〇三廠冶金建設(shè)公司就設(shè)計(jì)了承插式的鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)建筑，該項(xiàng)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(jìn)行承插式連接，最大跨度可達(dá)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(jí)大風(fēng)的考驗(yàn)。

1988年石油部施工技術(shù)研究所研究并試驗(yàn)了以金屬壓型輕鋼龍骨作為主結(jié)構(gòu)，墻體圍護(hù)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(shí)房屋，并得出了“承插式金屬壓型輕鋼結(jié)構(gòu)具有突出的優(yōu)點(diǎn)”等結(jié)論。

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

上述實(shí)踐案例涵蓋了梁-柱連接節(jié)點(diǎn)、梁-梁連接節(jié)點(diǎn)以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)等一般鋼結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的節(jié)點(diǎn)連接，充分證明了我國(guó)在鋼結(jié)構(gòu)承插式連接范疇有一定的研究和實(shí)踐基礎(chǔ)。

3 承插式鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

3.1 柱-柱承插式剛接接頭構(gòu)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(dāng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)力較大或板厚較小時(shí)，為防止插芯和承口變形，也可將插芯和承口部位加強(qiáng)。

圖1 具有固定長(zhǎng)度的承插式柱-柱連接基本構(gòu)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(diǎn)中，內(nèi)力傳遞路徑及控制變形的構(gòu)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(shè)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(gòu)造措施

從表1中可以看出，承插式連接構(gòu)造合理時(shí)，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(dāng)插芯較短時(shí)，承插式連接節(jié)點(diǎn)會(huì)有一定程度的轉(zhuǎn)動(dòng)，不配置安裝螺栓時(shí)，可以按鉸接考慮。

3.2 梁-柱剛接接頭構(gòu)造

在框架結(jié)構(gòu)中，梁-柱接頭一般為剛接，即柱對(duì)梁在平面內(nèi)有X方向、Y方向、轉(zhuǎn)動(dòng)方向三個(gè)約束，以保證框架結(jié)構(gòu)整體有一定的多余約束，形成超靜定結(jié)構(gòu)，提高整體剛構(gòu)的安全性。

眾所周知，梁剪力主要依靠腹板承擔(dān)，彎矩主要依靠翼緣承擔(dān)，根據(jù)這種原理，并考慮施工方便的因素，筆者設(shè)計(jì)了如下的接頭構(gòu)造。其中圖2為下柱頂端構(gòu)造，柱頂端設(shè)置支托，該支托可作為梁安裝的臨時(shí)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(gòu)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(gè)連接過程中，剪力依靠梁腹板和下柱支托承擔(dān)，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(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，梁上下翼緣的螺栓承載力應(yīng)大于梁設(shè)計(jì)彎矩，必要時(shí)可在梁端貼焊厚板加強(qiáng)。如果要進(jìn)一步提高“強(qiáng)柱弱梁”系數(shù)，可在梁端適當(dāng)位置設(shè)計(jì)“犬骨”式削弱翼緣，或在框架內(nèi)設(shè)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(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”抗震理念的實(shí)現(xiàn)（見圖5）。

圖3 樓層梁端構(gòu)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(gòu)造”和“梁-柱剛接接頭構(gòu)造”構(gòu)造的鋼結(jié)構(gòu)整體模型如圖6，由于梁柱剛接的存在，整體結(jié)構(gòu)屬于不可變結(jié)構(gòu)體系，且至少具有2個(gè)以上的多余約束，有足夠的安全儲(chǔ)備。

圖6 采用承插式柱-柱連接的多層結(jié)構(gòu)

4 鋼結(jié)構(gòu)承插式連接的適用范圍

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)承插式連接的優(yōu)點(diǎn)有：連接方便、單構(gòu)件重量小、質(zhì)量容易保證，可以在缺少大型起重機(jī)械時(shí)進(jìn)行安裝。其主要缺點(diǎn)有：安裝間隙較大，加工精度要求較高，運(yùn)輸變形控制更嚴(yán)。

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

與焊接、螺栓連接等相比，鋼結(jié)構(gòu)承插式連接構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工速度快，無現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)，質(zhì)量可靠，施工人員經(jīng)簡(jiǎn)短培訓(xùn)后即可上崗。對(duì)于地面潮濕、坑洼等不利條件，采用具有非固定長(zhǎng)度的柱-柱承插式連接接頭，通過架空高度可調(diào)的底層，組裝前無需進(jìn)行大規(guī)模的場(chǎng)地平整工作，特別適合防災(zāi)救災(zāi)工作中的臨時(shí)房屋建設(shè)，如圖7。

圖7 具有架空底層的臨時(shí)承插式連接鋼結(jié)構(gòu)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(shí)性房屋相比，該類房屋在安全、防火、節(jié)能、配套設(shè)施安裝方面都具有較大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，由于該類房屋的柱每層設(shè)置連接節(jié)點(diǎn)，單根柱重量不超過50kg，可在缺少大型機(jī)具時(shí)人工安裝，使其應(yīng)用范圍更廣。其模塊化標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，適合發(fā)展工業(yè)化規(guī)模化生產(chǎn)，對(duì)于我國(guó)推進(jìn)智能制造，減少人力資源消耗存在重要的意義。

5 結(jié)束語(yǔ)

截止發(fā)文時(shí)，筆者已經(jīng)著手制作了承插式連接結(jié)構(gòu)樣品，其可行性得到了一定程度的驗(yàn)證。但承插式連接存在的缺點(diǎn)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(rèn)為承插式連接至少還需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究和探索。

（1）承插式連接鋼結(jié)構(gòu)在其適用范圍內(nèi)需要進(jìn)行進(jìn)一步論證和試點(diǎn)。

（2）研發(fā)輕質(zhì)、高強(qiáng)、防火性能佳的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

（3）探索采用鋁材代替鋼材，降低單個(gè)構(gòu)件的重量。

（4）進(jìn)一步探索承插式連接在桁架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，以提高結(jié)構(gòu)的跨度，拓展其適用范圍。