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        采用承插式連接的臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)可行性研究

        2022-03-02 06:36:36龍珊珊
        四川水泥 2022年1期
        關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)

        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(lái)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(jiàn)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(guò)程中,剪力依靠梁腹板和下柱支托承擔(dān),彎矩通過(guò)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(jiàn)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(guò)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(wú)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(guò)架空高度可調(diào)的底層,組裝前無(wú)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(guò)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)?;a(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(wèn)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。

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