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钢结构连接节点研究

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摘要:

随着社会经济的发展,现有的钢结构连接节点已经不能满足工程的实际使用需要,因此,相关工作人员要不断总结施工经验,明确钢结构连接节点的特点,以期为日后的工作提供参考。

关键词:

钢结构;焊接连接;螺栓;铆钉

虽然日常生活中常见的建筑物从表面上看是一个整体,但它是由许许多多的小部件连接而成的,尤其是钢结构建筑物。为了保证钢结构建筑物的承载力和整体刚度,需将许多小部件有效地连接起来。要想保证工程质量,保证钢结构建筑物各部件连接的牢固性,节点的连接强度要与构件的自身强度保持一致。在施工过程中,节点所采用的施工工艺和连接方法是重点。本着安全、可靠和经济、方便的原则,施工时采用的连接方法也不相同。在钢结构连接节点中,焊缝连接是最常见的,而螺栓连接的利用率也比较高。铆钉连接不仅对施工工艺有较高的要求,而且施工工序也比较复杂,所以,应用得比较少。

1焊缝连接

焊接连接在工程中的利用率比较高,基本所有的钢结构构件都可以采用这种方法。采用这种连接方法时,不仅对钢结构构造的要求少,而且施工工艺也简单,不会因为焊缝的存在而削弱截面强度,结构整体不会发生大的变形,刚度也比较强。在焊接管道的过程中,采用这种方法能够保证结构的密闭性,实现自动化操作。焊接连接与其他连接方法相比更为经济,其操作过程也已经实现了自动化。但是,这种连接方法的缺点也比较明显。由于局部受热,钢材的化学构造有所变化,许多元素的含量也发生了变化,导致结构容易受到脆性破坏。在施工过程中,要保证焊接后节点处没有裂缝。因为裂缝的存在会使节点承受较大的力而产生新的裂缝,它会沿着之前的裂缝迅速蔓延。在焊接的过程中,加热、散热不均匀,残余应力和残余应变的存在都会导致结构受到荷载时断裂。焊接方法主要有4种:①手工电弧焊。利用电弧产生的3000℃的高温将涂有药皮的、与焊件钢材相似的焊条滴落在熔池中。药皮的作用是保护焊缝,降低焊缝的脆性。这种焊法很难控制,对工人的操作水平也有很高的要求。②埋弧焊有自动和半自动2种操作方式,其生产效率高,所形成的焊缝结构均匀,力学性能好。焊接时间越短,残余应变和残余应力对焊缝的影响就越小。与手工电弧焊相比,这种焊接方法装配精密,埋弧焊中没有药皮,而是多了焊剂。因为电弧埋在焊剂的下面,热量集中,所以,多将其用于厚杆件的焊接工程中。③气体保护焊与埋弧焊相反,它适用于一些比较薄、比较小的焊件。在焊接过程中,它用气体的保护代替了药皮,将焊缝与有害气体隔绝起来,而且焊缝熔化区内并没有熔渣,施工人员可以清晰地看到焊缝的形成过程。④电阻焊主要运用的是电流在电阻中产生的热量,用热量熔化金属,再利用外界传递的压力完成焊接工作。一般情况下,这种焊接方法的使用率并不高,它主要被用于6~12mm厚钢板的连接工程中。因为焊缝的连接方式不同,所以,可以将其分为对接焊缝、搭接焊缝、T形连接焊缝和角焊缝。对接焊缝适用于板件相等,构件在同一个平面内,力量传递比较均匀,没有明显的过渡,用料也比较少的结构连接工程中。但是,这种方法的焊接尺寸小,对焊接技术有很高的要求,而且焊件边缘和焊口也要提前加工。搭接焊缝适用于厚度不同的板件。这种焊法不仅会浪费焊材,还会影响传力效果,但是,它操作简单,所以被广泛应用。T形连接焊缝与其他的焊缝没什么不同,只是连接杆件的形式不同。角焊缝的种类比较多,它适用于大的、特大的构件连接工程。在施工过程中,如果构件之间有缝隙,则会出现应力集中的情况。焊接残余应变和残余应力是影响焊缝质量的关键。要想保证焊缝质量,就要减小这两种不利因素对焊接工艺的影响。在焊缝设计方面,焊缝要尽量小。如果焊缝较大,不仅会浪费焊材,还会将焊接缺陷完全表现出来。另外,焊接设计要合理,要减少不必要的焊缝,而且焊缝不能过于密集,要尽量减少交叉数量。如果母板的同一个位置加热很多次,热量就会过于集中,焊接变形就会增大,进而导致母板的化学组织和物理组织被破坏。与此同时,要合理选择焊缝的位置——焊缝要尽可能设置在应力较小的地方,使其对称于截面的中轴。这样做,可以减小焊缝的直接受力,减小焊缝的变形。在施工过程中,采用合理的施工工艺是很必要的。在焊接前,可以给焊件一个相反的预变形,以此抵消焊接变形。在焊接过程中,焊接顺序要合理,以减小焊接应力。待焊接工作完成后,可以用锤击或者碾压的方法加工焊缝,使其得到相应的延伸,从而降低焊接应力。对于小的焊件,焊前要预热,焊后回火也是减小残余应变和应力的有效方法之一。

2螺栓连接

螺栓是一种机械零件,将其与螺母配套使用是一种有效的连接方式。利用它可以紧固2个带有通孔的构件。螺栓连接是一种可拆卸、重复使用的连接方式。螺栓连接的应用范围比较广——在建筑、铁道、车辆等工业工程中,螺栓连接的使用率较高。因为它具有施工方便、施工效率高、强度大、循环利用率高和造价低等优点,所以,受到了各行各业施工人员的青睐。螺栓分为普通螺栓和高强度螺栓。普通螺栓根据制作的精细程度可分为精致螺栓和粗糙螺栓;高强度螺栓是用抗拉强度高的钢材制成的,它主要应用于具有较高力学要求的连接工程中。使用普通螺栓连接构件时,要尽量少使用螺栓,而且对螺栓群的排列也有一定的要求。一般情况下,螺栓数不能少于1个,以防1个螺栓损坏导致整个接头被破坏的情况发生。在施工过程中,一个节点处可以使用2个以上的螺栓。螺栓排列可以分为并列和错列2种。螺栓到焊件边缘的距离不宜过小,否则容易导致钢材端部断裂;各个螺栓之间的距离也不宜过小,一旦施加一定的力,螺栓之间的钢材就会变为整个构件的应力集中处,进而使这个部位的钢材发生脆性断裂。在螺栓工作的过程中,当其受力较小时,主要依靠的是接触面的摩擦力,螺栓杆基本不受力;当其受力不断加大,摩擦力已经不能满足相关要求时,板件之间会有相对的滑移,螺栓杆会与构件截面接触而受力。普通螺栓往往承受的是剪力和拉力,当这两种力超过钢材的极限抗剪强度和极限抗拉强度时,钢结构会断裂,最终导致其整体被破坏。端部的钢板冲剪破坏和螺栓杆的弯曲破坏可以利用构造法解决,而其他的破坏只能通过施工前的计算来控制。高强度螺栓主要是利用栓杆产生的预应力完成工作的。常见的螺栓有大六角头螺栓和扭剪型螺栓。采用螺栓连接的关键在于控制预拉力,保证摩擦面的抗滑能力。对于大六角头螺栓,控制预拉力时可以采用力矩法和转角法。在工程中使用抗剪型螺栓时,要用特殊的电动扳手将其拧紧,安装后一般不拆卸。这种连接方法比较简单,不需要特殊的操作即可保证其质量,只需拧紧即可。

3铆钉连接

铆钉是由头部和钉杆构成的一类紧构件,它主要是通过自身变形产生的摩擦力完成连接工作,具体的连接方法有冷铆法和热铆法。现在的建筑主要采用的是热铆法,即先给铆钉加热,使其高温膨胀,然后迅速将铆钉打入铆孔。铆钉冷却后会收缩,但是,收缩变形过程会被两侧的钢板阻止。铆钉连接的特点是工艺简单、连接可靠、抗冲击性强,与焊接相比,它的缺点是噪声大、生产效率低,能削弱15%~20%的被连接构件等。与焊接相比,铆钉连接的经济性不强。铆钉连接的力学性能比较好,它能应用于建筑结构、铁路桥梁和锅炉制造等工程中。但是,当其被破坏时很容易发现,而且制作难度大、施工困难、抗拉强度低,工程中已经不再使用。目前,使用率较高的连接方法是焊接和高强螺栓连接,使用铆钉连接的工程已经越来越少。铆钉连接仅应用于焊接和螺栓连接受到限制或振动荷载较大的金属结构中,例如铁路桥梁、重型机械和起重机机架等。现阶段,航空领域或飞行器、非金属元件(汽车摩擦片或闸带)等制造工程还是以铆钉连接为主。

4总结

要想更好地使用钢结构,构件的连接至关重要。连接节点的质量决定了整个钢结构的稳定性,不管采用哪种连接方法,保证节点的安全性和稳定性是最重要的。每种焊接方法都有其使用范围和优缺点,因此,在施工过程中,不仅要保证连接方式的安全性和稳定性,还要确保施工方法简单、可操作。如果将这三种连接方法有机结合起来,取长补短,将会是一种新的连接方法。但是,这种连接方法还需要不断的实践,要确保其经济性和安全性。在连接手段和工艺的创新方面我们还有很长的路要走。

参考文献

[1]李星荣.钢结构连接节点设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

[2]荆军,王元清.门式刚架轻型钢结构端板连接节点性能研究与设计[J].建筑结构,2000,30(4):16-19.

[3]李少甫.钢结构的螺栓端板连接[J].建筑结构,1998(8):24-26.

[4]施刚,石永久,王元清,等.钢结构半刚性端板连接的设计方法与应用[J].工业建筑,2003,33(8):52-55

作者:霍建梅 单位:山西旅游职业学院

钢结构连接节点研究责任编辑:沈应婷    阅读:人次