榫卯連接在鋼結(jié)構(gòu)中運(yùn)用的探討

陳國(guó)榮 西南科技大學(xué)

1.目前鋼結(jié)構(gòu)中主要的連接方式

鋼結(jié)構(gòu)作為一種比較新穎的結(jié)構(gòu)被廣泛運(yùn)用于各種形式的建筑，比如廠房、體育館、橋梁、輸電塔等。鋼結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有輕質(zhì)高強(qiáng)、韌性好、塑性好、材質(zhì)均勻、可靠度高、機(jī)械化程度高、可回收再利用、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。但鋼結(jié)構(gòu)的連接方式較為單一，常見(jiàn)的有焊接、螺栓連接和鉚釘連接。鉚釘連接現(xiàn)在很少使用。通常在建筑中會(huì)混合使用多種連接方式以充分發(fā)揮每種連接方式的優(yōu)點(diǎn)。

1.1 焊接

焊接是一種非常常見(jiàn)的連接方式，焊接的適用范圍廣，不受材料形狀的限制，焊縫強(qiáng)度高。但是焊接對(duì)材料的厚度有限制，影響焊縫質(zhì)量的不確定因素很多，比如需要工人有良好的焊接技術(shù)，需要有合適的焊接方位，要考慮引弧滅弧的影響等。焊接屬于剛性連接，在震動(dòng)的作用下容易發(fā)生疲勞破壞，應(yīng)力集中現(xiàn)象比較明顯。

1.2 螺栓連接

螺栓連接可分為普通螺栓連接和高強(qiáng)螺栓連接，螺栓連接施工方便便于拆卸，但是它常用于較薄構(gòu)件之間的連接，使用螺栓增加了結(jié)構(gòu)的重量，在施工時(shí)需要打孔，增加工作量。由于螺栓與構(gòu)件的材質(zhì)通常不一樣，在電化學(xué)作用下，連接處容易銹蝕。在受力較大的場(chǎng)合需要預(yù)緊和采取防松動(dòng)措施，此外，高強(qiáng)螺栓的價(jià)格較貴，需要考慮經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。

2.榫卯連接

2.1 榫卯連接的幾種形式

榫卯連接是我國(guó)木結(jié)構(gòu)中常用的連接方式，榫卯連接多種多樣，連接豎向構(gòu)件時(shí)一般使用管腳榫；橫向構(gòu)件和豎向構(gòu)件的連接一般使用饅頭榫，比如梁和柱的連接；同一平面內(nèi)不同方向構(gòu)件搭接通常使用扣榫；直榫常用于需要穿插處的連接；此外，燕尾榫是木結(jié)構(gòu)中運(yùn)用最廣泛的連接形式，它的受力性能好，不易脫卯。

2.2 榫卯連接的受力性能介紹

眾所周知，木結(jié)構(gòu)的建筑一般都具有良好的抗震性能，這除了和木材本身的性質(zhì)有關(guān)外，還與建筑所使用的連接方式有很大關(guān)系。有人對(duì)西安木結(jié)構(gòu)鼓樓做了分析，發(fā)現(xiàn)地震傳遞給結(jié)構(gòu)的能量有30%多的能量是由榫卯連接處吸收的，可見(jiàn)榫卯連接在抗震方面能夠起到很大的作用。

從受力方面來(lái)看，直榫和燕尾榫比較典型，在靜力情況下，榫卯連接在受力初期，榫頭和卯口產(chǎn)生摩擦，兩者之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，此時(shí)榫頭相對(duì)還可產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著荷載的增大，卯口提供豎向力抵抗外力作用，榫頭卯口相互擠緊，限制了榫頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)的剛度提高，能夠繼續(xù)承擔(dān)彎矩，隨后卯口和榫頭出現(xiàn)局部受壓，兩者均出現(xiàn)較大的擠壓變形，直到榫頭或卯口破壞，榫頭脫出卯口，結(jié)構(gòu)失效喪失承載力。在上述過(guò)程中可以明顯看出榫卯連接是一種半剛性連接，前期能夠產(chǎn)生較大的位移和變形，在受力過(guò)程中，隨時(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配，使之更趨于合理化，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

3.鋼結(jié)構(gòu)中運(yùn)用榫卯連接的優(yōu)點(diǎn)探討

榫卯連接相較與焊接，能夠有效避免焊接這種剛性連接帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)，比如焊接存在的應(yīng)力集中、脆性破壞等。焊接對(duì)工人技術(shù)要求高，而榫卯連接方便，操作簡(jiǎn)單，避免繁瑣復(fù)雜高強(qiáng)度的現(xiàn)場(chǎng)工作，需要的榫頭卯口可標(biāo)準(zhǔn)化，在工廠直接澆鑄成型，運(yùn)到工地直接使用，有利于裝配式建筑的發(fā)展。榫卯連接相較于螺栓連接，能夠擺脫構(gòu)件厚度的限制，節(jié)約材料，更加經(jīng)濟(jì)，使建筑物的外觀更加具有美感。當(dāng)建筑物遭到破壞或者需要拆除時(shí)，榫卯的連接方式能夠很容易拆卸，可以重復(fù)利用原有建筑的材料，拆卸的工作量也相應(yīng)的減少了。

鋼結(jié)構(gòu)與榫卯連接這兩個(gè)一古一今的組合，能夠給人們帶來(lái)別致的感覺(jué)，研究這兩者的組合，拓展其應(yīng)用范疇，能夠豐富并且發(fā)展建筑文化，繼承我國(guó)傳統(tǒng)優(yōu)良的建筑技術(shù)；鋼結(jié)構(gòu)中良好的連接方式能提高建筑結(jié)構(gòu)的可靠度還能簡(jiǎn)化施工工藝，標(biāo)準(zhǔn)化建造工藝，提高經(jīng)濟(jì)效益，與此同時(shí)，這樣能夠有效促進(jìn)裝配式建筑的發(fā)展。種類繁多的卯榫連接法不僅解決了鋼結(jié)構(gòu)連接方式的單一性問(wèn)題，而且也能提高鋼結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)處的力學(xué)性能。多類的連接方式必將會(huì)為更多類型的建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展帶來(lái)可能，促進(jìn)裝配式建筑的發(fā)展，減少建筑業(yè)的能耗，保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

4.結(jié)語(yǔ)

在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，我們應(yīng)該發(fā)揮多種連接方式各自的優(yōu)越性能，使利益最大化?，F(xiàn)在社會(huì)對(duì)建筑業(yè)的節(jié)能環(huán)保要求更高，應(yīng)倡導(dǎo)較為環(huán)保的建筑形式。時(shí)下，鋼木組合結(jié)構(gòu)也成為一個(gè)比較熱門的話題，這種結(jié)構(gòu)形式融合了木材和鋼材，在連接方面就存在著更多的問(wèn)題，除了螺栓連接外，榫卯連接也能夠解決一部分難題，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展的歷程中，尋求貼切完美的結(jié)構(gòu)形式，組合方式，力求建筑集安全可靠、實(shí)用耐久、美觀大方于一身。