关于钢结构连接方式优劣的探讨

摘 要：众所周知，钢结构是由钢板、型钢通过必要的连接组成构件，各构件再通过一定的安装连接而形成整体结构。连接部分应有足够的承载力、刚度及延性。被连接构件应保持正确的相互位置，以满足传力和使用要求。连接的加工和安装比较复杂、费工，因此选定合适的连接方案和节点构造是钢结构设计的重要环节，连接性能的优劣直接会影响到结构的安全和寿命。因此，对于钢结构连接的研究成为重中之重［1］。

关键词：连接 承载力 刚度

本文主要介绍钢结构连接的两种主要方式，并综合了两者的优缺点，对以后工程上的应用有一定的借鉴和参考意义，目前国内外对钢结构连接的研究一直处于不断更新的状态下，中国工程物理研究院总体工程研究所陈忠福和张方举就对螺栓连接在武器中的应用做了细致的研究［2，3］。美国和中国在进行节点计算时所采用的计算方法也是不同，国内采用最简单的有效截面法［4］，美国采用均力法［5，6］。

1 焊接连接

焊接连接有两种方式：对接焊缝以及角焊缝，对接焊缝又可以分为对接正焊缝和对接斜焊缝，角焊缝可以分为正面角焊缝、侧面角焊缝和斜角焊缝。焊缝连接的优点很多，首先不需要再钢材上打孔钻眼，既省工又不减损钢材截面，使材料可以充分利用；其次，任何形状的构件都可以直接相连，不需要辅助零件，构造简单；第三，钢结构连接的密封性能好，结构刚度大。但是，焊缝连接的缺点也是客观存在的。首先，

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施焊的高温作用形成焊缝附近的热影响区，使钢材的金属组织和力学性能发生变化，材质变脆；其次，焊接残余应力使焊接结构发生脆性破坏的可能性增大，残余变形使焊件尺寸和形状发生变化，矫正费工；最后，焊接对结构整体性不利的一面是，局部裂缝一经发生便容易扩展到整体，焊接结构低温冷脆问题比较突出。此外，焊接过程的主要缺陷裂纹应当引起人们的重视，共有三种裂纹形式：热裂纹，冷裂纹以及钢板厚度方向的层间撕裂。众所周知，钢结构成材的过程可以分为四个阶段，冶炼、浇铸、轧制和热处理，另外化学元素也是控制钢材性能的重要因素。O、S能够引起钢材热脆现象，这也是引起钢材焊接过程中热裂纹的主要因素。N、P能够引起钢材冷脆的主要因素，因此也是冷裂纹的主要诱因。总之热裂纹和冷裂纹产生的主要因素首先是由于施焊过程中的不均匀加热，其次是因为有害化学元素的超标导致的，解决两种裂纹最好的方式是施焊过程采用自动焊，提前预热并加引弧板的方式，控制有害化学元素含量，适当加入有益元素，焊接之后再进行热处理的措施解决。第三种裂纹是沿厚度方向的层间裂纹：钢材和木材一样并非是一种各向同性的材料，沿纵向的性能要明显的优于横向的性能，为了提高钢材的性能我们在轧制过程中采用多次辊軋的措施来减少各向异性性能，这也是解决层间撕裂的最好方法。

2 螺栓连接

螺栓连接可以分为普通螺栓和高强度螺栓，普通螺栓分为3个质量等级：A级B级和C级，强度有两个4.6级和4.8级。高强度螺栓可以分为摩擦型高强度螺栓和承压型高强度螺栓两类，质量等级有10.9级和

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8.8级。螺栓连接的优点也很多，第一，连接可靠边，在钢结构连接中很多地方焊接是很难实现的，螺栓却可以解决这个困难；第二，施工快捷，螺栓连接不需要预热处理，直接用扳手拧上即可，减少了对钢材的损害；第三，装拆方便，螺栓连接受力可以分为四个阶段，摩擦力传力阶段，滑移阶段，弹性阶段和弹塑性阶段。一般情况下螺栓使用都不会超过第三个阶段，因此可以重复利用。但是，螺栓连接的缺点也是不能忽视的。第一，螺栓连接容易松动。在施加扭力的时候很难控制力度的大小，一旦结构承受动力荷载时，只要有缝隙的存在就会不断被扩大；其次，制孔精度差，螺栓的孔径d0要求比螺栓直径d大1mm－2mm左右，但是在实际过程中很难控制这个质量，而且经常会出现冲孔不均匀、冲出斜孔之类的现象，给施工造成困难。螺栓连接的破坏形式有很多，首先如果螺栓杆太细钢板太厚就会发生栓杆被剪断的现象；其次，如果栓杆太粗而钢板太薄的话就会发生钢板被螺栓杆挤压而形成的孔壁承压破坏；第三，如果所开的螺栓孔过多的话会造成钢板截面消弱过大而发生的净截面破坏。以上三种破坏形式无法通过构造措施来解决只能通过计算来保证。还有两种破坏是可以通过构造措施来解决的，一种是螺栓距离端部较近而发生的端部冲剪破坏，解决方式是限制端距≥2d0，另一种是由于螺栓杆过长叠板太厚而发生的栓杆弯曲破坏，解决方式是限制栓杆长度≤5d。

3 铆钉连接

铆钉连接是利用铆钉将两个或两个以上的元件（一般为板材或型材）连接在一起的一种不可拆卸的静联接，简称铆接。铆钉有空心和实

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心两大类。最常用的铆接是实心铆钉连接。实心铆钉连接多用于受力大的金属零件的连接，空心铆钉连接用于受力较小的薄板或非金属零件的连接。铆接在建筑、锅炉制造、铁路桥梁和金属结构等方面均有应用，铆接的主要特点是：工艺简单、联接可靠、抗振、耐冲击。与焊接相比，其缺点是：结构笨重，铆孔削弱被联接件截面强度15%～20%，操作劳动强度大、噪声大，生产效率低。因此，铆接经济性和紧密性不如焊接。相对螺栓连接而言，铆接更为经济、重量更轻，适于自动化安装。但铆接不适于太厚的材料、材料越厚铆接越困难，一般的铆接不适于承受拉力，因为其抗拉强度比抗剪强度低得多。目前由于焊接和高强度螺栓连接的发展，铆接的应用已经逐渐减少，只是在承受严重冲击或剧烈振动载荷的金属结构上或焊接技术受到限制的场合，如起重机机架、铁路桥梁、造船、重型机械等方面尚有应用，但航空和航天飞行器现仍以铆接为主。此外，在非金属元件的连接（如制动闸中的摩擦片与闸靴或闸带的联接）中有时也采用铆钉连接。

4 其他连接方式

钢结构连接的其他紧固件还有自攻钉、拉铆钉和射钉。自攻钉是在金属或非金属材料之预钻孔中自行攻钻出所配合阴螺纹的一种有螺纹扣件。具有高拉力，单件，单边组合特色。由于其自行成型或攻出其配合螺纹，因此在组合上具有高防松能力，且可以装卸。在小形螺丝上其尺寸，螺纹型式，头型，攻钻性能在工程用途上几乎无可限量。拉铆钉，又称哈克拉铆钉或哈克（HUCK）螺栓，是利用虎克定律原理，用拉铆钉专用设备将2个结合件夹紧后，将套入的环状套环（或称不带螺纹的螺

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帽）的金属挤压并充满到带有多条环状沟槽的栓柱的凹槽内，使套环与栓柱严密结合的一种紧固方式。因此，每根拉铆钉紧固件在组装完成后具有相同的紧固力及永不松动等特性。拉铆钉紧固件可用于一般需栓接或铆接的部件。由于拉铆钉紧固件所产生的高紧固力、永不松动及高抗剪力等性能，拉铆钉紧固件也经常被用来取代焊接。射钉是利用发射空包弹产生的火药燃气作为动力，打入建筑体的钉子。通常由一颗钉子加齿圈或塑料定位卡圈构成。齿圈和塑料定位卡圈的作用是把钉身固定在射钉枪枪管中，以免击发时侧偏。

5 结束语

钢结构的连接方式是多种多样的，每一种连接方式都有自己的优点也有缺点，现阶段钢结构连接的最主要的两种方式仍然是焊接连接和螺栓连接，而且这两者在世界人民的心中已经有了深刻的认识。因此，首先我们要做到的是对钢结构连接方式的更深层次的理解；再次，我们要熟悉这两种连接方式的优点和缺点，在合适的地方采用合适的连接方式，尽量避免各自的短处；最后，我们要努力开发研究新的连接方式，世界是在不断进步的，我们要积极思考，争取用最简单的方法解决最困难的事情。

参考文献：

［1］陈绍蕃.钢结构基础（第三版）［M］.中国建筑工业出版社，2013.

［2］陈忠富，张方举.螺栓连接结构的实验研究［A］.第十二届全国实验力学学术会议论文摘要集［C］，2009.

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［3］万强，肖世富，张方举，何鹏.螺栓连接结构冲击试验不确定性分析［A］.第十二届全国实验力学学术会议论文摘要集［C］，2009.

［4］中华人民共和国建设部.GB50017－2003钢结构设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2003.

［5］胡淑军，李俞谕，徐其功，周金，等.中、美规范钢结构连接节点优化设计［J］.科学技术与工程，2010，10（5）：1293－1296.

［6］杨伟兴.有关钢结构梁柱节点连接方法的分析和探讨［J］.科技资讯，2010（05）.

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