采用承插式连接的临时钢结构可行性研究

张 扬 张 满 龙珊珊

（1.黄冈职业技术学院建筑学院， 湖北 黄冈 438002； 2.湖北天工建筑勘察设计有限公司罗田分公司， 湖北 黄冈438002；3.湖北精诚钢结构股份有限公司， 湖北 黄冈 438002）

1 钢结构连接方式

钢结构工程安装的主要连接方式有：螺栓（铆钉）连接、焊接连接、螺栓+焊接连接。三种主要的连接方式之中，焊接连接施工时间较长、高空作业不便、质量难以控制；螺栓连接施工时间较短，但构件截面削弱较大；螺栓+焊接连接是指腹板采用螺栓连接，翼缘采用焊接连接，这种连接方式既吸取了两者的优点，也继承了两者的缺点，整体来看，螺栓+焊接连接仍然存在施工时间较长、质量难以控制等缺点。

在一些临时性钢结构中，也可采用承插式连接，承插式连接是指将钢管构件一端的插口插入另一个钢管构件的承口内，并使连接接头具有传递轴力、剪力以及弯矩的一种连接方式。承插式连接的主要优点是安装拆卸速度快，安装高度可调；缺点是连接处间隙较大，导致结构位移偏大，不适合大跨度和层数较多的建筑。

2 承插式连接的工程实践

早在1963年，我国五〇三厂冶金建设公司就设计了承插式的钢结构临时建筑，该项目利用废钢筋和废钢板焊接桁架，桁架两端采用钢筋与套管进行承插式连接，最大跨度可达18m，总体建筑面积2000余m2，可承受1.5kN/m2的荷载，经受了两次七级大风的考验。

1988年石油部施工技术研究所研究并试验了以金属压型轻钢龙骨作为主结构，墙体围护板和屋面板直接插在卷边工字型轻钢龙骨内的快速组装式临时房屋，并得出了“承插式金属压型轻钢结构具有突出的优点”等结论。

合肥工业大学夏珊研究了在高速公路F型刚架结构广告牌中采用了承插式连接技术的可行性，并进行了力学基本理论，模型试验及有限元三方面的分析，论证了承插式连接在F型刚架结构广告牌横梁中应用的可行性。

上述实践案例涵盖了梁-柱连接节点、梁-梁连接节点以及围护结构与主体结构连接节点等一般钢结构关键部位的节点连接，充分证明了我国在钢结构承插式连接范畴有一定的研究和实践基础。

3 承插式钢结构节点构造

3.1 柱-柱承插式刚接接头构造

承插式柱-柱刚接接头，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，一般情况下承口部位可不做处理，如图1。但当节点内力较大或板厚较小时，为防止插芯和承口变形，也可将插芯和承口部位加强。

图1 具有固定长度的承插式柱-柱连接基本构造

承插式连接与其他连接一样，必须满足轴力、剪力、弯矩的传递，在图1的柱-柱承插式连接节点中，内力传递路径及控制变形的构造措施见表1。为减小安装间隙和增加施工安全保障，可在承件和插芯中设置安装螺栓。

表1 承插式柱-柱连接的内力传递路径与控制变形的构造措施

从表1中可以看出，承插式连接构造合理时，是可以作为刚接使用的，但由于制作偏差和安装间隙的需要，承插式连接中的插芯外径比承口内径小4～6mm，当插芯较短时，承插式连接节点会有一定程度的转动，不配置安装螺栓时，可以按铰接考虑。

3.2 梁-柱刚接接头构造

在框架结构中，梁-柱接头一般为刚接，即柱对梁在平面内有X方向、Y方向、转动方向三个约束，以保证框架结构整体有一定的多余约束，形成超静定结构，提高整体刚构的安全性。

众所周知，梁剪力主要依靠腹板承担，弯矩主要依靠翼缘承担，根据这种原理，并考虑施工方便的因素，笔者设计了如下的接头构造。其中图2为下柱顶端构造，柱顶端设置支托，该支托可作为梁安装的临时固定支座，支托下面的加劲竖板可传递剪力，支托采用螺栓与梁翼缘连接，可传递弯矩。

图2 下柱顶端构造

下柱和楼层梁连接完成后，留有连接上柱的空腔，如图3、图4。再将带有翼缘盖板的上柱插入到空腔中，即可完成下柱、楼层梁、上柱的连接，整个连接过程中，剪力依靠梁腹板和下柱支托承担，弯矩通过梁翼缘传递给下柱支托和上柱盖板，仅用到少量的螺栓。设计计算时，梁上下翼缘的螺栓承载力应大于梁设计弯矩，必要时可在梁端贴焊厚板加强。如果要进一步提高“强柱弱梁”系数，可在梁端适当位置设计“犬骨”式削弱翼缘，或在框架内设置低屈服支撑，使罕遇地震力在“犬骨”位置或低屈服支撑处消耗，保证“强节点、弱构件”抗震理念的实现（见图5）。

图3 楼层梁端构造

图4 下柱和楼层梁连接完成图

图5 下柱、楼层梁、上柱连接完成图

基于上述“柱-柱承插式刚接接头构造”和“梁-柱刚接接头构造”构造的钢结构整体模型如图6，由于梁柱刚接的存在，整体结构属于不可变结构体系，且至少具有2个以上的多余约束，有足够的安全储备。

图6 采用承插式柱-柱连接的多层结构

4 钢结构承插式连接的适用范围

综上所述，钢结构承插式连接的优点有：连接方便、单构件重量小、质量容易保证，可以在缺少大型起重机械时进行安装。其主要缺点有：安装间隙较大，加工精度要求较高，运输变形控制更严。

因此，承插式钢结构主要适用于低层结构，建议层数不超过3层，尤其适用于临时建筑如工棚、救灾房屋、临时指挥所等。与现有的临时性房屋相比，该类承插式钢结构房屋具有抗二次灾害能力强、回收率高、使用成本低、收纳简单等优点。

与焊接、螺栓连接等相比，钢结构承插式连接构造简单，施工速度快，无现场焊接作业，质量可靠，施工人员经简短培训后即可上岗。对于地面潮湿、坑洼等不利条件，采用具有非固定长度的柱-柱承插式连接接头，通过架空高度可调的底层，组装前无需进行大规模的场地平整工作，特别适合防灾救灾工作中的临时房屋建设，如图7。

图7 具有架空底层的临时承插式连接钢结构示意图

此外，配合阻燃保温外墙板的安装，与帐篷、板房等临时性房屋相比，该类房屋在安全、防火、节能、配套设施安装方面都具有较大的优势。同时，由于该类房屋的柱每层设置连接节点，单根柱重量不超过50kg，可在缺少大型机具时人工安装，使其应用范围更广。其模块化标准构件，适合发展工业化规模化生产，对于我国推进智能制造，减少人力资源消耗存在重要的意义。

5 结束语

截止发文时，笔者已经着手制作了承插式连接结构样品，其可行性得到了一定程度的验证。但承插式连接存在的缺点和问题也不容小觑，如防火性能不佳，只能用于低层建筑，跨度不大等等，因此，笔者认为承插式连接至少还需要在以下几个方面进行深入研究和探索。

（1）承插式连接钢结构在其适用范围内需要进行进一步论证和试点。

（2）研发轻质、高强、防火性能佳的围护结构。

（3）探索采用铝材代替钢材，降低单个构件的重量。

（4）进一步探索承插式连接在桁架结构中的应用，以提高结构的跨度，拓展其适用范围。