榫卯連接在鋼結構中運用的探討

陳國榮 西南科技大學

1.目前鋼結構中主要的連接方式

鋼結構作為一種比較新穎的結構被廣泛運用于各種形式的建筑，比如廠房、體育館、橋梁、輸電塔等。鋼結構較傳統的鋼筋混凝土結構有輕質高強、韌性好、塑性好、材質均勻、可靠度高、機械化程度高、可回收再利用、節能環保等優點。但鋼結構的連接方式較為單一，常見的有焊接、螺栓連接和鉚釘連接。鉚釘連接現在很少使用。通常在建筑中會混合使用多種連接方式以充分發揮每種連接方式的優點。

1.1 焊接

焊接是一種非常常見的連接方式，焊接的適用范圍廣，不受材料形狀的限制，焊縫強度高。但是焊接對材料的厚度有限制，影響焊縫質量的不確定因素很多，比如需要工人有良好的焊接技術，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，在震動的作用下容易發生疲勞破壞，應力集中現象比較明顯。

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件之間的連接，使用螺栓增加了結構的重量，在施工時需要打孔，增加工作量。由于螺栓與構件的材質通常不一樣，在電化學作用下，連接處容易銹蝕。在受力較大的場合需要預緊和采取防松動措施，此外，高強螺栓的價格較貴，需要考慮經濟問題。

2.榫卯連接

2.1 榫卯連接的幾種形式

榫卯連接是我國木結構中常用的連接方式，榫卯連接多種多樣，連接豎向構件時一般使用管腳榫；橫向構件和豎向構件的連接一般使用饅頭榫，比如梁和柱的連接；同一平面內不同方向構件搭接通常使用扣榫；直榫常用于需要穿插處的連接；此外，燕尾榫是木結構中運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，木結構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有關外，還與建筑所使用的連接方式有很大關系。有人對西安木結構鼓樓做了分析，發現地震傳遞給結構的能量有30%多的能量是由榫卯連接處吸收的，可見榫卯連接在抗震方面能夠起到很大的作用。

從受力方面來看，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，榫頭和卯口產生摩擦，兩者之間產生相對滑移，此時榫頭相對還可產生一定的轉動，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，限制了榫頭的轉動，結構的剛度提高，能夠繼續承擔彎矩，隨后卯口和榫頭出現局部受壓，兩者均出現較大的擠壓變形，直到榫頭或卯口破壞，榫頭脫出卯口，結構失效喪失承載力。在上述過程中可以明顯看出榫卯連接是一種半剛性連接，前期能夠產生較大的位移和變形，在受力過程中，隨時調整結構的內力分配，使之更趨于合理化，提高結構的承載能力。

3.鋼結構中運用榫卯連接的優點探討

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的負面效應，比如焊接存在的應力集中、脆性破壞等。焊接對工人技術要求高，而榫卯連接方便，操作簡單，避免繁瑣復雜高強度的現場工作，需要的榫頭卯口可標準化，在工廠直接澆鑄成型，運到工地直接使用，有利于裝配式建筑的發展。榫卯連接相較于螺栓連接，能夠擺脫構件厚度的限制，節約材料，更加經濟，使建筑物的外觀更加具有美感。當建筑物遭到破壞或者需要拆除時，榫卯的連接方式能夠很容易拆卸，可以重復利用原有建筑的材料，拆卸的工作量也相應的減少了。

鋼結構與榫卯連接這兩個一古一今的組合，能夠給人們帶來別致的感覺，研究這兩者的組合，拓展其應用范疇，能夠豐富并且發展建筑文化，繼承我國傳統優良的建筑技術；鋼結構中良好的連接方式能提高建筑結構的可靠度還能簡化施工工藝，標準化建造工藝，提高經濟效益，與此同時，這樣能夠有效促進裝配式建筑的發展。種類繁多的卯榫連接法不僅解決了鋼結構連接方式的單一性問題，而且也能提高鋼結構結點處的力學性能。多類的連接方式必將會為更多類型的建筑結構的發展帶來可能，促進裝配式建筑的發展，減少建筑業的能耗，保護環境，促進經濟可持續發展。

4.結語

在鋼結構建筑中，我們應該發揮多種連接方式各自的優越性能，使利益最大化。現在社會對建筑業的節能環保要求更高，應倡導較為環保的建筑形式。時下，鋼木組合結構也成為一個比較熱門的話題，這種結構形式融合了木材和鋼材，在連接方面就存在著更多的問題，除了螺栓連接外，榫卯連接也能夠解決一部分難題，在結構設計發展的歷程中，尋求貼切完美的結構形式，組合方式，力求建筑集安全可靠、實用耐久、美觀大方于一身。