在幕墙结构设计中,刚接铰接一直是很难区分的问题。
为什么立柱与转接件采用2个螺栓连接是铰接?为什么槽式埋件和转接件采用T型螺栓连接可以模拟成刚接?
为什么横梁立柱焊接是铰接?为什么栏杆立柱预埋件焊接又是刚接?
究竟螺栓群连接是刚接,还是铰接?究竟焊接是刚接,还是铰接?今天从专业角度带大家理解一下刚铰接,希望大家通过本文分清2种连接。
刚接、铰接的定义

铰接连接指仅传递剪力,不传递弯矩或所传递弯矩可忽略不计的连接方式。该类连接需具备足够的转动能力,以满足结构分析中设定的转动需求,典型的例子如销轴耳板连接。

销轴耳板连接

抗弯连接则分为两类:完全约束抗弯连接(即刚接)和部分约束抗弯连接(半刚性连接)。

完全约束抗弯连接(刚接):能够有效传递弯矩,连接构件之间的转角变形极小(一般不超过5%),在结构分析中可假定为无相对转动。该类连接需具备足够的强度与刚度,确保在极限状态下构件夹角基本不变。

部分约束抗弯连接(半刚性连接):虽可传递弯矩,但连接存在不可忽略的相对转动。结构分析时需依据连接的弯矩–转角特性进行模拟,其力学行为应通过试验或已有技术资料验证,并保证在极限状态下具备足够的强度、刚度及变形能力。

规范对连接方式的要求

《钢结构设计标准GB50017》中梁柱连接宜采用刚接或铰接。

可转动的梁的连接应能适应简支梁端的转动允许在连接中有一定程度的非弹性变形来适应简支梁端的转动。梁柱仅腹板连接,上下翼缘未连接,梁柱连接允许弹性变形。

钢梁铰接节点

对应的梁端连接能够完全传递弯矩,且连接构件之间的变形忽略不计,则为刚接。

钢梁刚接节点

梁柱采用半刚性连接时,应计入梁柱交角变化的影响,在内力分析时,应假定连接的弯矩-转角曲线,并在节点设计时,保证节点的构造与假定的弯矩-转角曲线符合。所以幕墙计算时很少按半刚性连接计算。

钢梁半刚接节点

在实际项目中,绝大多数焊接连接绝大多数为半刚性连接。

若某一连接需作为刚接节点使用,则应在柱腹板对应梁翼缘位置设置横向加劲肋,其厚度不应小于梁翼缘厚度;若无法设置加劲肋,则应通过增加钢柱翼缘和腹板厚度来保证节点区域的弯曲刚度。

横向加劲肋板做法

以GB50017第12.3.4条为例,H型梁柱连接(同为Q235牌号),柱腹板、翼缘厚度满足以下条件:

  • tw≥Afb/(tfb+5hy)且tw≥hc/30

  • tf≥0.4√(Afb)

    焊接、螺栓连接是刚接还是铰接,怎么区分?

H型梁柱节点

假设矩形管也参照上述公式,口50×4的钢梁和口160×80的钢柱腹板厚度需要满足tw≥Max(Afb/(tfb+5hy), hc/30)=8.3mm,翼缘厚度需要满足tf≥5.7mm。上述计算,仅印证钢柱腹板翼缘厚度需要足够厚度,才能满足刚接要求。

如实际厚度不足,则应采取加强措施,如:

1)加厚节点域的柱腹板;

2)节焊接补强板,通过角焊缝与加劲肋及翼缘连接,利用塞焊与腹板形成整体;

3)设置节点域斜向加劲肋加强。

节点域加强措施

刚接与铰接的实质判断

螺栓连接或焊缝连接属于刚接还是铰接,本质上并不取决于连接形式本身,而是由其转动刚度和抗弯能力决定的。关键在于连接是否能够有效传递弯矩并限制转动。

常见的铰接情形包括:

  • 采用螺栓连接、销轴连接的横梁与立柱连接节点;

  • 内套芯连接;

  • 转接件与立柱采用螺栓连接(螺栓间距小于立柱截面高度);

  • 某些桁架中弦杆与腹杆的连接(如弦杆节间长度与截面高度比 ≥ 12,腹杆相应比值 ≥ 24。

常见的刚接情形包括:

  • 四周满焊的栏杆立柱根部连接(焊缝承载力高于立柱抗弯承载力);

  • 横梁与立柱焊接且焊缝强度足够,立柱局部加厚;

  • 设有横隔板或外隔板的梁柱连接;

  • 翼缘区域布置足够螺栓的套芯连接;

  • 满足特定刚度比要求的空腹桁架节点。

结语

刚接与铰接的区分需从传力机制、转动约束及构件刚度等多方面综合判断,不可仅凭连接方式(焊接或螺栓)简单判定。建议在设计中严格遵循规范要求,并根据具体节点构造进行力学判断,必要时通过计算或试验验证其性能,从而确保幕墙结构的安全性与可靠性。

希望通过本文的分析,能够帮助读者更清晰地理解刚接与铰接的本质及其在幕墙设计中的具体应用。

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