力学概念 | 从应力分布区分钢结构的刚接和铰接

力学概念 | 从应力分布区分钢结构的刚接和铰接

在钢结构设计中，梁柱连接节点和柱脚的连接方式直接影响结构的受力性能和安全性。本文通过分析应力分布，详细介绍了刚接和铰接的区别及其在实际工程中的应用，帮助读者更好地理解这一重要知识点。

从材料力学可知，工字形截面梁的弯曲正应力大部分分布在翼缘，而大部分剪切应力则分布在腹板，如图1所示

图1：工字形截面梁的应力分布示意图

通过这个力学概念，我们可以区分在钢结构体系中，梁柱连接节点以及柱脚是刚接还是铰接。它们涉及力的传递方式，因此了解梁柱连接节点以及柱脚的构造，掌握各种节点构造的力学性能是正确确定计算简图和正确设计结构的依据。

框架梁柱刚接节点

现行的设计规范中，框架梁柱连接节点的类型有刚性连接节点、铰接连接节点两种。从连接方式上分有全焊连接节点、全栓连接节点和栓焊连接节点。梁柱连接采用全焊连接(图2a)或梁的上、下翼缘与柱的连接采用焊接时(图2b)，可形成刚性连接。

图2：梁柱刚性连接示意图

钢梁与钢柱加强型连接主要有以下几种形式:1)梁翼缘端部加宽(图3b);2)梁翼缘端部腋形扩大(图3c)。梁翼缘端部加宽和梁翼缘端部腋形扩大连接宜用于梁与箱形柱的连接。二者共同点就是翼缘采用焊接，可视为刚性节点。

图3：钢梁与钢柱加强型连接示意图

框架梁柱铰接节点

仅将梁的腹板与柱用螺栓连接(图4a)或将梁搁置在柱的牛腿上(图4b)是铰接连接的常见做法。这种连接在梁端很小的弯矩作用下就会使梁柱夹角发生变化。由于它能承担的弯矩很小，可以不予考虑，称之为铰接连接.

图4：梁柱铰接连接示意图

钢梁与钢柱铰接连接时，在节点处，梁的翼缘不传力，与柱不应连接，只有腹板与柱相连以传递剪力，如图5所示。连接用高强度螺栓的计算，除应承受梁端剪力外，还应承受偏心弯矩

图5：钢梁与钢柱铰接连接示意图

刚接型柱脚

在多层钢结构房屋中，柱脚与基础的连接宜采用刚接。刚接柱脚可采用埋入式(图6a)、外包式(图6b)和外露式(图7)。外露式柱脚也可设计成铰接。刚接型柱脚的锚栓尽量分布在外围，参与正应力传递，且需要做抗拉、抗压验算。

图6：刚接型柱脚示意图

图7：外露式刚接型柱脚示意图

铰接型柱脚

底板的作用主要是把柱子的压力扩散到混凝土基础顶面,而柱底剪力首先靠底板和混凝土基础之间的摩擦力来抵抗。当这一摩擦力不足以抵抗柱底剪力时,《门规》要求在柱底设置抗剪键，而不利用锚栓自身的抗剪强度。抗剪键可以是钢板、角钢或者槽钢，一端焊接在柱子底板，利用自身与基础混凝土的接触承压来平衡柱底剪力。锚栓应在翼缘的内侧，靠近中性轴，保证其不会参与翼缘正应力传递(并非理想铰接，翼缘正应力多多少少会有)。

图8：铰接型柱脚示意图

来源：数值分析与有限元编程