鋼結(jié)構(gòu)剛接和鉸接的區(qū)別與應(yīng)用
鋼結(jié)構(gòu)的梁柱連接方式包括剛接、鉸接和半剛性連接三種。其中，剛接能夠傳遞彎矩和剪力，鉸接只能傳遞剪力，兩者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和承載能力上存在顯著差異。本文將詳細(xì)介紹鋼結(jié)構(gòu)剛接與鉸接的定義、區(qū)別和應(yīng)用場(chǎng)景。
什么是鋼結(jié)構(gòu)的剛接和鉸接
在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，梁與柱的連接方式對(duì)結(jié)構(gòu)性能有重要影響。剛接是指接頭具有足夠的剛度，梁柱間無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，接頭能夠傳遞彎矩；鉸接則允許梁與柱之間自由轉(zhuǎn)動(dòng)，只傳遞剪力，不傳遞彎矩。
三種連接方式的特點(diǎn)
1. 剛性連接
剛性連接假定梁柱接頭有足夠的剛度，梁柱間無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，接頭能接受彎矩。根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)接頭對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)約束達(dá)到理想剛接的90%以上，可視為剛接。
2. 鉸接（柔性連接）
鉸接結(jié)構(gòu)假定只傳遞垂直剪力，不傳遞彎矩。當(dāng)梁柱軸線夾角的改變量達(dá)到理想鉸接的80%以上的連接視為鉸接。這種連接可以不受約束地轉(zhuǎn)動(dòng)。
3. 半剛性連接
半剛性連接介于剛接和鉸接之間，既能傳遞一定的彎矩，又允許適度的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。這種連接可以采用以下方式實(shí)現(xiàn)：
- 端板連接：在梁端焊接端板，用高強(qiáng)螺栓連接
- 上下角鋼連接：用連于翼緣的上、下角鋼和高強(qiáng)螺栓連接
剛接和鉸接的主要區(qū)別
- 力的傳遞：剛接能傳遞彎矩和剪力，鉸接則只能傳遞剪力
- 結(jié)構(gòu)形式：對(duì)于H型鋼，剛接的上下翼緣和腹板均需有連接結(jié)構(gòu)，鉸接只需腹板有連接結(jié)構(gòu)
- 轉(zhuǎn)動(dòng)約束：剛接約束節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，鉸接允許自由轉(zhuǎn)動(dòng)
- 基礎(chǔ)規(guī)模：剛接柱腳的基礎(chǔ)通常大于鉸接柱腳
柱腳的剛接和鉸接
能反抗彎矩作用的柱腳稱(chēng)為剛接柱腳，不能反抗彎矩作用的柱腳稱(chēng)為鉸接柱腳。從實(shí)踐上看，區(qū)別在于錨栓的位置和數(shù)量：
- 剛接柱腳：錨栓在翼緣外側(cè)，一般不少于4個(gè)，存在軸向力N、水平力V和彎矩M
- 鉸接柱腳：錨栓在翼緣內(nèi)側(cè)，一般為2個(gè)或4個(gè)，只存在軸向力N和水平力V
剛接與鉸接的應(yīng)用場(chǎng)景
剛接的適用情況
剛接對(duì)側(cè)移控制較嚴(yán)的情況下應(yīng)用，例如：
- 有吊車(chē)荷載的工業(yè)廠房（吊車(chē)荷載是動(dòng)力荷載，對(duì)側(cè)移比較敏感）
- 抗震設(shè)防要求高的地區(qū)（表現(xiàn)"強(qiáng)連接-弱構(gòu)件"的原則）
- 對(duì)結(jié)構(gòu)變形控制要求嚴(yán)格的工程
當(dāng)工業(yè)廠房有橋式吊車(chē)時(shí)，宜將柱腳設(shè)計(jì)為剛性。如果側(cè)移過(guò)大會(huì)造成吊車(chē)卡軌現(xiàn)象，此時(shí)必須采用剛接柱腳。
鉸接的適用情況
鉸接適用于對(duì)側(cè)移控制要求不高的一般建筑。設(shè)計(jì)鉸接柱腳時(shí)，一般需要加設(shè)抗剪鍵，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)鉸接柱腳的柱腳軸力比較小，底板和混凝土基礎(chǔ)表現(xiàn)的摩擦力很少能滿足要求。
連接設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)
連接性質(zhì)的劃分應(yīng)由以下三項(xiàng)指標(biāo)來(lái)表征：
- 抗彎剛度：衡量接頭抵抗彎曲變形的能力
- 轉(zhuǎn)動(dòng)剛度：由彎矩-轉(zhuǎn)角曲線的斜率表現(xiàn)，不是常量，對(duì)結(jié)構(gòu)變形和承載力都有影響
- 延性（轉(zhuǎn)動(dòng)能力）：指塑性設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中，塑性鉸部位的轉(zhuǎn)動(dòng)能力
抗彎承載力是接頭強(qiáng)度的主要指標(biāo)，此外還有抗剪強(qiáng)度。剛性接頭的抗彎和抗剪承載力應(yīng)不低于梁的承載能力。
端板連接的力傳遞機(jī)制
在端板連接節(jié)點(diǎn)中，梁端彎矩可簡(jiǎn)化為一對(duì)力偶：
- 拉力經(jīng)由受拉翼緣傳遞，受拉螺栓對(duì)受拉翼緣對(duì)稱(chēng)布置
- 壓力可以通過(guò)端板或柱翼緣承壓傳遞，壓力區(qū)螺栓數(shù)量可以較少
- 螺栓同時(shí)傳遞剪力
上下角鋼連接的特點(diǎn)
用上下角鋼連接的節(jié)點(diǎn)中，受拉一側(cè)的連接角鋼在彎矩作用下，不僅豎肢變形，水平肢也會(huì)變形。因此，角鋼連接的剛度比端板連接略低。
剛接柱腳設(shè)計(jì)的要點(diǎn)
設(shè)計(jì)剛接柱腳時(shí)需要注意以下問(wèn)題：
- 基礎(chǔ)施工單位應(yīng)具有相應(yīng)的技術(shù)水平
- 應(yīng)設(shè)置抗剪件以防止側(cè)移
- 錨栓位置和數(shù)量的合理布置至關(guān)重要
常見(jiàn)問(wèn)題解答
剛接和鉸接哪個(gè)造價(jià)更高？
剛接的造價(jià)通常高于鉸接，因?yàn)閯偨有枰嗟穆菟?、更厚的端板或角鋼，同時(shí)基礎(chǔ)規(guī)模更大。具體造價(jià)需根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算。
混凝土結(jié)構(gòu)的柱腳為什么必須是剛接？
混凝土結(jié)構(gòu)柱腳均為剛接，即同時(shí)存在軸向力N、水平剪力V和彎矩M，故基礎(chǔ)尺寸較大。這是混凝土結(jié)構(gòu)的固有特性，保證了結(jié)構(gòu)的整體性和剛度。
地震區(qū)應(yīng)該選擇剛接還是鉸接？
地震區(qū)的結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)剛接有更高的要求，表現(xiàn)"強(qiáng)連接-弱構(gòu)件"的原則，即接頭強(qiáng)度不低于所連構(gòu)件的承載能力。這樣在地震時(shí)，薄弱部位先于接頭破壞，便于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和分析。
小結(jié)
鋼結(jié)構(gòu)的剛接和鉸接各有適用范圍。江蘇杰達(dá)鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司在設(shè)計(jì)和施工中，根據(jù)建筑的用途、荷載特性和抗震要求，合理選擇連接方式。剛接適用于對(duì)側(cè)移和剛度要求高的工程，鉸接則用于一般建筑。正確理解和應(yīng)用這兩種連接方式，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的重要基礎(chǔ)。