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浅析钢结构设计中的刚接、铰接及半刚性连接

发布于:2021-03-22 11:37:05来源:昆明集装箱网阅读:

导读:作者在实践中发现,有一部分同行甚至是钢结构技术从业者对钢结构连接中的刚接、铰接以及半刚性连接的概念不清晰,易于混淆,对结构模型的力学假定与设计构造认识不足。本文将对这些概念进行梳理,透过概念理解连接的力学本质,并通过一些实际连接大样图加以举例说明。

基本概念

连接节点的类别,根据节点处传递荷载的情况,所采用的连接方法以及细部构造,按节点的力学特性,可以分为刚性连接节点、铰接连接节点以及半刚性连接节点。

节点的设计构造应当与理论计算模型相一致。不同连接节点的细部构造将会影响结构构件的受力特征以及出现不同的内力重分布和挠曲变形。

例如,钢框架在结构分析时,梁柱的连接通常假定为刚接或铰接,刚接时需将梁的翼缘与柱焊接,同时将梁的腹板与柱翼缘焊接,或通过螺栓与柱翼缘上的节点板连接,而铰接则仅需将梁的腹板通过螺栓和柱相连接,前者构造复杂且梁跨中截面不能充分利用,后者尽管构造简便,但仅利用了梁跨中截面且结构的变形较大,采用梁柱的半刚性连接则能避免其不足。

钢结构节点设计应根据结构的重要性、受力特点、荷载情况和工作环境等因素选用节点形式、材料与加工工艺。在具体的设计中,为使连接节点具有足够的强度和刚度,应根据连接节点的位置及其所要求的强度和刚度,合理地确定连接节点的形式、连接方法、具体构造、基本公式以及理论分析模型。

浅析钢结构设计中的刚接、铰接及半刚性连接

弯矩-曲率关系曲线

 连接节点的刚性大小可以通过弯矩M-曲率φ关系曲线来描述。理论的绝对刚性连接节点需要能够传力弯矩M、剪力V以及轴力等,在弯矩M作用下截面的曲率φ=0,也即不发生转角,抗弯刚度无穷大;理论的绝对铰接是完全不能承受弯矩,也即抗弯转动刚度等于零。

浅析钢结构设计中的刚接、铰接及半刚性连接

弯矩M-曲率φ关系曲线

而对于半刚性连接节点,其连接既非完全刚性,又非理想铰接,其节点处的弯矩和相对转角关系是呈非线性的,它的转动特性介于完全刚接和理想铰接两者之间,既可以传递一定的弯矩,又会在构件之间产生一定的相对转角。

对钢框架而言,试验结果表明,真正刚接或铰接的框架是不存在的,所有钢框架梁柱连接节点都是半刚性的。在实际设计中,所谓刚接连接节点在正常使用工况下截面几乎不产生转动曲率,更接近理论上的绝对刚性连接节点,所谓的铰接连接节点在正常使用工况下很容易发生截面转动,更接近理论上的绝对铰接连接节点,因为可以分别视为刚接与铰接进行理论计算。

而对于半刚性连接节点,设计时应当考虑刚度降低的影响,如果将其假设成刚性连接或铰接的结构进行内力分析,由于其假设的内力状况与实际受力的状况不同,得出的结果很可能是不可靠的,目前较为准确的方法是考虑二阶效应、节点本构与材料非线性的高阶分析分析方法。

 

常见刚接、铰接连接形式

常见的刚接铰接连接形式可查阅MTSTOOL

柱刚接连接举例

浅析钢结构设计中的刚接、铰接及半刚性连接

柱外包式刚接

半刚性连接举例

浅析钢结构设计中的刚接、铰接及半刚性连接

        半刚性连接一般采用端板、角钢、槽钢、连接件等组合连接方式,连接形式更适合当下推崇的建筑工业化的装配式建造方式,可以实现现场无焊接作业,施工便捷,目前应用也较为广泛。研究表明,连接刚度大小排序:短T形半刚性连接>端板半刚性连接>顶部底部角钢半刚性连接>局部端板半刚性连接>腹板双角钢半刚性连接>腹板单角钢半刚性连接。

采用半刚性连接进行准确分析时应注意,根据《钢结构设计标准》GB50017-2017第5.1.4条,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。

钢结构设计