基于工字形截面梁应力分布区分梁柱节点刚接铰接及连接设计依据

力学概念| 从应力分布区分钢结构的刚接和铰接

从材料力学方面来讲，工字形截面梁的弯曲正应力的分布情况是大部分在翼缘；同时，大部分剪切应力是分布在腹板的，如图 1 所示。

图1

通过这个力学概念，我们能够区分在钢结构体系里，梁柱连接节点以及柱脚到底是刚接还是铰接。它们和力的传递方式相关。所以，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，这是正确确定计算简图以及正确设计结构的依据。

框架梁柱刚接节点

现行设计规范里，框架梁柱连接节点的类型包含刚性连接节点和铰接连接节点这两种。从连接方式方面来看，有全焊连接节点、全栓连接节点以及栓焊连接节点。当梁柱连接采用全焊连接（如图 2a 所示），或者梁的上、下翼缘与柱的连接采用焊接时（如图 2b 所示），就能够形成刚性连接。

图2

它们的共同点在于翼缘采用焊接，并且可以被视为刚性节点。

图3

框架梁柱铰接节点

梁的腹板与柱用螺栓连接（图 4a），或者将梁搁置在柱的牛腿上（图 4b），这是铰接连接的常见做法。这种做法在梁端受到很小的弯矩作用时，就会导致梁柱夹角发生变化。因为它能承担的弯矩很小，所以可以不考虑，因此被称为铰接连接。

图4

钢梁和钢柱铰接连接时，在节点这个位置，梁的翼缘是不传力的，并且不能与柱进行连接，只有腹板会与柱相连，以此来传递剪力，就如同图 5 所展示的那样。对于连接所用高强度螺栓的计算，除了要承受梁端的剪力之外，还需要承受偏心弯矩。

图5

刚接型柱脚

在多层钢结构房屋里，柱脚与基础的连接适宜采用刚接这种方式。其中，刚接柱脚可以有埋入式（如图 6a 所示）、外包式（如图 6b 所示）以及外露式（如图 7 所示）等类型。外露式柱脚还能够被设计成铰接的形式。对于刚接型柱脚，其锚栓最好分布在外围，以便参与正应力的传递，并且需要进行抗拉和抗压的验算。

图6

图7

铰接型柱脚

底板的主要作用是将柱子的压力扩散至混凝土基础顶面，柱底剪力首先依靠底板与混凝土基础之间的摩擦力来进行抵抗。若这一摩擦力无法抵抗柱底剪力，《门规》规定需在柱底设置抗剪键，且不能利用锚栓自身的抗剪强度。抗剪键可以是钢板，也可以是角钢或者槽钢，其一端焊接在柱子底板上，通过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，并且要靠近中性轴。这样能保证锚栓不会参与翼缘正应力的传递。虽然并非理想铰接，但翼缘正应力多多少少还是会有的。

图8