【结构学院】Detail系列—铰接连接

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小i做的第一个设计是钢屋盖，钢结构图纸最劳神费力的就是节点图。通宵画节点图的场景还历历在目，感觉画图就像是在“绣花”，一张A2的节点图可以画一整天。当时就有很多疑问，什么样的节点算是铰接？除了图集上的这几种节点样式，其他国家都怎么做的？有没有更好看的节点样式？

今天小i就为大家做一下关于节点的整理，为结构新人抛砖引玉。由于篇幅有限这篇文章仅列出铰接节点，内容以广为主不求特别深入，如各位有兴趣深入讨论，欢迎留言或在微信群中发言。闲言少叙，下面开始。

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钢结构连接中铰接与刚接分类原则

节点从力学角度分为刚接与铰接，区别也很明确：刚接可以传递弯矩而无相对转动能力，而铰接相反。但到了实际操作层面，界定就并非如此明确了，因为是没有完全的刚接与铰接的，严格的说任何节点都是半刚性的，即都有一定的相对转动能力。那设计中是如何划分刚接和铰接的呢？

上图是国内的一种比较常见的判定方法，以节点抗弯承载力为判定依据。欧洲EUROCODE3也有相应的判定方法，如下图所示，是以节点切线刚度为判定依据，虽形式不同但原理一致。当节点的刚度很大时即近似判定为刚接，刚度很小时即判定为铰接，其余均为半刚接。

对于工程师每个节点都要去按照公式判定也很麻烦，实际操作中比较直观的区别方法就是看节点是否传递弯矩。一般认为型钢弯矩主要由翼缘传递，剪力主要由腹板传递。因此，如果既连接翼缘又连接腹板就是刚接，仅连接腹板就是铰接。下图就是典型的刚接节点。

知道了如何判断铰接节点，那么实际工程中的铰接节点长什么样呢？

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常用铰节点—多高层钢结构

节点平时用到最多的就是多高层钢结构构件连接节点，梁柱连接节点、梁梁连接节点等。我国图集16G519《 多、高层民用建筑钢结构节点构造详图》中规定了常用的节点类型，其中有刚性连接节点和铰接连接节点，这里只列铰接连接节点。其中比较常用的是①②号节点，还有些时候会将螺栓连接改为现场焊接。

国外节点什么样

欧洲EUROCODE与美国AISC中推荐的连接方法如下图所示，主要有双角钢连接（Angle cleat）、端板连接（End plates）、连接板连接（Fin plates）。基本做法也是只连接腹板，在保证剪力的传递的同时释放节点的转动能力。其中角钢连接和连接板连接和我国图集是相似的，但在欧美最为常用的端板连接在我国却很少见。具体原因小i也未查明，如有知道的读者，也欢迎留言。

欧洲EUROCODE铰接节点样式

美国AISC铰接节点样式

焊接与螺栓连接

用焊接还是螺栓连接，这是个老生常谈的问题。从结构角度讲，两种构造主要差别：1）构造不同，传力方法不同，计算方法不同；2）安装方式有很大的差别，螺栓连接快，且易拆卸；3）现场焊接受制约因素很多，质量不稳定；4） 螺栓连接便于大批量工厂化生产，质量稳定；5）焊接连接的刚度较大，但其延性相对较差，地震中容易撕裂，抗震性能不如高强螺栓好。

国外绝大多数现场安装是采用螺栓连接的，但是我国有很多都是采用焊接。主要有以下几点原因：1）中国人力资源相对便宜，因此焊接造价相比螺栓连接更低；2）中国焊接技术工人多，因此在实际工程中可以靠人多来弥补焊接速度慢的短板；3）螺栓连接对施工精度要求高，如精度不高很难保证螺栓100%穿孔，相对来说焊接容错性更高，堆焊缝总能连上。但随着中国人力成本的提高（现在有经验的焊工薪水基本与结构设计师持平）与施工技术的提高，螺栓连接的应用呈逐年增加的趋势。

铰接节点能否承担弯矩

不知是否有读者和小i有同样的疑问，典型的铰接连接节点是否能够承担弯矩？答案一定是可以，但具体等承担多少弯矩呢？通过查阅相关研究资料，发现确有人做相应的试验研究，在这里与大家分享。

试验做了三种典型连接方法的抗弯试验，梁柱均采用H型钢，具体截面如下图所示，钢材牌号S275JR。具体试验过程由于篇幅原因不详细展开，小i将分享在网盘中，如有兴趣的同学可以下来详细看下。这里直接上结论。

从结果中可以看出，三种节点均能承担一定弯矩（A为端板连接，B为连接板连接，C我角钢连接）。结果均为极限承载力，在破坏时节点均发生了很大的转角，其中端板连接能够承担最多的弯矩，可达全截面抗弯承载力设计值的49%，角钢连接更加接近完全铰接。小i也套用EURO3规范算了一下节点的刚度，其中端板连接落在半刚性范围，其余两种均在铰接连接范围。

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常用铰节点—空间结构

空间结构中最常用到铰节点的结构形式应该是网架了，网架杆件均为二力杆，因此节点仅承担拉压力。通常节点重量会占到网架总重量的20%~25%，节点设计是网架结构设计中的重要工作。网架杆件连接节点形式主要有螺栓球节点、焊接空心球节点、焊接钢板节点、直接相贯节、鼓式节点、半鼓半球节点、钢盔式节点和焊接钢管节点等，目前应用最为广泛的是螺栓球节点和焊接空心球节点。

螺栓球节点

螺栓球节点由钢球、螺栓、销子（或螺钉）、套筒和锥头或封板等零件组成。螺栓球节点适用于圆钢管网架杆件的连接，节点和杆件一般在工厂定型成批生产，现场拼装无需焊接，装拆快捷方便。螺栓球常采用45#优质钢，根据网架形式，铣出若干个满足需要的端面（如正放四角锥网架需要8个受力端面和2个加工用的小端面）。每个端面钻有螺孔，安装时拧动套筒可把螺栓拧进钢球，并插入销子固定，使钢管杆件与钢球连成整体。

螺栓球节点的受力情况：受拉时传力途径是由钢管杆件、锥头，经螺栓至钢球；受压时是由钢管杆件、锥头，经套筒至钢球。螺栓在受拉时起作用，而套筒在受压时起作用。一般来说，螺栓球节点由单根螺栓受拉承载力控制。

焊接球节点

焊接空心球先由钢板冲压成半球，然后焊接成整个空心球，必要时可以在球内设置环形肋加强。这种节点主要用于以钢管为杆件的网架，任意方向的杆件都可以方便地与钢球连接，见下图。钢管杆件与空心球连接处，管端应开坡口，并在钢管内加衬管,在管端与空心球之间焊缝可按对接焊缝计算，否则只能按斜角角焊缝计算。

当网架杆件内力较大时，焊接空心球的承载力不能满足要求时，可通过在球内设置肋环，提高球的承载力。一般来说加肋对受压空心球承载力提高效果更明显。对于节点汇交杆件数量较多、球节点受力较大的情况，可增加肋板的数量，采用十字加劲或星形加劲。

螺栓球or焊接球

用螺栓球还是焊接球这个问题本质上和前文提到的螺栓还是焊接类似。螺栓球连接快、质量容易保证，但是受制于其螺栓套筒的构造，当力很大时会无法满足承载力要求。而焊接球承载力高，同时对误差的容错率高，但是现场焊接质量很难保证，很多时候还需高空焊接，对焊工的要求更高。

因此在实际设计时应根据具体情况选择合适的节点形式，小i个人习惯是首选螺栓球，当个别节点受力过大时，再采用焊接球。这里小i还有个疑问，焊接球是否是我国独有的，如有清楚的读者也欢迎留言。

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特殊铰节点

除去常用的铰节点样式，剩下的就是需要特殊设计的节点。因为没有固定的套路，因此在形式上也更加多样，是设计师展示个性化的一个平台。当然更特别就意味着更贵，因此这类节点不会大范围采用，而一般用于外露部分，做到好钢用在刀刃上。

由于篇幅限制，小i就不一一做介绍了，在这里放出图片与大家分享，希望对大家的设计有所启发。

钢管中部由于稳定原因通常截面较大，端部为强度控制，对于轴力杆件端部插板是比较常见的节点处理方式。

销轴连接与理想铰接非常接近，构造简单受力清晰，但造价较高，多用于外露节点设计。

基于拓扑分析和优化手段，可采用这样的拉索连接节点设计，颇具未来感，而且材料用量大大减少。

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结语

实际工程中节点千差万别，小i仅在这里为大家抛砖引玉。在收集资料过程中，也发现很多很好的资料，小i会分享在网盘上，需要的同学可以自行下载，希望对大家有所帮助。

1. Architecturally Exposed Structural Steel

2. 钢结构技术总览，日本钢结构协会著，陈以一 傅功义译

3. EUROCODE3

4. MOMENT CAPACITY OF SIMPLE STEEL CONNECTIONS, TSIOUPANIS KYRIAKOS

5. Connections in Steel Structures, AISC

6. 网架于桁架设计导则，华东建筑设计研究院

7. 图片来源于GOOLE图片