鉸接(英文名:hinging),指用鉸鏈連接,是一種常用的機械連接方式。其類型包含虛鉸與實鉸、單鉸與復鉸,具有活動靈活、能使各個方向受力的特征。
鉸接被廣泛應用于汽車、機器人、生物工程等工業領域,常用在轉動裝置上,比如機器、車輛、門窗上的兩個裝置或零件的連接。工程施工中,主梁與次梁的連接,鉸接應用也較多。日常生活中常見的汽車門與車體連接、家具部位之間的連接也都是鉸接應用的體現。隨著城市化進程的加速和公共交通需求的不斷增加,這種設計逐漸被汽車制造商采用和發展,鉸接客車技術逐漸成熟,成為了廣泛應用于公共交通領域的車型。
定義
鉸接指用鉸鏈連接,是一種常用的機械連接。其是在材料的聯結點設置一種結構,像鉸鏈一樣可以上下左右旋轉但不能移動,具有活動靈活、能使各個方向受力的特征。
類型
鉸接類型包含虛鉸與實鉸、單鉸與復鉸。
單鉸與復鉸
一個鉸鏈連接兩個桿件稱單鉸,若連接兩個以上的桿件稱復鉸。一個有n個桿件的復鉸相當于n-1個單鉸。
實校與虛鉸
實際存在的鉸鏈稱為實較,兩桿件軸線延長線的交點在瞬間也具有鉸鏈的性質,故稱為瞬鉸,相對于實佼而言,又把瞬飲稱為虛鉸。
設計方法
梁與柱鉸接,當采用連接板與柱和梁相連,并采用高強度螺栓摩擦型連接時,高強度螺栓的計算除了考慮作用在梁端部的剪力外,尚應考慮由于偏心所產生的附加彎矩的影響,偏心彎矩M應按下式計算。當采用現澆鋼筋混凝土樓板將主梁和次梁連成整體時,可不計算偏心彎矩的影響。
應用領域
鉸鏈連接廣泛應用于汽車、機器人、生物工程及其他工業領域。在工程仿真中,ansys 提供的 MPC184-Revolute 單元常被用于模擬鉸鏈連接行為;此外,剛性連接、柔性連接以及其他多點約束(MPC)算法也可用于此類連接的建模。鉸接通常用于連接可相對轉動的兩個部分,常見于機械裝置、車輛結構、門窗組件及家具部件中。實際工程中,例如主梁與次梁的連接也常采用鉸接形式。日常生活中,汽車車門與車身的連接、家具各部位之間的連接均為鉸接的典型應用實例。黃花崗七十二烈士墓園中紅鐵門門扇與門柱的連接處,也體現了鉸接工藝的實際使用。
建筑
現實中鋼結構的連接并無絕對的剛接與鉸接,大部分節點形式屬于半剛性。但為了降低計算難度,在傳統的分析與設計中,連接節點常被簡化為理想的鉸接節點或剛接節點。一般認為連接對轉動的約束達到理想剛接的90%以上時,可視為剛接。在外力作用下,梁柱軸線夾角的改變量達到理想鉸接的80%以上時,可視為鉸接。
在高層鋼結構的節點設計中,梁一柱連接的節點是關鍵的節點,根據梁對柱的約束剛度(轉動剛度),節點的連接大致可分為剛性連接、半剛性連接和鉸接連接三種類型。柱腳可分為剛性固定連接和鉸接連接兩種類型。當多高層建筑無地下室時,柱腳一般應采用剛接,以保障結構的整體側向剛度;多高層建筑有地下室時,柱腳可采用鉸接,除柱腳構造簡單,現場安裝方便外,地下室部分起到了提供底部柱段的抗側剛度。在工程實踐中,如何判別一個節點屬于剛性或鉸接連接主要是看其轉動剛度,剛性連接應不會產生明顯的連接雙角變形,即連接夾角變形對結構抗力的減低應不超過5%。
鋼結構中,梁與柱的連接通常采用3種形式,柔性連接(也稱鉸接)、半剛性連接和剛性連接。在工程實踐中,如何判別一個節點屬于剛性、半剛性或鉸接連接主要是看其轉動剛度 ,剛性連接應不會產生明顯的連接夾角變形,即連接夾角變形對結構抗力的減低應不超過5%。半剛性連接則介于二者之間。梁柱的半剛性連接可以采用在梁端焊上端板,用高強螺栓連接,或是用連于翼緣的上、下角鋼和高強螺栓。其設計要求如下:在端板連接節點中力的傳遞可將梁端彎矩簡化為一對力偶,拉力經受受拉翼緣傳遞。受拉螺栓對受拉翼緣對稱布置。壓力可以通過端板或柱翼緣承壓傳遞,壓力區螺栓可少量設置,并和受拉螺栓一起傳遞剪力;用上下角鋼連接的節點中,受拉一側的連接角鋼在彎矩作用下,不僅豎肢變形,水平肢也變形。因此,角鋼連接的剛度比端板者稍低。剛性連接這種構造假定梁柱連接有足夠的剛性,梁柱間無相對轉動,連接能承受彎矩。鉸支連接這種構造假定結構承受重力荷載時,主梁和柱之間只傳遞垂直剪力,不傳遞彎矩。這種連接可以不受約束的轉動。在鋼結構框架的傳統分析與設計中,為簡化分析設計過程,梁柱連接被認作理想的鉸接連接或完全的剛性連接,并且認為:連接對轉動約束達到理想剛接的90%以上,可視為剛接;在外力作用下,柱梁軸線夾角的改變量達到理想鉸接的80%以上的連接視為鉸接。采用理想鉸接的假定,將意味著梁與柱之間沒有彎矩的傳遞,就轉動而論,用鉸連在一起的梁和柱將相互獨立地轉動。
?連接性質的劃分應由下列三項指標來表征:抗彎剛度,轉動剛度,延性(轉動能力)。抗彎承載力是連接強度的主要項目,此外還有抗剪強度。剛性連接從理論上來說,承受彎矩和剪力的能力應該不低于梁的承載能力,亦即不低于梁的塑性鉸彎矩和腹板全塑性剪力。地震區的框架應該要求更高,體現“強連接-弱構件”的原則。對于柔性連接則只要求其抗剪能力。半剛性連接介于剛性和柔性連接之間,必須具有一定的抗彎能力。連接的轉動剛度由彎矩-轉角曲線的斜率來體現,它不是常量,轉動剛度對框架變形和承載力都有影響。對變形的影響需要結合正常使用極限狀態進行分析。為此,應考察連接的初始剛度或標準荷載作用下的割線剛度。剛性連接的剛度,理論上需要達到無限大,但實際上只要達到一定的限值就可以看作是剛性連接,問題在于如何從數量上做出界定。轉動能力屬于延性指標,塑性設計的框架要求塑性鉸部位有一定轉動能力,以便后續的內力重分布能夠出現。
公交車
鉸接式客車,也被稱為"聯結式客車"或"拐彎客車",其最初的設計靈感來自于鐵路車輛的連接方式,目的是為提升車輛的載客能力及運輸效率。隨著城市化進程的加速和公共交通需求的不斷增加,這種設計逐漸被汽車制造商采用和發展,鉸接客車技術逐漸成熟,成為了廣泛應用于公共交通領域的車型。
20世紀80年代,為緩解城市交通壓力,中國第一批早期鉸接式客車誕生,由中車株洲電力機車有限公司研制。該車采用三軸鉸接式車身,車長達到16m,客容量可達90人,相較于普通車輛,其載客能力進一步提升。20世紀90年代之后,中國的老式單鉸接客車相繼退出了市場。21世紀初,大量的人口集中到了城市,導致已有的公共交通陷入困境,不能再滿足人們的出行需求。為了應對城市交通問題,廈門金龍聯合汽車工業有限公司、黃海客車以及宇通客車等車企都加大了研究新型鉸接客車的力度,2010年,由廈門金龍公司制造,載客量150人,長度18m的鉸接客車開始運營。2012年12月,鄭州市引進了由鄭州宇通制造的單鉸接公交客車,全長18m,滿載客容量能達到159人。
在單鉸接客車發展的同時,多編組鉸接客車的研制也在同步進行。多編組鉸接客車是一種在原有單鉸接式客車基礎上再次增加鉸接部分的客車,具備更長的車身,更大的承載量和更好的車內空間布局,相對于普通的鉸接客車具有更大的優勢和潛力。中國外生產廠商加大了對多編組鉸接客車的研發,并正式投放到公開道路上使用。2003年,由比利時 VanHool公司生產的AGG300 型雙鉸接客車正式下線。該車搭載了最大功率 256kW(360ps),最大扭矩 1450N.m的直列六缸發動機。車身全長24.8m,客容量可達160人,最小轉彎半徑 57.9m。2012年,德國德累斯頓落地了當時世界上最長的鉸接式客車圓,由凱斯博瑞爾中國首次下線的 25m 雙鉸接客車由浙江省青年尼奧普蘭汽車生產。該車全長24.6m,寬度 2.5m,車身高度為 3.2m,采用可調節的空氣彈簧和筒式液壓減震器,提升了乘客的乘坐舒適性,最高可容納210人。2017年,中車株洲電力機車研究所有限公司研制出了全球首列虛擬軌道列車,全名Autonomous rail Rapid Transit,該車由電力驅動,整車全長31.64m,寬2.65m,車身高度 3.4m,滿載重量高達48噸,客容量可以達到307人。支持雙向行駛,遇到特殊道路能夠便捷的轉向。
參考資料 >
干貨丨如何判別節點屬于剛接、半剛接或鉸接?.微信公眾號平臺.2025-09-28
鋼結構中梁與柱連接的3種形式.微信公眾號平臺.2025-09-28