钢结构设计02节点设计方法

节点设计方法主讲人：李峰1212/15/2019主要内容1节点的分类、形式2节点的构造3节点受力与计算312/15/20191节点的分类、形式□按连接性质——刚接、铰接、半刚性连接□按连接方式——焊接、螺栓连接、栓焊混合连接□按材料类别——铸钢、锻钢节点□按构造特点——加劲板式、相贯式、端板式、球形节点□按结构体系——平面、空间节点412/15/20192节点的构造512/15/20193节点的受力与计算3.1焊接节点3.2螺栓节点3.4管节点3.3球节点612/15/20193.1焊接节点★焊接材料（焊条与材料相适应）母材(Q235；Q345；Q390；Q420)焊条(E43xx；E50xx；E55xx；E60xx)；当两种材料焊接时，取较低强度材料相应的焊条★焊缝分类：对接焊缝的构造要求——坡口、引弧板…角焊缝的构造要求——焊缝形状、焊缝厚度、焊缝长度、焊缝受力性质712/15/2019★焊接连接的优缺点优点•省工省材•任何形状的构件均可直接连接•密封性好，刚度大缺点•材质劣化•残余应力、残余变•一裂即坏、低温冷脆★螺栓连接的优缺点812/15/20193.1焊接节点(1)破坏模式•焊缝破坏•节点板拉剪撕裂破坏•节点板失稳(2)计算《GB50017》•焊缝强度计算•节点板拉剪撕裂验算•节点板稳定计算22wffff/f912/15/2019节点板稳定——在斜腹杆压力作用下，节点板稳定性很差；▲对有竖腹杆（或自由边加劲）的节点板，其稳定应符合板件宽厚比要求：▲对无竖腹杆的节点板：yftc/23515/yyftcf/23517//23510yftc/23510/将受压腹杆的内力乘以增大系数1.25后再按受拉节点板的强度计算进行计算应按规范附录F进行稳定计算节点板稳定1012/15/2019仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时wfewff/()Nhlf同时有平行和垂直于焊缝长度方向的轴心力时22wffff/f仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时wfewf/()Nhlf其中：lw=l-2hff=1.22（静力荷载）；1.0（动力荷载）l（4）焊缝计算方法1112/15/2019（4）焊缝计算方法wfffwMfWAyTAxTrJTAxAyTrJ1212/15/2019弯矩、剪力和轴心力共同作用MVNAAAwewew;;MVNWhlhlMN2V2wAAAff()()fNA1312/15/2019正面角焊缝承担的力为N3=0.7hf∑lw3βfffw侧面角焊缝承担的力为肢背N1=e2N/（e1+e2）－N3/2=K1N－N3/2肢尖N2=e1N/（e1+e2）－N3/2=K2N－N3/2例1：受轴心力作用的三面围焊时角钢连接角焊缝的计算厚度he角焊缝计算长度lw=l1-2hfwfewf/()Nhlf1412/15/2019例2：节点设计1、设计原则⑴各杆轴线交于一点⑵标明角钢的定位尺寸距轴线及节点（5mm倍数）⑶角钢的切削⑷节点板的形状1512/15/20192、节点构造与计算（1）计算步骤a.假定焊角尺寸——求出肢尖，肢背焊缝长度b.画图确定节点板尺寸c.节点板强度、稳定验算（2）焊缝传力分析a.腹杆与节点板——轴力（N）b.弦杆与节点板——内力差[N1-N2或15%(Af)]c.拼接角钢与弦杆——Nmin或Af等1612/15/2019例3：焊接梁翼缘焊缝的计算焊脚尺寸为：221fwffzx11.4FVShflI22wffff/fvfefz211.4TFhhl1712/15/2019（1）肩梁的截面特点a）惯性矩大于上柱的惯性矩b）高度要满足其与上柱翼缘传力的连接焊缝长度的要求。c）高跨比取0.35～0.5例4：肩梁的简化与计算（2）计算模型：简支深梁2211腹板下盖板上盖板上柱内翼缘1122a)单腹壁肩梁1812/15/2019F1=N/2M/a1F2=N/2+M/a1c)肩梁计算简图F1F2aa1MN单腹壁肩梁简图（3）计算简图（4）肩梁的计算内容•强度验算正应力剪应力•焊缝验算肩梁的简化计算弯矩图剪力图123451912/15/20193.2螺栓节点★螺栓类型普通螺栓（A、B、C）、高强度螺栓（摩擦型、承压型）——摩擦面、预拉力★螺栓排列间距应满足受力、构造、施工要求——并列、错列或混合★螺栓应用范围承载力、动力荷载、临时安装、变形要求2012/15/20193.2螺栓节点(1)破坏模式•螺栓连接5种破坏•节点板拉剪撕裂破坏•节点板失稳2112/15/2019(2)计算《GB50017》•单个螺栓承载力——•节点板拉剪撕裂验算•节点板稳定——加劲肋3.2螺栓节点一个摩擦型高强螺栓的设计承载力计算bvvbvfdnN42bcbcftdNbtebtebtfAfdN42一个普通螺栓的设计承载力计算bvRfNnPbt0.8NP2212/15/2019板不被拉开时，中和轴在螺栓群形心处；板若被拉开时，中和轴在最外排受压螺栓形心处M211/()0.8iNMymyP例：螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算Mb11t2iMyNNmy2312/15/2019例：螺栓群在扭矩、剪力、轴心力作用下的抗剪计算NT2VT2b11x1x1y1ymin()()NNNNNN螺栓1受的最大剪力N1应满足：2412/15/2019构造节点——受力分析——计算图8.3.4梁柱节点的变形和柱腹板的受力90cbwhhtvwcbbbfthhMM34212512/15/201920MHh10MHNh（N、M分别为刚架计算时的横梁轴力和支座弯矩）wfwfwfwfflheHlhHlhR211122)7.0267.02(22.11)7.02(焊缝1btN螺栓最大受拉的拉力应满足不大于螺栓受拉的承载力设计值端板可以近似按嵌固于两列螺栓间的单跨固接板计算弯矩，则端板厚度tmaxmaxmax1111626382NbMNbtlflflf2612/15/2019例轴心受压柱脚的计算内容：确定底板的尺寸、靴梁的尺寸及它们之间的连接焊缝。(1)底板计算底板平面尺寸A=N/fcc底板中如有锚栓孔，A中应包含锚栓孔面积A0。B=b+2t+2cc取2~10cm，且使B为整数L=A/Bq=N/(BL-A0)2712/15/2019底板厚度底板厚度由板抗弯强度决定。地板被分为四边支承板、三边支承板和悬臂板。M4=qa2四边简支板的弯矩系数b/a1.01.11.21.31.41.51.60.0480.0550.0630.0690.0750.0810.086b/a1.71.81.92.03.04.00.0910.0950.0990.1010.1190.125M3=qa12b1/a10.30.40.50.60.70.80.91.01.21.40.0260.0420.0580.0720.0850.0920.1040.1110.1250.1252812/15/2019M1=qc2/2则max6/tMf底板的厚度一般在20mm~40mm之间，不宜小于14mm。(2)靴梁计算厚度与被连接的柱子翼缘大致相同，高度由连接柱所需要的焊缝确定。二块靴梁板承受的最大弯矩：M=qBl2/2二块靴梁板承受的最大剪力：V=qBl(3)隔板计算厚度不小于长度的1/50，受力取阴影部分基础反力。2912/15/20193.3球节点★球节点类型焊接球、螺栓球、节点板式、嵌入式…★球节点设计材料、直径、壁厚…3012/15/2019图3—30焊接空心球节点图3—32空心球节点杆件间缝隙a≮10mmD/2D/2d1ad2★焊接球节点焊接球特点传力明确，构造简单，连接方便，适用性强；但用钢量大(20%～25%)，残余变形影响构造⑴由钢板热压成两个半球(Q235或Q345)，焊接⑵球内可加肋或不加肋计算（1）杆件间缝隙a≥10mm（2）球体承载力（D、t）受压承载力受拉承载力fdtNtt55.0DdttdNcc223.13400（3）球-杆的焊缝计算3112/15/2019★螺栓球节点特点节点小，重量轻，用钢量占网架重量的10%左右，安装方便，可拆卸；但球体加工复杂，零部件多，要求精度高，价格贵。构造⑴组成——螺栓球(45号钢锻压或铸造)；高强度螺栓，紧固螺钉(40Cr或40B)；套筒，锥头或封板(Q235或Q345)等。⑵传力途径——拉杆（高强度螺栓受拉，套筒不受力）压杆（螺栓不受力，套筒接触面受压力）计算球体直径、高强螺栓（L、d）套筒壁厚封板厚度3212/15/2019□钢球尺寸（直径D）D≥21221122sinddctgddD≥212212sindctgdd（1）螺栓不碰要求：（2）套筒接触面要求：（3）相邻杆件的封板在球外不相碰321,,maxDDDD211221212)(4)cotsin(dDSDDDD3312/15/2019□高强度螺栓尺寸Sdlb（3—40）图3—38高强螺栓几何尺寸式中ξ——螺栓伸入钢球的长度与螺栓直径之比，一般ξ＝1.1；0.65dlb1.56dd3412/15/2019⑴套筒承压强度⑵套筒长度fANncc12aaS21bbaS(a）套筒上开滑槽；(b）套筒上开螺钉孔（a）采用滑槽（b）采用螺钉□套筒3512/15/2019⑴锥头——杆件管经较大，焊缝等强设计⑵封板——杆件管经较小，板件厚度由抗弯强度确定（a）锥头与钢管连接；（b）封板与钢管连接RfSRN)(2□锥头和封板3612/15/20193.4管节点无论是园管还是方管，其截面材料都分布在远离中性轴的位置，而且是剪心和形心重合的封闭截面，抗弯和抗扭的力学性能好，防腐蚀性能好。由钢管构件组成的桁架可以省去大量节点板、填板，节省钢材的幅度20%～50%。矩形管屋架节点构造比圆管简单。3.4.1管节点的特点3712/15/2019★管结构的适用范围：（1）不直接承受动力荷载。对于承受交变荷载的直接焊接钢管节点，其疲劳问题远较其它型钢杆件节点受力情况复杂。（2）为防止钢管发生局部屈曲，限制钢管的径厚比或宽厚比；或（3）管结构采用的管材不应采用屈服强度fy超过345N/mm2以及屈强比fy/fu0.8的钢材，且钢管壁厚不宜大于25mm。yftd235100tbyfth235403812/15/2019圆管结构的节点形式方、矩形管结构的节点形式3.4.2管节点的形式影响节点工作性能的参数：p为搭接支管与主管的相贯长度，g为两支管间搭接部分延伸至主管表面时的长度，g与p的比值代表搭接率；e为支管轴线交点与主管轴线间的偏心矩3912/15/2019□影响节点强度和刚度的重要几何和力学参数：•主管的径厚比（或宽厚比）；•支管和主管间的直径比（或宽度比）；•各支管轴线与主管轴线间的夹角；•对空间节点还有主管轴线平面处支管间的夹角等；•钢材的屈服强度和屈强比；•主管的轴压比等。□试验研究表明：节点的承载能力与节点的构造形式和上述参数间的关系十分复杂，为了确保安全和简化计算，根据工程实际实用范围和试验研究的范围，在规范GB50017中提出了一系列构造要求和参数限制。当设计者根据规范的规定进行管节点的设计时，必须满足这些要求和限制。3.4管节点4012/15/20193.4.3管节点的破坏模式◇主管面板塑性破坏◇主管面板冲剪破坏◇主管竖板失稳◇主管竖板受拉屈服◇K型节点间隙部位竖板剪切破坏◇支管局部破坏◇焊缝破坏（传力不均匀导致）以上7种失效模式，有时会同时发生。规范针对不同破坏模式给出了节点承载力的计算公式及构造要求，这些公式只有少数是理论推出的，大部分是经验公式4112/15/2019