钢结构节点分析-同济大学

钢结构节点设计、分析与试验赵宪忠同济大学主要内容钢结构节点设计的核心问题节点自身：构造和计算节点与结构的关系节点分析与设计典型工程节点梁柱节点/钢管节点/铸钢节点/轴承节点钢结构设计原理结构、构件、节点冶炼钢材加工制作构件和节点安装结构体系荷载强度、稳定、刚度内力和变形…..S≤R性能要求：安全、适用、耐久、经济把握整体：传力连续关注细节：节点和构造逆向解构：施工过程钢结构节点设计其重要性无论如何强调都不为过钢结构设计把握整体：传力连续关注细节：节点和构造逆向解构：施工过程钢结构构件材料:均质设计方法:相对完善阪神地震?钢结构节点构造复杂：小结构设计方法：不完善其重要性无论如何强调都不为过节点设计的核心问题构造和计算节点构造whatitis节点分析和计算howtocalculateit承载性能:破坏模式和极限承载力变形性能：刚度，初始刚度和全程刚度耗能能力：能耗机制与设计原则节点与结构的关系WhyweMUSTfocusonit节点设计计算+构造节点设计方法查找破坏模式给出设计对策节点设计的核心问题小结构：构造和计算破坏模式1:螺栓剪断←板较厚，螺栓较细破坏模式2:钢板孔壁挤压←板较薄，螺栓较粗破坏模式3:钢板拉断←板开孔，截面削弱破坏模式4:钢板剪坏←螺栓端距太小破坏模式5:螺栓弯曲破坏←板过厚，螺栓细长计算示例：螺栓抗剪设计计算计算构造计算构造节点设计的核心问题小结构：构造和计算•梁翼缘与端板的焊接•螺栓连接：位置和大小•端板设计：大小和厚度•加劲肋？节点构造不应太复杂传力要直接、连续尽量避免接触传力存在薄弱环节？破坏顺序控制注意构造细节栓焊混合？抗震特殊构造节点设计的核心问题小结构：构造和计算节点构造不应太复杂传力要直接、连续尽量避免机械接触传力节点设计的核心问题小结构：构造和计算节点构造不应太复杂传力要直接、连续尽量避免机械接触传力xdMVdz=•销轴弯曲•存在剪力？节点设计的核心问题小结构：构造和计算节点构造不应太复杂传力要直接、连续尽量避免接触传力存在薄弱环节？破坏顺序控制•轴承•销轴•突缘•下耳板•耳板加强板•嵌固板•箱形梁承载性能取决于“最短的一块板”等强设计各部件？节点设计的核心问题小结构：构造和计算节点构造不应太复杂传力要直接、连续尽量避免接触传力存在薄弱环节？破坏顺序控制注意构造细节栓焊混合？抗震特殊构造节点设计的核心问题节点与结构：节点性质对结构行为的影响节点性质对结构体系静定性的影响空腹桁架中腹杆与弦杆的节点不能全部为铰接←连续性倒塌单层网壳中杆件节点不能为铰接节点设计的核心问题节点与结构：节点性质对结构行为的影响节点性质对结构行为特征的影响框架的水平刚度，构件的计算长度结构的整体稳定性以及动力特性节点设计的核心问题节点与结构：节点性质对结构行为的影响节点性质对结构行为特征的影响框架的水平刚度结构的整体稳定性以及动力特性节点设计的核心问题节点与结构：节点性质对结构行为的影响节点性质对结构构件截面选择的影响刚接梁和铰接梁在重力荷载下的内力相差50%梁截面改变，影响了框架的整体刚度和冗余度MjMmqEILKjjθmδMj2M/(qL/8)jK/(2EI/L)Mm2/31/21/31013节点设计的核心问题节点与结构：节点性质对结构行为的影响节点构造与结构分析模型的一致性刚接？铰接？半刚接？单向铰？万向铰？p/θθp/MM1.21.02/30.251/253/251/2有侧移框架0.25p/θθp/MM1.21.02/31/81/51/2无侧移框架ppbb/MLEIθ=节点设计的核心问题节点与结构：节点性质对结构行为的影响节点构造与结构分析模型的一致性刚接？铰接？半刚接？单向铰？万向铰？组件法节点设计的核心问题节点与结构：节点性质对结构行为的影响节点构造与结构分析模型的一致性刚接？铰接？单向铰？万向铰？节点设计的核心问题节点与结构：节点性质对结构行为的影响节点构造与结构分析模型的一致性刚接？铰接？单向铰？万向铰？节点设计的核心问题节点与结构：节点性质对结构行为的影响节点构造与结构分析模型的一致性刚接？铰接？单向铰？万向铰？节点设计的核心问题节点与结构：节点性质对结构行为的影响节点构造、结构分析模型、施工图纸的一致性节点设计的核心问题节点设计原则概念设计解构与反演传力路线？施工过程？节点分析与设计一个实例公式的应用（适用性）破坏模式（Eurocode3）有限元方法节点试验020040060080010001200024681012δ(mm)N(kN)试验值实体有焊缝实体无焊缝有限元校准试验破坏模式、机理数值反演参数分析公式节点分析与设计传统节点公式的应用（适用性）破坏模式（Eurocode3）“新型”节点节点设计原则有限元方法节点试验结构工程数值计算理论实验节点分析与设计有限元分析有限元软件ABAQUS：接触单元，非线性求解效率ANSYS…..单元类型和网格精度实体元：C3D8R等,单元尺度板壳元：S4R等，单元尺度梁单元：CB31等桁架单元：T3D2等接触单元：接触面定义节点分析与设计有限元分析材料模型钢材：复杂应力状态下的强度准则采用Mises屈服条件强化准则：理想弹塑性、各向同性强化、随动强化双线性动力硬化模型，并假定塑性段切向模量为E/100混凝土Stephen简化模型弹塑性损伤模型节点分析与设计有限元分析边界条件简化的边界约束：刚接扩大单元加载方式节点力平衡根据作用效应归并部分外力收敛准则求解方法有限元结果分析与杆系力学结果的互证节点分析与设计节点试验结构整体结构构件连接节点节点分析与设计节点试验试验类型应力检验试验破坏性试验何时需要进行试验（以CECS235为例）设计或建设方认为对结构安全至关重要的节点8度、9度抗震设防区内，对结构安全有重要影响的节点在使用过程中将发展较大程度的塑性的节点与其它构件采用复杂连接方式的节点18211151621柱梁491491200130026517651330283-300-200-1000100200300-30-20-100102030节点转角θ（mrad）弯矩M（kN.m）B1-201XYZ1XYZ梁柱节点刚度与耗能03691215182124273006090120150180210240270300加载级别Δ(mm)能量(kN.m)连接节点域柱巨型梁柱节点上海环球金融中心巨型梁柱节点上海环球金融中心Corewall+Supercolumn+Outriggertruss+(megaframe)Belttruss巨型梁柱节点试验上海中心1110ActuatorH2ActuatorH1ActuatorV1ActuatorV2a(b)ActuatorV0巨型梁柱节点上海中心Plexiglassasform巨型梁柱节点上海中心MonotonicloadingCyclicloadingkeepelasticatseismicfortificationintensityseverelocalbucklingofwebmemberenddeflectionL/15(M),L/30(C)crackinbottomchordandconcreteoccurincyclicloadingshuttleshapehystereticloop巨型梁柱节点上海中心Testtechnologyselfbalancedtestsetuploadupto6000kNCase1:bothcompressionCase2:onetension,onecompressionSpecimen1Specimen2巨型梁柱节点科威特中央银行CBK钢管节点试验节点承载力试验上海体育场上海旗忠网球中心广州国际会展中心钢管节点节点承载力试验试验加载装置-自平衡框：直接加载-反力桁架：间接加载节点承载力-节点破坏模式-节点承载力公式-钢结构设计规范-国际管结构数据库钢管节点节点刚度试验节点刚度特性节点刚度对整体结构性能的影响国家自然科学基金项目成都双流国际机场上海光源工程上海国际会议中心钢管节点施工工艺的影响定位、安装定位、安装点焊全周焊内隐蔽部分焊接与否搭接顺序焊缝质量空间搭接方式动力荷载作用钢管节点施工工艺的影响平面K、平面KT、空间KK型节点焊缝模拟、接触问题考虑施工工艺的节点计算公式成果引入钢管节点设计规程020040060080010001200024681012δ(mm)N(kN)试验值实体有焊缝实体无焊缝有限元校准试验破坏模式、机理数值反演参数分析公式钢管节点施工工艺的影响4370295039501690作动器1作动器2搭接腹杆弦杆试验节点万向铰反力架固定端滑动端万向铰贯通腹杆actuator1actuator2反复荷载下内隐蔽部分不焊接-1200-1000-800-600-400-200020040060080010001200-7-6-5-4-3-2-101234567δ(mm)N(kN)JD-7贯通腹杆骨架曲线钢管节点国家体育场铸钢节点试验的必要性•设计或建设方认为对结构安全至关重要的节点；•8度、9度抗震设防区内，对结构安全有重要影响的节点•在使用过程中将发展较大程度的塑性的节点•与其它构件采用复杂连接方式的节点避免了复杂钢节点的制作难、交汇焊接的高残余应力等问题节点形状、尺寸有很大的设计灵活性材料不密实，浇注工艺影响大工程应用少，统计性不足有限元不准确，或不足以完全说明问题应力检验试验破坏性试验铸钢节点广州会展中心最早的铸钢节点试验自平衡装置铸钢节点哈尔滨会展中心、郑州会展中心郑州会展中心哈尔滨会展中心铸钢节点上海铁路南站自平衡装置（下滚轴）顶肢有无侧向限位铸钢节点2008北京奥运会老山自行车馆球铰式铸钢节点（侧向保护问题）一根分配梁实现四种加载工况铸钢节点浦东国际机场二期破坏性试验节点构造检验铸钢节点浦东国际机场二期破坏性试验球铰节点铸钢节点东方体育中心？？铸钢节点规程编制《建筑用铸钢节点技术规程》CECS235–总则–术语和符号–材料和设计指标–设计规定–构造规定–加工要求–焊接要求–检验与验收关节轴承节点浦东国际机场二期内环外环轴向径向环向关节轴承节点浦东国际机场二期关节轴承节点浦东国际机场二期A点环向：拱模型轴向：伸臂梁模型径向：承压B点组合：马蹄破坏关节轴承节点广州新电视塔破坏特点、破坏模式有限元模拟、参数分析建筑用关节轴承节点可靠度关节轴承节点广州新电视塔突缘凹槽垫板螺纹耳板加强板突缘耳板B耳板A销轴嵌固板模拟楼面梁凹槽向心关节轴承凹槽123关节轴承节点广州新电视塔破坏模式轴承：无破坏耳板与突缘：脱开耳板：变形销轴：严重压弯关节轴承节点广州新电视塔破坏机理：轴承无破坏内环外伸少销轴强度低(a)一般的销轴变形图(b)铰节点试验销轴变形图(a)试验轴承(b)一般轴承关节轴承节点广州新电视塔破坏机理：突缘与耳板间螺纹脱离螺纹受力分析加载力示意图轴向径向螺纹脱开关节轴承节点广州新电视塔破坏机理：耳板变形耳板B耳板A外筒柱耳板B耳板A加劲板外筒柱轴向径向关节轴承节点广州新电视塔节点改进：效果良好圈环口的凹槽由台阶型改为坡型；销轴材料强度提高耳板外侧增加耳板加劲肋；突缘与耳板之间一半为螺纹连接，一半为焊缝连接通长螺纹加劲肋关节轴承节点设计轴承设计极限承载力—额定荷载—设计荷载轴承类型轴承径向承载力(kN)JB/T8567厂家提供试验值有限元浦-GEG140680068001099210467广-GEG140X/XK2680047609500+9572广-GEG180X/XK2913874209300+13000轴承承载力改进关节轴承节点设计轴承设计轴承设计参数分析•凹槽开设深度：tg/D=0.006•凹槽开设宽度：wg