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1、节点设计方法,主讲人：李峰,1,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,1 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,2 节点的构造,3 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,3.1 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；E50 xx； E55xx；E60 xx ) ； 当两种材料焊接时
2、，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, 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,3.1 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,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：,将受压腹杆的内力乘以
3、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,仅有垂直于焊缝长度方向的轴心力时,同时有平行和垂直于焊缝长度方向的轴心力时,仅有平行于焊缝长度方向的轴心力时,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,（4）焊缝计算方法,弯矩、剪力和轴心力共同作用,正面角焊缝承担的力为 N3 =0.7hflw3f ffw,侧面角焊缝承担的力为,肢背 N1 =e2 N /（e1+e2）N3 /2=K1 NN3 /2,肢尖 N2 =e1 N /（e1+e2）N3 /2=K2NN3 /2,例1：受轴心力作用的三面围焊时角钢
4、连接,角焊缝的计算厚度he,角焊缝计算长度lw=l1-2hf,例2： 节点设计,1、设计原则 各杆轴线交于一点 标明角钢的定位尺寸 距轴线及节点（5mm倍数） 角钢的切削 节点板的形状,2、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,例3：焊接梁翼缘焊缝的计算,焊脚尺寸为：,（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
5、要求。 c）高跨比取0.350.5,例4：肩梁的简化与计算,（2）计算模型： 简支深梁,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,1,2,3,4,5,3.2 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,3.2 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,(2)计算GB50017 单个螺栓承载力 节点板拉剪撕裂验算 节点
6、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,一个普通螺栓的设计承载力计算,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,例：螺栓群在弯矩作用下的抗拉计算,例：螺栓群在扭矩、剪力、轴心力作用下的抗剪计算,螺栓1受的最大剪力N1应满足：,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,（N、M分别为刚架计算时的横梁轴力和支座弯矩）,焊缝1,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t,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
7、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+2c c取210cm，且使B为整数 L=A/B q=N/(BL-A0),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,M3=qa12,M1=qc2/2 则,底板的厚度一般在20mm40mm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
8、度不小于长度的1/50，受力取阴影部分基础反力。,3.3 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, 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 由钢板热压成两个半球(Q235或Q345)，焊接 球内可加肋或不加肋,计算 （1）杆件间缝隙a10mm （2）球体承载力（D、t）,受压承载力 受拉承载力,（3）球-杆的焊缝计算, 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 组成螺栓球(45号钢
9、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。 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, 钢球尺寸（直径D）,（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, 高强度螺栓尺寸, 套筒承压强度 套筒长度,( 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, 锥头杆件管经较大，焊缝等强设计 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
10、管连接, 锥头和封板,3.4 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, 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
11、厚不宜大于25mm。,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, 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
12、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,3.4.3 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, 节点补强,方法：局部加厚、套管、垫板、加劲肋、节点板等,搭接率 q/p=(23100) % 应优先选用非搭接型节点，
13、（其加工制作方便）,3.4.4 管节点的构造要求,铰接忽略小偏心的弯矩影响,不允许将支管插入主管内。主管与支管或两支管之间的夹角不宜小于30o。支管端部宜使用自动切管机械切割，支管壁厚小于6mm时可不切坡口；,支管与主管的连接焊缝，应沿全周连续焊接并平滑过渡。焊缝形式既可采用全周角焊缝，亦可部分采用角焊缝，部分采用对接焊缝。但是，支管管壁与主管管壁的夹角不小于120的区域宜采用对接焊缝或带坡口的角焊缝。角焊缝的焊脚尺寸hf不宜大于壁厚的2倍(支管为圆管)或1.5倍(支管为矩形管)； 对于有间隙的K、N型节点，支管间隙a不应小于两支管壁厚之和。对于搭接的K、N型节点，两支管壁厚不同时，薄壁管应搭
14、接在厚壁管之上；两支管钢材强度不同时，低强度管应搭接在高强度管之上。,3.4.4 管节点的构造要求,当 以及矩形管节点的其它几何参数满足下表，同时桁架平面内主管的节间长度与截面高度之比不小于12、支管相应之比不小于24时，可将节点视作铰接进行内力分析；,3.4.5 管节点的计算方法,主管和支管作为普通的轴心受力构件或压(拉)弯构件，不仅要满足承载力的要求，同时，支管的轴向内力设计值还不应超过节点承载力设计值。 节点的承载力与节点的破坏模式紧密相关，比值=bi /b是影响节点力学性能、反映破坏模式的重要参数。对于K、N型节点： 支管节点焊缝承载力应大于等于节点承载力。,（见规范各种节点计算公式）
15、,当由主管壁塑性铰线的失效模式控制时，受压支管在管节点处的承载力设计值按下式计算： 式中 n参数；n1-0.3 -0.3( )2；当节点两 侧或一侧主管受拉时，n1。 t主管壁厚； 支管轴线与主管轴线之夹角； f主管钢材抗拉、抗压和抗弯强度设计值； fy主管钢材的屈服强度； 节点两侧主管较小轴心压应力的绝对值。,例：对X形圆管节点，支管承受轴力时的强度计算,3.4.5 管节点的计算方法,当0.85时，主管的连接面因受弯出现多条屈服线而达到承载能力极限状态：,当=1.0时，主管侧壁在局部拉(压)力作用下失效导致承载能力极限状态,当0.851.0时，还需要考虑支管受拉(压)强度和主管连接面冲剪强度
16、的要求。其承载力,当0.8512t/b时，主管连接面冲剪强度为：,例：矩形支管的T、Y和X型节点（Nipj）,例： 相贯焊缝的计算,3.4.5 管节点的计算方法,支管与主管间的连接焊缝可沿相贯线用角焊缝或部分采用对接焊缝、部分采用角焊缝相焊。为确保焊缝承载力大于或等于节点承载力，角焊缝的最大焊脚尺寸可用到支管壁厚的2倍。,（其中 ）,计算可视为全周角焊缝，按,圆管焊缝的计算长度：实际上是支管与主管相交线长度，主、支管均为圆管的节点焊缝传力较为均匀，焊缝的计算长度取为相交线长度，该相交线是一条空间曲线。规范取为：,当di/d0.65时： lw(3.25di0.025d)(0.466) 当di/d0.65时： lw(3.81di0.389d)(0.466) 式中 d、di分别为主管和支管外径； i支管轴线与主管轴线的夹角。,