1、 （ 硕士研究生课程论文 ） 空间钢结构节点性能研究及其 设计方法综述 培养单位 ： 武汉理工大学 学科专业 ： 结构工程 课程名称 ： 结构动力学 课程代码 ： 研 究 生 ： 周强 指导教师 ： 陈 波 2013 年 12 月 目录 1 概述 . 2 2 空间钢结构节点设计原则 . 2 3 节点性能研究及其设计方法综述 . 3 3.1 螺栓球节点 . 3 3.2 焊接空心球节点 . 6 3.3 钢管相贯节点 . 9 3.3.1 圆钢管相贯节点 . 9 3.3.2 方钢管相贯节点 . 10 3.4 铸钢节点 . 12 4 结语 . 14 参考文献 . 16 1 空间钢结构节点性能研究及其 设
2、计方法综述 周强 (武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070) 摘要 ： 自空间网格结构应用于工程以来，已有近百种节点形式出现，但随着材料技术、计算技术及连接技术本身的发展，真正在工程中能较为广泛应用的仅有 10 多种节点形式。国内外对不同形式的节点性能作了大量的相关研究，设计方法 也多种多样，各国规范不尽相同 。本文 从工艺、安装、性能等方面介绍了节点设计原则， 重点介绍 了 4 种重要的节点形式 及其特点 ， 同时介绍了国内外对这 4 种节点性能作出的研究工作和相应的设计方法，并给出了一些重要的工程实例。 最后，展望了以后节点研究所需要做得工作。 关键 词 ： 空间结构；
3、节点； 性能； 设计方法 Review of the Research of Space Steel Structure Joints Performance and Design Methods Zhou Qiang (School of Civil Engineering and Architecture， Wuhan university of technology， Wuhan 430070， China） Abstract: Since the spatial grid structure was used in construction, there has beeb nearly
4、 a hundred types of joints. However, only dozens of joints are used in projects with the development of materials technology, computing technology and the connect technology itself. Many researchs have been carried out on the performance of different types of joints around the world, and there are a
5、 variety of design methods and corresponding codes. This paper introduces the principles of designing joints including craft, installation, performance and other aspects, focusing on the forms and characteristics of four kinds of important joints, and also introduces the research work and the corres
6、ponding design methods of these four kinds of joints. In addition, some exemples of important projects are given. Finally, this paper points out the development trend of the research about joints performance in the future. Key words: spatial structure; joints; performance; design methods 2 1 概述 钢结构体
7、系具有自重轻 、 安装容易 、 施工周期短 、 抗震性能好 、 投资回收快 、 环境污染少等综合优势 “与钢筋混凝土结构相比 ， 更具有在 “高 、 大 、 轻 ”三个方面发展的独特魅力 ，最近在我国建筑工程领域中已经出现了产品结构的调整 ， 长期以来混凝土和砌体结构一统天下的局面正在发生变化 ， 钢结构以其自身的优越性引起业内关注 ， 已经在工程中得到合理的 、迅速的应用 。空间钢结构由于其三维的几何构成形成合理的受力形态并充分发挥材料的性能而广泛受到人们的关注，各种形式的空间钢结构如网架结构、网壳结构、管桁架结构等不断涌现，它们的组合杂交结构更是花样翻新 。 空间钢结构网架或网壳，是由众多
8、杆件从几个方向有规律地组成的超静定结构， 连接杆件的连接件就是节点，空间结构能否大力推广，关键在于节点，构造简单、受力明确、安装方便、造价低的节点，就容易在空间结构中推广。 自空间网格结构应用于工程以来，已有近百种节点形式出现，但随着材料技术、计算技术及连接技 术本身的发展，真正在工程中能较为广泛应用的仅有 10 多种 节点形式 1。我国目前采用的焊接空心球节点和螺栓球节点是两种非常成熟的节点，所以在空间钢结构中得到广泛的应用，其次为板节点和直接汇交相贯节点，由此带来了我国空间结构的快速发展。 2 空间钢结构节点设计原则 空间结构节点的安全性至关重要。节点一旦失效，相连杆件将丧失部分或全部承载
9、功能，可能造成传力路径改变、结构体系局部破坏，甚至可能引发整个体系连续性破坏。近年来，钢结构节点的复杂性大大提高，节点形式复杂，交汇杆件数量多。节点是结构中受力最集中的部位，对于整体结构的安全性极为重要。 由于空间结构节点的多样性与复杂性，其设计方法在国内外结构设计规范中往往无法涵盖，合理确定节点的几何构型，进行详细的力学分析，必要时进行模型试验研究，是保证结构安全、提高材料利用率、有效减小用钢量的关键。 迄今为止，空间结构设计研究已经 取得了很大进展。空间结构节点设计的基本原则如下 ： (1) 节点设计应根据结构的重要性与受力特点、荷载情况和工作环境等因素，选用适当的节点形式、材料与加工工艺
10、。 (2) 节点设计应满足承载力极限状态要求，防止因强度破坏、局部失稳、变形过大、连接开裂等引起节点失效。当有抗震设防要求时，尚应按照现行国家标准的规定进行地震作用组合验算，其承载力应不低于与其连接构件的承载力，符合结构抗震性能指标的要求。 (3) 节点构造应符合结构计算假定，传力可靠，减小应力集中。当构件在节点偏心相交时，尚应考虑局部弯矩的影响。 (4) 特殊节点应通过有限元分析确定其承载力，新型节点宜通过试验验证其承载力。 (5) 节点材料应与构件材料相适应。当不同强度的钢材焊接时，可采用与低强度钢材相适应的焊接材料。节点对接焊缝质量等级不宜低于二级。 3 (6) 节点构造应便于制作、运输
11、、安装、维护，防止积水、积尘，并采取可靠的防腐与防火措施。 在进行空间结构节点设计时，应妥善处理好以下常见问题 : (1) 节点刚度 节点刚度与其构造形式密切相关。在空间网格结构中，除单层网壳外，一般均可假定节点为理性铰接，与结构实际受力情况基本一致。在管桁架中一般采用弦 杆贯通、腹杆直接焊接于主管的相贯焊接节点，此时间隙节点与搭接节点的刚度差异较大，间隙节点刚度较小，如果在整体计算中假定间隙节点构件之间为铰接，可能对管桁架的挠度值估计偏小。随着相贯节点杆件搭接率的增大，管桁架的刚度相应提高。对于内部设有较多加劲肋、刚度较大的节点构造，假定腹杆与弦杆之间刚接较为合理。 (2) 节点重量 节点重
12、量与结构体系和杆件截面形式有关，一般可占总用钢量的 5%15%。节点重量应在结构整体计算分析中予以考虑，可按总用钢量的 10% 估计。故此，在输入计算参数时，可将钢材容重乘以 1.1 倍。 (3) 节点形式 空间结构应尽量选择传力直接、构造简单、加工方便的节点形式，节点应便于与杆件连接，体积小，重量轻，造价低。 应优先采用性能可靠、安装方便的装配式节点，尽量减小现场高空焊接工作量。焊接节点应避免焊缝重叠，有效控制焊接残余应力与焊接变形。应注意高强钢材与低强钢材、厚钢板与薄钢板的连接构造的合理性，保证传力顺畅。必要时可局部采用铸钢节点。 3 节点性能研究 及其设计方法 综述 3.1 螺栓球节点
13、螺栓球节点是由带螺纹孔的钢球、无螺纹六角套筒、高强度螺栓、销子或紧固螺钉及锥头或 封 板等零件组成 ，如图 3.1 所示 。 螺栓球节点在安装过程中，随着螺栓的拧紧，螺栓、锥头或封板与套筒间形成自相平衡的预应力，预应力的大小与螺栓的拧紧程度有关。节点受拉时，锥头或封板将拉力通过螺栓传至球体，套筒上的预应力相应减小；节点受压时，锥头或封板将压力通过套筒传至球体，螺栓中预应力也相应减小。 螺栓球节点一般用于双层网格结构中。 4 图 3.1 螺栓球节点 在进行网架结构设计时，螺栓直径一般按构件的最大内力工况确定，螺栓球节点难以做到节点与构件受拉能力等强度。网架结构高强螺栓节点的失效形式属于脆性破坏，
14、没有发生杆件变形等预兆，为了防止在暴 雪、冻雨以及地震等突发情况下发生重大事故，在螺栓规格选用时应留有适当余量。 螺栓球节点 是 由一组零件组成 的 ，应分别对各个零件进行几何尺寸计算和强度计算。 一般可分为以下几个方面： 1） 带螺纹孔钢球的设计 ； 2） 高强螺栓计算 ； 3）套筒的计算； 4）锥头和封板的计算； 5）销子和螺钉的计算。 杜新喜等 2按照准确的螺栓球几何控制条件，推导了螺栓球直径控制公式，从而对规程公式进行修正，并完善了杆件夹角较小时锥头（封板）和杆件控制公式。用规程公式和文中公式（考虑螺栓球配件制作各项误差）对 7 种节点进行设计，对比发现 : 当杆件夹角较为合理时，本文
15、公式螺栓球节点用钢量明显低于规程公式用钢量 ; 当杆件夹角较小时，按照锥头（封板） 和杆件控制公式，本文公式能够增大螺栓球直径，从而避免杆件相碰。 Ghasemi 等 3对双层网架结构的试验研究结果表明，结构的荷载 -变形曲线具有显著的非线性特征，螺栓的紧固程度对结构刚度影响显著，非线性分析结果与试验结果较为接近。 在网架结构的节点中，当杆件较粗时，为了减小螺栓球的尺寸，就需要采用过度连接及锥头。锥头既属于杆件的一部分，也属于节点零件之一，主要承受或传递来自螺栓的拉力或套筒的压力。最优的锥头形状及截面尺寸，应使锥头 任一截面的强度与相连接的钢管等强。但锥头结构常为一厚壁旋转壳体，由于制造过程中
16、的缺陷及外力的不均匀，锥头结构受力复杂，且在锥体的两端交界面处，常有严重的应力集中，因而很难用一个理论公式来精确描述锥头的应力分布。为可此采用旋转体非线性有限元分析理论，对不同参数（锥度、壁厚、锥顶厚）的锥头进行数值分析，并与相应的 试验结果进行比较，最后用回归分析方法，推出现阶段网架结构使用范围的锥头承载力计算公式。 在螺栓球节点体系中，根据杆件受力性质的不同，节点部分的传力方式和各零件的作用亦不同。当杆件受压时，套筒与锥头之间传递压力，锥头的整个端面与套筒接触，压力基本上沿厚壁锥壳传递，锥头内弯矩很小，以面内薄膜力为主；当杆件受拉时，螺栓与锥头间传递拉力，锥头顶板内侧近内孔的局部环形区域受
17、压，而整个锥头体以受弯和受拉为主，在杆件受拉时，锥头内部的弯矩远大于受压时，因而锥头的承载力在杆件受压时比受拉时要大的5 多，因而现行设计方法均以锥头 受拉时的承载力作为锥头的设计承载力。 锥头体的承载力大小与锥头体的破坏形式密切相关 4，对于选取不同的锥头破坏形式，将得出不同的承载力数值。目前对锥头的研究，常有两种判断锥头破坏的方式，一是当锥头应力最大区域的塑性区在该区域贯通时，认为锥头达到极限承载力 ；二是在锥头的弹塑性数值计算中，当迭代计算发散时，认为锥头达到极限承载力。 第一种理论认为，当锥头局部完全屈服，形成一个线状塑性铰，则认为锥头破坏；第二种理论认为，当锥头在拉力作用下的位移不收
18、敛时，则认为锥头破坏。计算数据表明，若取迭代发散时的状态作为极限 状态，则相应的锥头变形过大，不适用于工程，而取塑性区域贯通时的状态作为极限状态，则锥头的变形基本能满足 / 150d 的设计要求。因而现行的锥头设计方法，取锥头局部塑形区贯通作为锥头的极限状态，并以此为依据，综合利用试验和数值分析的方法，回归推求锥头的设计公式。 根据大量的锥头参数（ D、 d、 d1、 h、 H、 d2、 S、 k） 数值分析和试验研究 3表明，锥头各参数与其极限承载力之间的关系基本上属于幂函数或指数函数。经非线性回归分析，可得到锥头计算的拟合公式为 3 0 . 71 . 7 4 0 . 4 0 . 2 60
19、. 4 4yhN D k S fH (2.1) 0 . 71 . 7 4 0 . 4 0 . 2 6 0 . 4 4 hN D k S fH (2.2) 式中 2Ddk H 21311.51.5ddS dd 6 图 3.2 锥头几何构造 N， N分别为锥头的抗拉极限承载能力和锥头的抗拉承载能力设计值，单位均为 N，所有几何量的单位均为 mm。 上式中各几何参数见图 3.2， d1 为螺杆直径， d2 螺头直径， d3 为锥头顶板内径， 1.5mm 为螺杆与锥头螺杆孔径之差。 对于螺栓球节点的网壳，由于节点连接处允许杆件与节点之间的相对转动，人们通常把螺栓球节点作为铰接来处理，认为螺栓球节点网壳
20、不具有抗弯能力，不能被应用在实际工程中，即使在网壳结构技术规程中，也没有螺栓球节点的网壳被使用在单层网壳中的内容。但实际上，螺栓球节点并不是理想的铰接节点 ，它具有一定的转动刚度，是介于刚接和铰接之间的一种半刚性的节点。 范峰等 5在 ANSYS 软件中，利用实体单元和接触单元建立了三种螺栓球节点的三维数值实体模型。并考虑了几何非线性和材料非线性，研究了螺栓球节点的弯曲刚度特征，得出了节点数值模拟模型的弯矩 -转角曲线。并通过试验验证了数值模拟的准确可行性。 张传成 6等研究了节点刚度对 2008 奥运羽毛球热身馆单层网壳稳定性的影响，利用调整节点刚度程序，研究了节点刚度与特征值之间的曲线关系
21、，并重点研究了节点刚度对单层网壳稳定性的影响，得出了一般情况下随着刚度的折减，结构的稳定性降低等结论。 丹麦学者 Mohammad Reza Chenaghlou7对螺栓球节点的转动能力进行了较为系统的研究 ,提出了理论计算的弯矩一转角曲线并对螺栓球节点进行了模拟 ,分析球节点的受力性能 ，并对多种半刚性节点的构造进行了分析，详细分析了节点的各种性能（如弯曲刚度、轴向力）对其的影响。 3.2 焊接空心球节点 焊接空心球节点 (图 3.3)是 19641966 年由天津大学刘锡良教授研发的，是目前使用最普遍的节点形式之一。焊接空心球节点是一种杆件直接焊接到闭合的球形壳体上所形成的节点。在单层网壳
22、中，焊接空心球上连接杆件的杆端除承受轴力外，尚有弯矩、扭矩及剪力作用。杆件轴力均由球 壳承受，对于受压为主的空心球节点，其破坏机理一般属于壳体稳定问题，而以受拉为主的空心球节点，其破坏机理则属于强度破坏问题。焊接空心球节点一般用于单层网壳和双层网格结构。 7 图 3.3 焊接空心球节点 螺栓球节点的设计包括三个方面： （ 1） 构造要求 1） 空心球节点外径 D 的最小值 Dmin 应使得汇交于其上的钢管间净距 a 不小于 10mm，即 12m in 2d d aD (3.3) 几何参数见图 3.4 图 3.4 球面汇交钢管构造 如果按上式确定的空心球直径过大，且连接杆件又多时为了减小节点球壳
23、的直径，允许部分腹杆与腹杆或腹杆与弦杆相汇交。汇交杆件的轴线必须通过球心，汇交两杆中，截面大的杆件必须全截面焊在球上。当两杆截面相同时，应将拉杆（主杆）焊在球上，另一杆坡口焊在主杆上，且必须保证有 3/4 截面焊在球上。 2） 空心球的壁厚应根据 杆件内力设计，通常外径 D 与壁厚 t 之比为 2545，球壁厚与连于球上的最大管壁厚之比为 1.22.0，且球壁厚 t 不宜小于 4mm。 3） 当空心球的外径 D 大于或等于 300mm，且连于球上的杆件内力较大时，宜在球内设环形加劲肋，以提高球的承载能力。通常加劲肋与内力较大的杆件位于同一平面。加劲肋的厚度不小于球壁厚。 4） 当空心球的壁厚
24、t 小于相连接钢管壁厚 tb 的 2 倍和当空心球的外径 D 大于与之相连圆钢管腹杆外径 db 的 3 倍时，空心球内宜设加劲肋。 8 （ 2）空心球节点承载力 1) 受压承载力 空心球节点受压破坏的控制因素是球壳的稳定。由于空间结构杆件在节点处汇交的多向性和任意性，目前无法求得一个可普遍适用的解析表达式，而非线性数值解法分析工作量大，难以适用于工程设计。目前设计公式是以现有的大量试验数据为依据，回归出来的近似公式。试验表明，球壳节点在单向受力和双向受力两种状态中，其极限荷载基本接近。因此，现行规程采用的球节点受压承载力是以单向受压试验为依据回归出的公式。 球节点受压承载力设计值为 224 0
25、 0 1 3 .3cc tdN t d D (3.4) 式中 cN 空心球轴向受压承载力设计值； D 空心球外径（ mm）； t 空心球壁厚（ mm）； d 与球节点相连受压力最大的钢管外径（ mm）； c 受压空心球加劲承载力提高系数， 加劲时， c =1.4，不加劲时， c =1.0。 式 3.4 的适用范围为 D500mm。 2) 受拉承载力 试验表明，空心球节点受拉破坏具有冲切破坏的特征，这种破坏性质属强度破坏。同时，加劲肋对球节点受拉承载力提高不多。根据剪切破坏模式，受拉球节点的承载力为 tvN td f (3.5) 式中 tN 空心球轴向受压承载力设计值； vf 抗剪强度设计值，因球节点受剪受力复杂，取 0.55yff 因此，修正后的球壳节点受拉承载力设计值为 0.55ttN td f (3.6) 式中 t 为受拉空心球加肋提高系数。 加肋 t =1.1，不加肋 t =1.0。 （ 3）焊缝计算 钢管与球壳节点采用焊接连接，一般采用完全焊透的坡口对接焊缝，焊缝质量应达 级，此时可视焊缝与母材等强而不必计算。当连接焊缝不满足破口对接焊缝或采用角焊缝时，则应按角焊缝计算相应焊缝强度。
