钢结构节点分析 同济大学
同济钢结构课程课件第三章连接构造与计算
本章导读（5）
本章的知识点分布：
1、钢结构的基本连接方式 2、焊接连接形式与焊接连接特性 3、焊接应力与焊接变形 4、对接焊缝的构造 5、对接焊接的计算 6、角焊缝的构造 7、角焊缝的受力特点 8、角焊缝的计算 9、普通螺栓连接的构造 10、普通螺栓的受力特点和设计承载力 11、普通螺栓连接的计算 12、高强度螺栓连接的构造 13、高强度螺栓连接的计算
焊
焊
2 焊接连接形式及特性（5）
焊丝
2.1 焊接工艺－－气体保护焊
• 采用CO2气体（代替焊剂）、焊丝 • 电弧使焊丝熔化形成焊缝 • CO2气体保护被焊金属与空气接触
焊接速度快，熔化深度大 可手工焊，也可自动化操作 目前工厂很常用的焊接方法 室外施焊要有避风措施，防止气孔、焊坑缺陷
，以实现在节点处传递内力。 具体设计时应根据荷载设计值所产生的结构或构件内力响应进行
连接节点的计算。 正确计算节点所承受（或传递）的内力是保证节点安全传力的前
提，而根据节点连接的传力机理选择适当连接方式以及连接件的布置 则取决于结构或构件所承受的荷载特征、连接处的构件截面形状、构 件尺寸、连接区的尺度、节点刚度要求、不同连接方式的构造要求、 施工的可能性等诸多因素。
3.3 降低焊接应力和焊接变形的措施
加工措施
合理安排焊接次序，拆分多道焊缝。 施焊前，预加反向变形。
分多道焊缝
焊接次序交替进行
预加反变形
4 对接焊缝的构造（1）
4.1 坡口形式
板厚 t < 10 mm
板厚 t = 10 ~ 20 mm
电阻焊
利用电流通过待连接焊件的表面产生的热量融化金属、通过压力使之 熔合－－用于厚度不超过12mm钢板和薄壁型钢焊接
某场馆中复杂钢结构节点有限元分析
某场馆中复杂钢结构节点有限元分析发表时间：2018-07-23T18:47:01.867Z 来源：《基层建设》2018年第18期作者：陈毅麟[导读] 摘要：某局部布置带粘滞阻尼墙的钢框架-中心支撑体系的场馆，在梁柱与支撑交叉的位置存在复杂的钢结构连接节点，需要对其进行有限元分析，本文即对场馆中关键位置的复杂钢结构节点进行多工况有限元分析，该节点在荷载增加至标准组合值时，仅在某些局部存在应力集中现象，在加载结束时梁翼缘大面积进入塑性，与之相连的柱翼缘和衬板也进入了塑性。
同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 200433摘要：某局部布置带粘滞阻尼墙的钢框架-中心支撑体系的场馆，在梁柱与支撑交叉的位置存在复杂的钢结构连接节点，需要对其进行有限元分析，本文即对场馆中关键位置的复杂钢结构节点进行多工况有限元分析，该节点在荷载增加至标准组合值时，仅在某些局部存在应力集中现象，在加载结束时梁翼缘大面积进入塑性，与之相连的柱翼缘和衬板也进入了塑性。
衬板有效地参与了受力，说明整体分析模型的有限元模拟得出的结果可靠。
1引言某场馆由两个单体组成，两个单体通过地下室连为一体，建筑面积约2万平方米，两个单体均属于抗震超限建筑，结构体系为局部布置带粘滞阻尼墙的钢框架-中心支撑体系，地下2层，地上4层。
本工程由大量的斜柱及穿层柱钢支撑组成，在斜柱与钢支撑、钢梁交接的位置形成复杂的非正交多向钢结构节点，是设计、加工、施工的的难点和关键点。
若采用梁柱节点、支撑与柱连接节点分别计算进行截面设计，而不是采用整体分析模型进行设计，往往不能真实的反映受力状态，因此有必要对复杂节点进行整体三维分析；针对形式复杂的节点研究，目前主要有试验研究及有限元分析，该项目的节点形式在以往工程中出现较多，也进行过大量的试验研究及有限元分析，关于该类型节点的整体有限元分析方法及假定成熟，为此针对该项目中出现的典型节点形式进行整体有限元分析可得到可靠的结果，同时本项目复杂节点处为斜柱，具有一定的工程代表性，通过本分析研究可为其他类似工程的运用提供参考。
同济大学钢结构课程设计
单层单跨门式刚架设计计算一、设计资料（1）设计参数单层房屋为单跨门式刚架，刚架跨度30m ，长度90m ，柱距6m ，檐口标高8m ，屋面坡度1：10。
屋面材料采用压型钢板，墙面材料采用彩钢板，天沟为彩板天沟。
基础混凝土标号为C30，214.3/c f N mm =，钢材材质为Q345，22y 310k /,180/c f N mm f N mm ==。
（2）设计荷载屋面恒荷载为0.52/kN m ，活荷载为0.52/kN m ；雪荷载为 0.22/kN m ，基本风压为0.552/kN m ，地面粗糙度为B 类，风荷载体型系数如图1所示。
图1 计算模型机风荷载体型系数二、荷载组合1、 1.20 恒载 + 1.40 活载2、 1.00 恒载 + 1.40 风载3、1.00 恒载+ 1.40 x 0.90 活载+ 1.40 x 0.90 风载4、1.35 恒载三、内力计算1、计算模型（如图2）图2 节点及单元编号图2、荷载工况荷载工况如图3恒载活载左风右风图3 荷载工况图3、各工况内力恒载、活载、作风和右风作用下的钢架内力如图4—图7。
轴力图（KN）剪力图（KN）弯距图(kN.m)图4 恒载作用下钢架内力图轴力图(kN)剪力图(kN)弯距图(kN.m)图5 活载作用下钢架内力图轴力N图(kN)剪力图(kN)弯距图(kN.m)图6 左风作用下钢架内力图轴力图(kN)剪力图(kN)弯距图(kN.m)图7 右风作用下钢架内力图4、组合内力选取荷载组合1（1.20 恒载+ 1.40 活载）对构件内力值进行验算。
该组合下的构件内力值见表1。
表1 工况1下组合内力表5、构件尺寸和截面特性表2 构件尺寸和截面特性表中：面积和惯性矩的上下行分别指小头和大头的值四、构件截面验算1、宽厚比验算 翼缘板自由外伸宽厚比()2008/29.612.410-=<=，满足规程限值要求。
腹板高厚比80021097.52068-⨯=<=（），满足规程限值要求。
同济大学钢结构教程
嘉兴电厂干煤棚 大连北良国储粮库 净跨60m
会展场馆 体育建筑 机场 剧院 高层建筑 塔桅结构 厂房 仓储 住宅 桥梁 储罐 其他构筑物
会展场馆 体育建筑 机场 剧院 高层建筑 塔桅结构 厂房 仓储 住宅 桥梁 储罐 其他构筑物
卢浦大桥
杨浦大桥
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其他构筑物
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上海新国际博览中心
广州会展中心 湖南国际会展中心
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上海八万人体育场
2008奥运会国家体育场
上海虹口足球场
绪 论
钢结构？ 哪里用？ 如何用？
主要内容
一、钢结构的特点 二、我国钢结构的应用 三、钢结构主要结构形式 四、钢结构可能的破坏形式 五、钢结构设计要求
一、钢结构的特点 1、强度高，重量轻 钢材 比重：7850Kg/m3, 抗拉设计强度（200～ ）N/mm2 重量/强度＝40 混凝土 比重：2500Kg/m3, 抗拉设计强度（1～ ）N/mm2 重量/强度＝2500 木材 比重：500Kg/m3, 顺纹抗拉强度（10～ ）N/mm2 重量/强度＝50
0
中国1990-2007年钢产量增长情况
65 35 71 00 80 93 89 54 92 61 95 36 10 12 4 10 89 1 11 45 9 12 39 5 12 84 9 15 16 3 18 22 5 22 01 0 27 28 0 34 94 0
41 87 8
48 92 4
钢结构节点分析_同济大学
4370
反力架
作动器1 actuator 1
作动器2 2 actuator
169 0
2950
3950
万向铰 万向铰
固定端
贯通腹杆
搭接腹杆
滑动端
试验节点 弦杆
1200 1000 800 600 400 200 0 -200 -400 -600 -800 -1000 -1200 -7 -6 -5 -4 -3 -2
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
q EI L Kj Mj Mm
1 2/3 1/ 2 1/ 3
M/(qL2 / 8)
Mj Mm
δm
θj
0
1
3
K j /(2EI/L)
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？
M / Mp
1.2 1.0 2/3
Specimen 2
钢管节点试验
节点承载力试验
上海体育场
广州国际会展中心
上海旗忠网球中心
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
钢管结构相贯节点的研究现状_陈以一
第32卷第7期建筑结构2002年7月钢管结构相贯节点的研究现状陈以一陈扬骥(同济大学钢结构研究室上海200092)[提要]简述钢管结构和相贯节点的类型,国内外对其承载性能试验、强度计算研究的进展,以及同济大学近年来的试验和分析工作,并提出了作者对相贯节点进一步研究课题的看法。
[关键词]钢管结构相贯节点研究评述T he authors introduce the steel tubular structure,the classification of tubular joints,t he de velopment of re searching tubular joints in our country and abroad,t he experiment and analysis resea rch in T ongji University recently.Some view points about further rese arch on tubula r joints are presented.K eyword s:steel tubular structure;tubular joints;rese arch appraisal一、概述近20年来,钢管结构在我国得到迅猛发展,在现代工业厂房、仓库、体育馆、展览馆、会场、航站楼、车站及办公楼、商住楼、宾馆等建筑中得到广泛应用。
钢管结构已不是传统意义上的钢管结构了,钢管作为建筑物的支柱,可与工字形截面或其他开口截面的钢梁构成框架结构;在以开口截面杆件为主的结构中,也可见作为其子结构的钢管桁架、网架等;钢管内填入混凝土后,可形成一种新颖的结构形式)))钢管混凝土结构。
钢管结构的优点是圆管和方管的对称截面形式使得截面惯性矩对各轴相同,有利于单一杆件的稳定性设计;截面的闭合提高了抗扭刚度;对板件局部稳定性而言,闭合截面也优于有悬挑板件的开口截面;这些无疑都是结构工程师所欢迎的。
第3章钢结构的链接 同济大学 钢结构 课件
▪ 焊接速度快，熔化深度大 ▪ 可手工焊，也可自动化操作 ▪ 目前工厂很常用的焊接方法 ▪ 室外施焊要有避风措施，防
止气孔、焊坑缺陷
电渣焊
• 采用管状焊条(熔嘴),
焊丝从管内进入
• 电流通过熔渣产生的
电阻热，熔化焊件和 焊丝，形成焊缝
• 有消耗和非消耗熔嘴
式电渣焊之分
消耗熔嘴式
非消耗 熔嘴式
电渣焊（续）
施焊姿势
俯焊 质量好
横焊
立焊
质量一般
仰焊 质量差
焊缝缺陷
热裂纹
冷裂纹
气孔
烧穿
夹渣
根部未焊透
边缘未熔合
焊缝层间未熔合
咬边
焊瘤
焊缝质量检验
三级
检
验
二级
标
准
一级
肉眼外观检查 用于一般连接
肉眼外观检查 ＋ 超声波 用于有较大拉应力的较重要连接
超声波 检测设备
肉眼外观检查 ＋ 超声波 ＋ X射线 用于抗动力、疲劳荷载的重要连接
焊接方式
平接（对接焊缝）
搭接（角焊缝）
顶接
（T型连接）
对接焊缝
角接
角焊缝
对接焊缝 角焊缝
焊缝形式及其特点
对接焊缝
直焊缝
斜焊缝
• 用料经济，传力平稳，动力性能好
• 较厚的板需开剖口，费工
角焊缝
• 施工简便
侧焊缝（与力平行） 端焊缝（与力垂直）
• 传力不均，应力集中严重，搭接时费料
角焊缝施焊方式
连续焊缝 间断焊缝 不重要或受力小的构件，可采用间断焊缝连接
角焊缝强度验算方法 (续)
计算公式 危险点
(
f
f
同济大学钢结构教程
Y
增加弯曲应力 的合力矩 N-v效应
由x0 N 引起的绕 x x轴M
由 r * ’ 分力与
X
EI x (v (4) v0(4) ) Nv '' Nx0 '' 0 （x 2 y 2 )组成的 (4) (4) '' '' 扭矩 EI y (u u0 ) Nu Ny0 0 同上，转y轴 EI ( (4) 0(4) ) GI t ( '' 0'' ) Nx0v '' Ny0u '' r0 2 N '' R '' 0
板厚
t1 40mm
a
b
轧制，对x轴，
其余（除本列a、c）
轧制工字型截 40 t 80mm,
面，对x轴
c
焊接单轴对称截面，对y轴（弯扭） 板宽厚比 20的焊接矩形截面
焊接单轴对称截面， 对x轴， 轧制工形截面 t 80mm, 对x轴
t 80mm, 对y轴
d 焊接单轴对称截面，对y轴， 轧制工形截面
2）临界应力 σcr按边缘纤维屈服准则的计算方法
弯曲变形的微分方程为（a），即： EI (v(4) v (4) ) Nv'' 0
x 0
z 假定压杆为两端简支，杆轴具有正弦曲线的初弯曲， v0 0 sin l 即 ，式中 0 为压杆中点的最大初挠度。 由上式可解得压杆中点的最大挠度为：
一、轴心受拉构件
1、截面形式
一、轴心受拉构件
2.轴心受拉构件强度计算
条件： ① 为净截面，无尖锐开孔。 ② 材料需要有较好的延性。 ③ 构造变坡应缓和。 ④ 连接时截面的各部分应均匀传力。
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θp = M pLb / EIb
M /Mp
1.2 1.0
2/3
M /Mp
1.2 1.0
2/3
0.25
θ /θp
1/8 1/5
1/2
无侧移框架
0.25
1/25 3/25
1/2
有侧移框架
θ /θp
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
节点设计的核心问题
小结构：构造和计算
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
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
q
M/(qL2 / 8)
EI L
Kj 1
Mj 2 / 3
1/ 2
Mm
1/ 3
δm
θj
0
1
3
Mj Mm
K j/(2EI/L)
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
节点设计方法
查找破坏模式 给出设计对策
示例：螺栓抗剪设计
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 计
算
破坏模式2:钢板孔壁挤压←板较薄，螺栓较粗
计 算
计
破坏模式3:钢板拉断←板开孔，截面削弱 算
破坏模式4:钢板剪坏←螺栓端距太小
计 算
构 造
构
破坏模式5:螺栓弯曲破坏←板过厚，螺栓细长 造
节点设计的核心问题
构造和计算
节点构造
what it is
节点分析和计算
how to calculate it
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
Why we MUST focus on it
节点设计
计算 + 构造
节点分析与设计
试
一个实例
验
破 坏 模 式、 机 理
1200
N(kN)
1000
有 800
限 600 元 400
校 200
准0
0
2
数值反演
试验值 实体有焊缝 实体无焊缝
δ(mm)
4
6
8
10
12
公式的应用（适用性） 破坏模式（Eurocode 3） 有限元方法 节点试验
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（Eurocode 3）
“新型”节点
节点设计原则
有限元方法
理论
节点试验
实验
结构工程
数值计算
有限元软件
节点分析与设计
有限元分析
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
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
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
钢结构设计原理
结构、构件、节点
荷载
结构体系
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
材料模型
节点分析与设计
有限元分析
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
节点设计的核心问题
小结构：构造和计算
承载性能取决于 “最短的一块板”
等强设计各部件？
• 轴承 • 销轴 • 突缘 • 下耳板 • 耳板加强板 • 嵌固板 • 箱形梁
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
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
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
• 销轴弯曲 • 存在剪力？
dM x = V dz
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
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
• 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 尽量避免机械接触传力
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
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？
பைடு நூலகம்钢材
冶炼
加工制作
安装
构件和节点
内力和变形…..
S≤R
强度、稳定、刚度
性能要求： 安全、适用、耐久、经济
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
钢结构节点设计
其重要性无论如何强调都不为过
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