空间结构节点设计进展与实践

文章编号：1000-6869（2011）12-0001-15

空间结构节点设计研究进展与实践

范重，杨苏，栾海强

（中国建筑设计研究院，北京100044）

摘要：结合近年来国内外空间结构节点设计研究的进展、GB50017—2003《钢结构设计规范》修订工作以及作者的工程实践，对空间结构中的螺栓球与焊接球节点、圆钢管与方钢管相贯节点、高强螺栓连接板节点、铸钢节点、球形钢支座、板式橡胶支座、向心关节轴承支座、连桥支座等的研究进展进行了较为全面回顾。对空间结构节点形式选择要点、节点设计的基本原则、各类节点对钢材性能的要求进行了探讨，对节点刚度、节点重量的估计方法、节点加工制作工艺与质量控制要点进行了分析。对各类节点设计中存在的问题以及相应的改进措施进行了阐述，并给出了有代表性的节点计算分析与工程应用实例。最后，对空间结构节点设计与研究未来的发展方向进行了展望。

关键词：空间结构；节点；支座；设计；进展

中图分类号：TU393.304文献标志码：A

Research progress and practice of design of

spatial structure joints

FAN Zhong，YANG Su，LUAN Haiqiang

（China Architecture Design and Research Group，Beijing100044，China）

Abstract：Based on the development of research on the design of spatial structure joints in China and other countries in recent years，the revision work of the National Standard，‘Code for design of steel structures’（GB50017—2003）and the author’s project practice，the paper comprehensively reviews the research progress of bolted spherical joint and welded spherical joint，intersecting round pipe and intersecting rectangular pipe joint，high strength bolted connection plate joint，cast steel joint，spherical steel bearing，laminated rubber bearing，radial spherical plain bearing，and connecting bridge bearing，etc．in spatial structures．This paper studies the selection points of joint form，the basic principles of the joint design，the requirement of all the joints aforementioned about steel performance and analyzes the effect of joint stiffness，the estimation method of joint weight，the processing technology and quality control points．The problems that need attention in the design of all the joints aforementioned and the corresponding improvement measures are elaborated in this paper．Some examples of representative joint calculation，analysis and engineering application are given．Finally，this paper points out the development trend of the spatial structure joints design and research in the future．

Keywords：spatial structure；joint；bearing；design；progress

基金项目：《钢结构设计规范》国家标准科研专项基金项目（GB500172010-13）。

作者简介：范重（1959—），男，北京人，教授级高工。E-mail：fanz@

收稿日期：2011年7月

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0引言

空间结构是目前工程应用较为广泛的结构形式之一。随着我国社会经济的发展，特别是以2008年北京奥运会与2010年上海世博会为契机，空间结构在我国得到很大的发展。结构跨度愈来愈大，建筑创意与建筑风格的多样化，既反映出时代的特点，同时也对结构技术提出了巨大的挑战。空间结构节点形式种类繁多：螺栓球节点与焊接球节点主要适用于网架与网壳结构；相贯焊接节点主要适用于管桁架结构；随着相交杆件数量的增多，以及杆件夹角的不规则性，铸钢节点在空间结构中的应用也逐渐增多。

在空间结构设计中，应合理运用各种简单实用的节点形式，在满足建筑形态与功能要求的同时，做到安全可靠，施工方便，经济合理。

本文结合近年来国内外空间结构节点设计研究的进展、国家标准GB50017—2003《钢结构设计规范》修订工作以及作者的工程实践，对空间结构中的螺栓球与焊接球节点、圆钢管与方钢管相贯节点、高强螺栓连接板节点、铸钢节点、球形钢支座、板式橡胶支座、向心关节轴承支座、连桥支座等设计研究的进展进行了回顾，对上述各类支座设计中需要注意的问题进行了阐述，并给出了工程应用实例。

1空间结构节点设计原则

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［1-2］。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。

（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。

（6）节点构造应便于制作、运输、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。

2球型节点

2.1螺栓球节点

螺栓球节点可用于网格比较规则的中、小跨度

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