钢结构节点分析 同济大学

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
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
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
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
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
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
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
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
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？
刚接？铰接？半刚接？ 单向铰？万向铰？
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
无侧移框架百度文库
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
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？
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
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
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