钢结构节点分析 同济大学

• 设计或建设方认为对结构安 全至关重要的节点； • 8度、9度抗震设防区内，对 结构安全有重要影响的节点 • 在使用过程中将发展较大程 度的塑性的节点 • 与其它构件采用复杂连接方 式的节点
铸钢节点
广州会展中心
最早的铸钢节点试验 自平衡装置
郑州会展中心
铸钢节点
哈尔滨会展中心、郑州会展中心
铸钢节点
东方体育中心？？
铸钢节点
规程编制
《建筑用铸钢节点技术规程》CECS235
– – – – – – – – 总则 术语和符号 材料和设计指标 设计规定 构造规定 加工要求 焊接要求 检验与验收
内环
径向
关节轴承节点
浦东国际机场二期
轴向
外环
环向
关节轴承节点
浦东国际机场二期
关节轴承节点
浦东国际机场二期
Actuator V0
巨型梁柱节点
上海中心
1 10 1 Actuator H1 Actuator H2
Actuator V2a(b)
Actuator V1
巨型梁柱节点
上海中心
Plexiglass as form
keep elastic at seismic fortification intensity severe local buckling of web member end deflection L/15 (M), L/30 (C) crack in bottom chord and concrete occur in cyclic loading shuttle shape hysteretic loop
平面K、平面KT、空间KK型节点 焊缝模拟、接触问题 考虑施工工艺的节点计算公式 成果引入钢管节点设计规程
参数分析
有 限 元 校 准
800 600 400 200 δ(mm) 0 0 2 4 6 8 10 12 试验值 实体有焊缝 实体无焊缝
公 式
钢管节点
反复荷载下 内隐蔽部分不焊接
施工工艺的影响
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
节点刚度特性 节点刚度对整体结构性能的影响 国家自然科学基金项目
1200 N(kN) 1000

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
有 限 元 校 准
800 600 400 200 δ(mm) 0 0 2 4 6 8 10 12 试验值 实体有焊缝 实体无焊缝
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）
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
节点设计的核心问题
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

小结构：构造和计算
节点分析与设计
有限元分析
材料模型
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
混凝土
Stephen 简化模型 弹塑性损伤模型
节点分析与设计
边界条件
简化的边界约束：刚接 扩大单元
N(kN)
δ(mm)
JD-7贯通腹杆 骨架曲线 -1 0 1 2 3 4 5 6 7
钢管节点
国家体育场
铸钢节点
试验的必要性
应力检验试验 破坏性试验
避免了复杂钢节点的制作难、交汇 焊接的高残余应力等问题 节点形状、尺寸有很大的设计灵活 性 材料不密实，浇注工艺影响大 工程应用少，统计性不足 有限元不准确，或不足以完全说明 问题
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？
节点分析与设计
试 验
一个实例
破 坏 模 式、 机 理 数值反演
“新型”节点
节点设计原则 有限元方法 节点试验
理论
实验
结构工程
数值计算
节点分析与设计
有限元分析
有限元软件
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 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
构 造
节点设计的核心问题
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

小结构：构造和计算
栓焊混合？ 抗震特殊构造
• • • •
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
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
计 算
破坏模式1:螺栓剪断←板较厚，螺栓较细
破坏模式2:钢板孔壁挤压←板较薄，螺栓较粗 算 破坏模式3:钢板拉断←板开孔，截面削弱
计 算
计
破坏模式4:钢板剪坏←螺栓端距太小
计 构 算 造
破坏模式5:螺栓弯曲破坏←板过厚，螺栓细长
环向：拱模型
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
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
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

巨型梁柱节点
上海中心
Monotonic loading
Cyclic loading
巨型梁柱节点
科威特中央银行CBK
Case2: one tension, one compression
Case1: both compression
Specimen 1

Test technology
self balanced test setup load up to 6000kN
1.2 1.0 2/3
θ p = M p Lb / EI b
M / Mp
0.25
0.25
θ / θp
1/8 1/5 1/2
1/25 3/25 1/2
θ / θp
有侧移框架
无侧移框架
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？
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
有限元分析
加载方式
节点力平衡 根据作用效应归并部分外力
收敛准则 求解方法 有限元结果分析
与杆系力学结果的互证
节点分析与设计
节点试验
结构整体
结构构件
连接节点
节点分析与设计
节点试验 试验类型
应力检验试验 破坏性试验
何时需要进行试验（以CECS235为例）
设计或建设方认为对结构安全至关重要的节点 8度、9度抗震设防区内，对结构安全有重要影响
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
节点设计的核心问题
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
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
节点与结构：节点性质对结构行为的影响
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
荷载 结构体系
钢结构设计原理
结构、构件、节点
成都双流国际机场
钢管节点
节点刚度试验
上海光源工程
上海国际会议中心
钢管节点
施工工艺的影响
内隐蔽部分焊接与否 搭接顺序 焊缝质量 空间搭接方式 动力荷载作用
定位、安装
定位、安装
点焊
全周焊
钢管节点
试 验
施工工艺的影响
破 坏 模 式、 机 理 数值反演
1200 N(kN) 1000

20
30
1
1
Y X Z
Y X Z
30 27 24 21 18 15 12 9 6 3 0 0 60
能量(kN.m)
连接 节点域 柱
90 120 150 180 210 240 270 300 加载级别Δ(mm)
巨型梁柱节点
上海环球金融中心
巨型梁柱节点
上海环球金融中心
巨型梁柱节点试验
上海中心
Core wall + Super column + Outrigger truss + (mega frame) Belt truss
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
节点设计
计算 + 构造
节点与结构的关系
Why we MUST focus on it
栓焊混合？ 抗震特殊构造
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
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
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
钢结构节点设计
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
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
的节点
在使用过程中将发展较大程度的塑性的节点 与其它构件采用复杂连接方式的节点
283 15
265
1821
1
梁柱节点
柱
刚度与耗能
1621
1765
1300
梁
200
491
491
1330
300
弯矩 M （ kN.m ）
200 100 0 -100 -200 -300 -30
B1-2
0
-20
-10 0 10 节点转角θ （mrad）