12.2 链接板节点

12.2.1 连接节点处板件在拉、剪作用下的强度应按下列公式计算：     式中：N——作用于板件的拉力(N)；
              A_i——第i段破坏面的截面积，当为螺栓连接时，应取净截面面积(mm²)；
              t——板件厚度(mm)；
              l_i——第i破坏段的长度，应取板件中最危险的破坏线长度(图12.2.1)(mm)；
              η_i——第i段的拉剪折算系数；
              α_i——第i段破坏线与拉力轴线的夹角。 12.2.2 桁架节点板(杆件轧制T形和双板焊接T形截面者除外)的强度除可按本标准第12.2.1条相关公式计算外，也可用有效宽度法按下式计算：     式中：b_e——板件的有效宽度(图12.2.2) (mm)；当用螺栓(或铆钉)连接时，应减去孔径，孔径应取比螺栓(或铆钉)标称尺寸大4mm。
12.2.3 桁架节点板在斜腹杆压力作用下的稳定性可用下列方法进行计算：
    1 对有竖腹杆相连的节点板，当c／t≤15时，可不计算稳定，否则应按本标准附录G进行稳定计算，在任何情况下，c／t不得大于22ε_k，c为受压腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆的净距离；     2 对无竖腹杆相连的节点板，当c／t≤10 ε _k 时，节点板的稳定承载力可取为0.8b_etf；当c／t＞10ε_k时，应按本标准附录G进行稳定计算，但在任何情况下，c／t不得大于17.5ε_k。
12.2.4 当采用本标准第12.2.1条～第12.2.3条方法计算桁架节点板时，尚应符合下列规定：
    1 节点板边缘与腹杆轴线之间的夹角不应小于15°；
    2 斜腹杆与弦杆的夹角应为30°～60°；
    3 节点板的自由边长度lf与厚度t之比不得大于60ε_k。
12.2.5 垂直于杆件轴向设置的连接板或梁的翼缘采用焊接方式与工字形、H形或其他截面的未设水平加劲肋的杆件翼缘相连，形成T形接合时，其母材和焊缝均应根据有效宽度进行强度计算。
    1 工字形或H形截面杆件的有效宽度应按下列公式计算[图12.2.5(a)]：     式中：b_e——T形接合的有效宽度(mm)；
               f_yc——被连接杆件翼缘的钢材屈服强度(N／mm²)；
               f_yp——连接板的钢材屈服强度(N／mm²)；
               t_w——被连接杆件的腹板厚度(mm)；
               t_f——被连接杆件的翼缘厚度(mm)；
               t_p——连接板厚度(mm)；
               s——对于被连接杆件，轧制工字形或H形截面杆件取为圆角半径r；焊接工字形或H形截面杆件取为焊脚尺寸h_f(mm)。     式中：f_up——连接板的极限强度(N／mm²)；
              b_p——连接板宽度(mm)。
    4 当节点板不满足式(12.2.5-4)要求时，被连接杆件的翼缘应设置加劲肋。
    5 连接板与翼缘的焊缝应按能传递连接板的抗力b_pt_pf_yp(假定为均布应力)进行设计。
12.2.6 杆件与节点板的连接焊缝(图12.2.6)宜采用两面侧焊，也可以三面围焊，所有围焊的转角处必须连续施焊；弦杆与腹杆、腹杆与腹杆之间的间隙不应小于20mm，相邻角焊缝焊趾间净距不应小于5mm。

图12.2.6 杆件与节点板的焊缝连接

12.2.7 节点板厚度宜根据所连接杆件内力的计算确定，但不得小于6mm。

条文说明

12.2.1 本条基本沿用原规范第7.5.1条。连接节点处板件在拉、剪共同作用下的强度计算公式是根据我国对双角钢杆件桁架节点板的试验研究中拟合出来的，它同样适用于连接节点处的其他板件，如本标准中图12.2.1。
    试验的桁架节点板大多数是弦杆和腹杆均为双角钢的K形节点，仅少数是竖杆为工字钢的N形节点。抗拉试验共有6种不同形式的16个试件。所有试件的破坏特征均为沿最危险的线段撕裂破坏，即图17中的面二折线撕裂，其中与节点板的边界线基本垂直。

图17 节点板受拉计算简图

    本标准式(12．2．1-1)的推导过程如下：
    在图17中，沿BACD撕裂线割取自由体，由于板内塑性区的发展引起的应力重分布，假定在破坏时撕裂面上各线段的应力σ′_i在线段内均匀分布且平行于腹杆轴力，当各撕裂段上的折算应力同时达到抗拉强度fu时，试件破坏。根据平衡条件并忽略很小的M和V，则

 按极限状态设计法，即：∑η_iA_if≥N
    式中：f——节点板钢材的强度设计值(N／mm²)；
              N——斜腹杆的轴向内力设计值(N)；
              A_i ——为第i段撕裂面的净截面积(mm²)。
    式(54)符合破坏机理，其计算值与试验值之比平均为87.5％，略偏于安全且离散性较小。
12.2.2 考虑到桁架节点板的外形往往不规则，用本标准式(12.2.1-1)计算比较麻烦，加之一些受动力荷载的桁架需要计算节点板的疲劳时，该公式更不适用，故参照国外多数国家的经验，建议对桁架节点板可采用有效宽度法进行承载力计算。所谓有效宽度即认为腹杆轴力N将通过连接件在节点板内按照某一个应力扩散角度传至连接件端部与N相垂直的一定宽度范围内，该一定宽度即称为有效宽度b_e。
    在试验研究中，假定be范围内的节点板应力达到f_u，并令b_etf_u＝N_u(N_u)为节点板破坏时的腹杆轴力)，按此法拟合的结果：
    当应力扩散角θ＝27°时精确度最高，计算值与试验值的比值平均为98.9％；当θ＝30°时此比值为106.8％。考虑到国外多数国家对应力扩散角均取30°，为与国际接轨且误差较小，故亦建议取θ＝30°。
    有效宽度法计算简单，概念清楚，适用于腹杆与节点板的多种连接情况，如侧焊、围焊和铆钉、螺栓连接等(当采用钢钉或螺栓连接时，b_e应取为有效净宽度)。
    当桁架弦杆或腹杆为T型钢或双板焊接T形截面时，节点构造方式有所不同，节点内的应力状态更加复杂，故本标准公式(12.2.1)和式(12.2.2)均不适用。
    用有效宽度法可以制作腹杆内力N与节点板厚度t的关系表，我们先制作了N-(t／b)表，反映了影响有效宽度的斜腹杆连接肢宽度b和侧焊缝焊脚尺寸h_f1、h_f2的作用，因而该表比以往的N-t表更精确。但由于表形较复杂且参数b和h_f的可变性较大，使用不便。为方便设计，便在N-(t／b)表的基础上按不同参数组合下的最不利情况整理出N-t包络图(表12)，使该表具有较充分的依据，而且在常用不同参数b、 h_f 下亦是安全的。

表12 单壁式桁架节点板厚度选用

    表12的适用范围为：
    1 适用于焊接桁架的节点板强度验算，节点板钢材为Q235，焊条E43；
    2 节点板边缘与腹杆轴线之间的夹角应不小于30°；
    3 节点板与腹杆周侧焊缝连接，当采用围焊时，节点板的厚度应通过计算确定；
    4 对有竖腹杆的节点板，当c／t≤15ε_k时，可不验算节点板的稳定；对无竖杆的节点板，当c／t≤10ε_k时，可将受压腹杆的内力乘以增大系数1.25后再查表求节点饭厚度，此时亦可不验算节点极的稳定；式中c为受压腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆的净距离。
    对于表12中的单壁式桁架节点，支座节点板的厚度宜较中间节点板增加2mm。
12.2.3 参照国外研究资料，补充了净截面计算时孔径扣除尺寸要求和修改了多排螺栓时应力扩散角的取值。本条为桁架节点板的稳定计算要求。
    1 共做了8个节点板在受压斜腹杆作用下的试验，其中有无竖腹杆的各4个试件。试验表明：
    1) 当节点板自由边长度l_f与其厚度t之比l_f／t＞60ε_k时，节点板的稳定性很差，将很快失稳，故此时应沿自由边加劲。
    2) 有竖腹杆的节点板或l_f／t≤60ε_k的无竖腹杆节点板在斜腹杆压力作用下，失稳均呈三折线屈折破坏，其屈折线的位置和方向，均与受拉时的撕裂线类同。
    3) 节点板的抗压性能取决于c／t的大小(c为受压斜腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆的净距，t为节点板厚度)。在一般情况下，c／t愈大，稳定承载力愈低。
    对有竖腹杆的节点板，当c／t≤15ε_k时，节点板的抗压极限承载力N_R,c与抗拉极限承载力N_R,t大致相等，破坏的安全度相同，故此时可不进行稳定验算。当c／t＞15ε_k时，N_R,c＜N_R,t，应按本标准附录F的近似法验算稳定；当c／t＞22ε_k时，近似法算出的计算值将大于试验值，不安全，故规定c／t≤22ε_k。
    对无竖腹杆的节点板，N_R,c＜N_R,t，故一般都应该验算稳定，当c／t＞17.5ε_k时，节点板用近似法的计算值将大于试验值，不安全，故规定c／t≤17.5ε_k。
    4)l f／t＞60ε_k的无竖腹杆节点板沿自由边加劲后，在受压斜腹杆作用下，节点板呈两折线屈折，这是由于区因加劲加强后，稳定承载力有较大提高所致。但此时N_R,c＜N_R,t，故仍需验算稳定，不过仅需验算区和区而不必验算区而已。
    2 本标准附录F所列桁架节点板在斜腹杆轴压力作用下的稳定计算公式是根据8个试件的试验结果拟合出来的。根据破坏特征，节点板失稳时的屈折线主要是三折线形(见本标准附录G图G.0.1)。为计算方便且与实际情况基本相符，假定平行于弦杆，⊥。
    从试验可知，在斜腹杆轴压力N作用下，节点板内存在三个受压区，即区(FBGHA板件)、区(AIJC板件)和区(CKMP板件)。当其中某一个受压区先失稳后，其他各区立即相继失稳，因此有必要对三个区分别进行验算。其中区往往起控制作用。
 计算时要先将腹杆轴压力N分解为三个平行分力各自作用于三个受压区屈折线的中点。平行分力的分配比例假定为各屈折线段在有效宽度线(在本标准附录G图G.0.1中为的延长线)上投影长度b_i与∑b_i的比值。然后再将此平行分力分解为垂直于各屈折线的力N_i；N_i应小于或等于各受压区板件的稳定承载力。而受压区板件则可假定为宽度等于屈折线长度的钢板，按轴压构件计算其稳定承载力。铜板长度取为板件的中线长度c_i，计算长度系数经拟合后取为0.8，长细比

。

   这样各受压板区稳定验算的表达式为：

    其中l₁、l₂、l₃分别为各区屈折线、、的长度；b₁、b₂、b₃为各屈折线在有效宽度线上的投影长度；t为板厚；φ_i为各受压板区的轴压稳定系数，按λ_i计算。
    对lf／t＞60ε_k且沿自由边加劲的无竖腹杆节点板失稳时，一般呈两屈折线屈曲，显然，在CD区因加劲后其稳定承载力大为提高，已不起控制作用，故只需用上述方法验算区和区的稳定。
    用上述拟合的近似法计算稳定的结果表明，试件的极限承载力计算值N^c_R,c。与试验值N⁰_R,c之比平均为85％，计算值偏于安全。
    3 为了尽量缩小稳定计算的范围，对于无竖腹杆的节点板，我们利用国家标准图集《梯形钢屋架》05G511和《钢托架》05G513中的16个节点，用同一根斜腹杆对节点板做稳定和强度计算，并进行对比以达到用强度计算的方法来代替稳定计算的目的。对比结果表明：
    当c／t≤10ε_k时，大多数节点的 N^c_c大于0.9N^c_t(N^c_c、N^c_t为节点板的稳定和强度计算承载力)，仅少数节点的N^c_c＝(0.83～0.9)N^c_t，此时的斜腹杆倾角θ₁大多接近60°，这说明θ1的大小对稳定承载力的影响较大。
    因为强度计算时的有效宽度b_e＝＋(l_f1＋l_f2)tan30°，而稳定计算中假定斜腹杆轴压力N分配的有效宽度∑b_i
＝b′_e＝＋(_f1＋l_f2)sinθ₁cosθ₁(式中l_f1、l_f2为斜腹杆两侧角焊缝的长度)。当θ1＝60°或30°时，sinθ₁cosθ₁＝0.433，与tan30°(＝0.577)相差最大，此时的稳定计算承载力亦最低。设＝k(l_f1＋l_f2)，经统计，k≈0.356，因此当θ1＝60°或30°时的b′_e、b_e值分别为：

    因此对无竖腹杆的节点板，当c／t＝10ε_k且30°≤θ₁≤60°时，可将按强度计算[公式(54)]的节点板抗力乘以折减系数0.784作为稳定承载力。考虑到稳定计算公式偏安全近15％，故可将折减系数取为0.8(0.8／0.784＝1.020)，以方便计算。
    当然，必要时亦可专门进行稳定计算，若c／t＞10ε_k时，则应按近似公式计算稳定。
12.2.5 本条为新增条文。根据试验研究，在节点板板件(或梁翼缘)拉力作用下，柱翼缘有如两块受线荷载作用的三边嵌固板ABCD、A′B′ C′D′(见图18)，拉力在柱翼缘板的影响长度为p≈12t_c，每块板所能承受的拉力可近似取3.5f_yct²_fc，两嵌固边之间CC′范围的受拉板(或梁翼缘)屈服，因此板件(或梁翼缘)传来拉力平衡式为：

    引人有效宽度b.概念，令：

    即可化为：

1-荷载；T-拉力；P-影响长度

 

    式(58)即是欧洲钢结构设计规范EC3：Design of steel structuresEurocode-3(BS EN1993-1-8：2005)中采用的板件或工字形、H形截面梁的翼缘与工字形、H形截面的未设水平加劲肋的柱相连，形成T形接合时，板件或梁的翼缘的有效宽度计算公式。考虑到柱翼缘中间和两侧部分刚度不同，难以充分发挥共同作用，翼缘承担的部分应有所折减，为安全起见，同时与本标准第12.3.4条翼缘受拉情况公式建立条件(考虑了0.8折减系数)协调，系数7改为5，这样与按有限元模拟加载试验所得结果较为接近。
12.2.6 本条沿用原规范第8.4.6条、第8.2.11条，取消了角钢的L形围焊。在桁架节点处各相互杆件连接焊缝之间宜留有一定的净距，以利施焊且改善焊缝附近钢材的抗脆断性能。本条根据我国的实践经验对节点处相邻焊缝之间的最小净距作出了具体规定。管结构相贯连接节点处的焊缝连接另有较详细的规定(见本标准第13.2节)，故不受此限制。
    围焊中有端焊缝和侧焊缝，端焊缝的刚度较大，弹性模量E≈1.5×10⁶；而侧焊缝的刚度较小，E≈(0.7～1)×10⁶，所以在弹性工作阶段，端焊缝的实际负担要高于侧焊缝；但围焊试验中，在静力荷载作用下，届临塑性阶段时，应力渐趋于平均，其破坏强度与仅有侧焊缝时差不多，但其破坏较为突然且塑性变形较小。此外，从国内外几个单位所做的动力试验证明，就焊缝本身来说围焊比侧焊的疲劳强度高，国内某些单位曾在桁架的加固中使用了围焊，效果亦较好。但从“焊接桁架式钢吊车梁下弦及腹杆的疲劳性能”的研究报告中，认为当腹杆端部采用围焊时，对桁架节点板受力不利，节点板有开裂现象，故建议在直接承受动力荷载的桁架腹杆中，节点板应适当加大或加厚。鉴于上述情况，本标准规定：宜采用两面侧焊，也可用三面围焊。
    围焊的转角处是连接的重要部位，如在此处熄火或起落弧会加剧应力集中的影响，故规定在转角处必须连续施焊。