钢桁梁的节点构造形式
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2022年09月21日 16:27:51
来自于建筑构造
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钢桁梁的杆件形心线交汇点称为节点,节点也是杆件传来的各个方向力的交汇点,节点的构造形式决定了各个杆件在节点位置的传力方式和传力路径。钢桁梁的节点构造形式有拼接节点、整体节点、对接节点、全焊接点、铸钢节点等几种形式,下面分别介绍这几种节点形式的特点。

钢桁梁的杆件形心线交汇点称为节点,节点也是杆件传来的各个方向力的交汇点,节点的构造形式决定了各个杆件在节点位置的传力方式和传力路径。钢桁梁的节点构造形式有拼接节点、整体节点、对接节点、全焊接点、铸钢节点等几种形式,下面分别介绍这几种节点形式的特点。


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1、拼接节点(Splicing Joint)

拼接节点也称散拼节点,其节点板外贴于杆件外侧,各个杆件通过节点板用连接件(铆钉或螺栓)连接形成节点。如图1就是一个典型的拼接节点。


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拼接节点照片及其图纸


 我们所熟知的武汉长江大桥(1957年)、南京长江大桥(1968年)、九江长江大桥(1993年)的主桁节点都属于拼接节点,其中武汉长江大桥、南京长江大桥的节点采用铆钉连接的拼接节点(图2),九江长江大桥的节点则采用高强度螺栓连接的拼接节点(图3)。


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南京长江大桥的铆钉连接拼接节点


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九江长江大桥的高强度螺栓连接拼接节点


建成于2009年、主跨552m的重庆朝天门长江大桥(图4)为世界最大跨度的拱桥,采用钢桁拱结构,其主桁节点除额E15节点外均采用拼接节点。如图5为朝天门大桥两个上弦节点的细部照片,从图中可以清楚地看到上弦杆伸入节点板范围内(红色区域)有大量的螺栓,这是拼接节点的显著特点。


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重庆朝天门长江大桥

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重庆朝天门长江大桥的主拱肋上弦杆拼接节点


2、整体节点(Integral Joint)

整体节点的节点板与其相邻的弦杆竖板在工厂焊接成整体,相邻弦杆在工地用高强度螺栓在节点范围之外拼接。整体节点与拼接节点最大的不同就是不再通过节点板将弦杆杆件通过螺栓连接起来,而是直接将节点板与弦杆焊接,使得节点板在节点范围内成为杆件的一部分。因此整体节点与拼接节点相比,杆件整体性好,减少了工地预拼工作量,减少了高强度螺栓用量和钢材用量,使得钢桥具有更好的经济性和施工便捷性。

由于整体节点在美观性、经济性、施工便捷性等方面较拼接节点有明显的优势,美国、日本等国在20世纪60年代即开始在钢桥上推广采用整体节点,到20世纪80年代,整体节点已在欧美各国的钢桥中得到了广泛应用。我国直到1995年,才在京九铁路孙口黄河大桥主跨108m钢桁梁上首次采用了整体节点,2000年以后我国修建的大部分铁路钢桁梁、钢桁拱桥均采用了整体节点。我们所熟知的芜湖长江大桥、武汉天兴洲公铁两用长江大桥等的钢桁梁均采用了整体节点。

如图6和图7分别展示了南京大胜关长江大桥钢桁拱的主拱下弦杆整体节点和上海金山铁路支线112m简支钢桁梁下弦杆整体节点。


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南京大胜关长江大桥的主拱下弦杆整体节点

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上海金山铁路支线112m简支钢桁梁下弦杆整体节点


3、对接节点(Butt Joint)

对接节点实现了所有杆件节点外全截面对接连接,即除了弦杆实现了节点外全截面对接连接外,所有的腹杆(无论腹杆是什么截面形状)也实现了节点外全截面对接连接。对接节点是一种升级版的整体节点,其最大特点是任意两根杆件的夹角部位均采用圆弧倒角连接,节点位置的杆件连接圆顺而流畅,所有腹杆的腹板对接连接加劲板全部伸入节点内部直至弦杆顶(底)板,并且在腹板对接连接加劲板与弦杆顶(底)板交叉位置对应的弦杆内部设置了加劲板或横隔板。

对接节点的优点有:

(1)杆件之间的连接圆顺而流畅,节点外形更加美观。

(2)腹杆与弦杆之间力的传递不再单纯利用节点板进行传力,而是同时利用节点板和节点板之间的加劲板进行传力,节点板局部应力集中得到很好的改善。

(3)节点板的抗疲劳性能更好,腹杆的材料强度也得到了充分发挥。

(4)缩小了节点刚域的范围,释放了节点弯曲次应力。

目前,对接节点的应用尚不多,日本近年来建设的几座钢桥中采用的对接节点(图8),我国正在建设中的商合杭铁路宛溪河特大桥96m简支钢桁梁在国内首次采用了对接节点(图9)。

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日本某钢桥采用的对接节点构造图

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商合杭铁路宛溪河特大桥96m钢桁梁上弦杆对接节点


研究表明钢桁梁杆件因节点刚性产生的弯曲次应力与节点刚域的长度成正比,由于整体节点的节点板尺寸较大,因此其节点刚域长度较大,易产生较大的弯曲次应力,部分杆件的弯曲次应力可能达到轴向主应力的60%以上。对接节点与整体节点相比节点板更小,节点刚域长度更短,弯曲次应力得到了明显改善。

对接节点实现了钢桁梁腹杆与弦杆的全截面流畅对接连接,在现场焊接质量有保证的前提下,只需将对接连接部位的螺栓拼接直接改为焊接即可实现全焊接钢桁梁,因此对接节点可以看做一种钢桁梁由栓焊走向全焊的过渡性节点构造。


4、全焊节点(fully-welded Joint)

全焊节点顾名思义就是钢桁结构的节点及其与各个杆件之间的连接均采用焊接连接,全焊钢桁结构对于施工现场的焊接工艺和焊接质量提出了很高的要求。

在国外,全焊节点已有较多的应用实例,如丹麦的厄勒海峡大桥(2000年)、法国和德国高速铁路上的钢桁梁桥(1993年)、日本的东京京门大桥(2012年)等均采用了全焊节点(如图10-13)。


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10 丹麦厄勒海峡大桥钢桁梁采用的全焊节点


图片11 法国高速铁路简支钢桁梁上采用的全焊节点

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12 德国Stuutgart-Vaihingen桥上采用的全焊节点构造图

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13 日本东京京门大桥上采用的全焊节点


长期以来,由于铁路对于钢桥的焊接疲劳性能要求很高,而施工现场的焊缝质量受到气象条件、焊接空间、焊缝位置、焊接方式、焊接工艺、结构变形与振动等多种因素的影响,我国的铁路钢桁桥杆件现场对接焊缝质量难以达到抗疲劳性能要求的焊缝质量,因此国内一直没有在铁路钢桥中采用全焊节点。由于公路桥梁和人行天桥对于焊缝的疲劳性能要求相对铁路桥梁要低,因此国内一些公路钢桥采用了全焊节点。

2010年以来,随着我国焊接技术和钢结构制造技术的不断提升,我国设计建造的铁路钢桥上陆续采用了全焊节点。2010年开工建设、2015年建成通车的铜陵长江公铁两用长江大桥的钢桁梁上双节间全焊桁片结构首次采用了全焊节点(图14),但是2个桁片之间仍采用螺栓拼接。正在建设中的沪通长江大桥主桥斜拉桥以及平潭海峡公铁两用桥主桥斜拉桥也采用了类似技术(图15),但不是桁片,而是双节间全焊桁架节段技术。正在建设中的平潭海峡公铁两用大桥非通航孔引桥简支钢桁梁(主跨80m和88m)采用全焊钢桁梁结构,所有节点均为全焊节点。由我国施工建设的孟加拉国帕德玛公铁两用大桥钢桁梁(主跨150m)也采用全焊钢桁梁(图16),所有节点均为全焊节点。


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14 铜陵长江公铁两用大桥钢桁梁采用的全焊节点


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15 平潭海峡公铁两用桥主桥斜拉桥采用的全焊节点


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16 孟加拉国帕德玛大桥全焊钢桁梁全焊节点

5、铸钢节点

铸钢节点在工厂内整体浇铸,一次成形,可免去圆弧线切割及重叠焊缝焊接引起的应力集中,常用于管状钢结构的桁架节点。

目前,铸钢节点在欧洲的桥梁中得到了一定的应用,如德国的铁路桥和公路桥上都有应用(图17),主要应用于树状钢管桥墩。在我国,铸钢节点在大型钢结构车站、厂房中应用较多(图18),但在桥梁中应用还很少,镇溧高速公路上一跨线高速公路桥的X形管状钢结构桥塔采用了铸钢节点(图19)。

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17 德国内森巴赫山谷高架桥的钢管结构桥墩中使用的铸钢节点

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18 铁路钢结构站房中采用的铸钢节点

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19 镇溧高速公路上一跨线高速公路桥


铸钢节点的发展在我国仍属起步阶段,与发达国家相比还有很大差距,迫切需要制定设计、铸造及施工方面的标准与规范。尽管桥梁用铸钢节点目前还有造价较高、缺少权威的规范标准,但是随着铸造工艺的不断提高,铸钢节点有望在我国将得到越来越广泛的应用。


知识点:钢桁梁的节点构造形式

常用钢结构形式连接节点构造大样详图


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