节点分析及强度验算原则

3.2.4　节点分析及强度验算原则

不论哪种类型的节点，作为一个结构体系中的一个重要构件，应对节点的强度、刚度及稳定性进行验算。由于节点在结构中是一个细部，所以在结构的整个静动力分析中，无法把节点作为一个单元一起分析，因此，节点分析时的依据是直接作用于节点上的荷载及与之相交的各杆件的内力。

节点的强度验算包括节点区的构件，如相贯节点，节点自身的壁厚的强度。节点区的构件和组成节点零部件的材料都应满足强度要求。节点验算的第二方面是连接强度的验算，这里又分别涉及机械连接和焊接，即螺栓、铆钉的抗拉、抗弯、抗剪强度和焊缝强度等。

节点的刚度验算是指节点在外荷载作用下应满足变形控制的要求，由于在建立结构分析模型时，通常将结构节点的刚度视为无穷大，所以节点设计时应注意满足这个要求，不然分析时就必须考虑刚度的影响。

节点的稳定性验算。当节点采用厚度较薄的零部件时，在一定应力状态下，节点的局部或整体可能发生屈曲，而节点的屈曲是不容许的。

以上节点的强度、刚度及稳定性验算的具体方法，应根据节点的具体构造形式采取不同的方法。对于一些传统的节点构造，如采用普通钢结构连接方式的节点，则可简单地采用材料力学的方法和钢结构设计规定中所容许的连接验算方法。但在目前复杂的空间格构结构中，节点都处于非常复杂的应力状态。节点复杂的应力状态是由于节点的形状复杂，由杆件和外荷载导致的应力状态复杂，以及施工过程产生的复杂应力，所以，目前有效的方法是采用有限单元法进行分析。

采用有限单元法对节点进行分析时，要注意和解决以下几个问题：

（1）单元的选择和剖分

事实上，由于节点的构造形式决定了节点往往处于复杂的应力状态，一般不可能处于薄膜应力状态或简单的拉压状态，所以在单元选择时应根据节点的形状采用薄壳或厚壳单元。只有当节点确实不存在弯曲应力，而处于理想的空间薄膜应力状态时，采用空间实体单元才是合适的。

（2）边界条件

由于对一个复杂节点进行有限元分析时，往往需要对单元进行剖分或再剖分。在采用自适应有限元时，往往可能获得一个较好的网格，但是节点数、单元数也是十分可观的，这样在计算机的解题容量上会受到一定限制，从而会导致所设置的边界与所欲分析的区域非常接近。根据圣维南原理，边界约束会影响到分析的精度，所以通常希望将边界设置在远离分析区，边界与分析区的距离应至少5倍于节点构造尺度为宜。另外，为了分析节点区的各个部位，可以调换边界的位置。

（3）节点分析时宜采用非线性分析模型

虽然节点强度一般控制在屈服阶段之前，但非线性分析模型可以较正确地描述出节点中的应力－应变关系，同时也可以分析出一旦材料屈服以后进入塑性阶段的应力－应变关系以及极限承载力。

（4）通过有限元法分析，从分析得到变形和应力的变化规律，再次修正设计，尤其是应该避免应力集中区。

（5）在某些节点构造中，分析时宜考虑接触问题。

（6）对节点进行有限元细部分析后，应该非常全面地了解所分析模型的假定条件和其适用范围，以便与可能进行的试验结果进行印证。这里应注意到，按照常规试验检测方法得到的应力与有限元分析得到的应力是有区别的，应该加以适当的换算。譬如，在有限元分析中极大多数得到的是Von.Mesis应力，而检测往往得到的是单向应力或者是双向应力。