Узел металлоконструкции — место передачи усилий между элементами. Конструкция узла определяет, как работает вся конструкция: шарнирно, жёстко или с промежуточной податливостью. Один и тот же двутавр в каркасе может работать совершенно по-разному в зависимости от того, фланцевый узел внизу или столиковый, сквозная сварка вверху или болтовое соединение через стенку. Этот справочник собирает типовые узлы стальных конструкций по группам: жёсткие, шарнирные, монтажные стыки, узлы ферм, опорные узлы — с указанием областей применения, конструктивных особенностей и типовых ограничений.
Классификация узлов
Узлы металлоконструкций классифицируются по нескольким признакам:
- по жёсткости соединения — шарнирные, жёсткие (защемляющие), полужёсткие;
- по способу соединения — сварные, болтовые на обычных болтах, болтовые на высокопрочных болтах, заклёпочные (исторические);
- по условиям выполнения — заводские (изготавливаются на металлозаводе с контролем качества), монтажные (выполняются на объекте);
- по типу передаваемых усилий — на сжатие, на растяжение, на сдвиг, на момент, комбинированные;
- по геометрии — стыки одной линии профилей, T-образные, крестовые, угловые.
Сварные швы как основа узлов
Сварные соединения преобладают в заводских узлах металлоконструкций. Основные типы сварных швов:
| Тип шва | Геометрия | Применение |
|---|---|---|
| Стыковой | в плоскости соединяемых элементов | стыки полок, листов, балок встык |
| Угловой | под углом 90° между элементами | крепление полки к стенке, фасонок, накладок |
| Тавровый | конец одного элемента к плоскости другого | крепление рёбер жёсткости, опорных столиков |
| Нахлёсточный | с перекрытием соединяемых элементов | стыки накладочного типа в монтаже |
Расчётный катет углового шва — наименьшее расстояние от корня шва до его границы. Стандартные катеты — от 3 до 12 мм с шагом 1 мм. Минимальный катет назначается по толщине наиболее тонкого свариваемого элемента (катет 4 мм для элементов до 16 мм, 5 мм — для 17–22 мм, 6 мм — для 23–32 мм, и т. д. по ТКП 45-1.03-26).
Болтовые соединения
Болтовые соединения применяются в монтажных стыках и в съёмных узлах. Классы прочности болтов по ГОСТ 1759.4 (или ISO 898-1):
| Класс прочности | σв, МПа | σт, МПа | Типовое применение |
|---|---|---|---|
| 4.6 | 400 | 240 | неответственные соединения, временные сборки |
| 5.6 | 500 | 300 | общестроительные узлы средней нагрузки |
| 5.8 | 500 | 400 | стандартные узлы металлоконструкций |
| 8.8 | 800 | 640 | ответственные узлы, фланцевые соединения |
| 10.9 | 1000 | 900 | высокопрочные узлы с натяжением |
| 12.9 | 1200 | 1080 | специальные нагруженные узлы |
Стандартные геометрические правила болтовых соединений: расстояние от оси болта до кромки элемента — не менее 1,5 диаметров болта, между болтами в ряду — не менее 2,5 диаметров, между рядами — не менее 2,5 диаметров. Эти правила обеспечивают передачу усилия без срыва кромки и без концентрации напряжений.
Узел «балка – колонна»: шарнирный
Шарнирные узлы сопряжения балок и колонн — самый распространённый тип в металлоконструкциях. Конструктивные решения:
- опирание на консольный столик из уголка. Уголок 75×75×8 или 100×100×10 приваривается к колонне в заводе, балка опирается верхней полкой на горизонтальную полку уголка. Передаёт вертикальную реакцию, не передаёт момент;
- фланцевый узел с двумя болтами в стенке балки. Торцевая пластина приваривается к балке, болтами М16–М20 крепится к колонне. Конструктивно несложный, монтаж быстрый;
- опирание на двойной опорный столик с гайкой ограничения от опрокидывания. Применяется в подвесных балках и пролётах с неравномерной нагрузкой.
Главный признак шарнирного узла — отсутствие конструктивной возможности передать момент. Если узел способен передать момент даже с малой жёсткостью, в реальности он будет работать как полужёсткий, и расчёт «как шарнирный» становится неточным.
Узел «балка – колонна»: жёсткий
Жёсткие узлы передают и вертикальную реакцию, и изгибающий момент. Стандартные конструкции:
- фланцевый узел с болтами по периметру. Торцевая пластина приваривается к балке, болтами 8–12 штук крепится к колонне. Болты класса 8.8 или 10.9, расположение по периметру. Передаёт момент через пары растяжение-сжатие болтов;
- сварной узел со сквозной приваркой балки. Балка приваривается стенкой и обеими полками к колонне через ребро жёсткости. Передаёт полный момент в плоскости рамы;
- узел с консольной балкой колонны. Из стенки колонны выходит короткая консоль, к которой стыкуется основная балка фланцевым соединением. Применяется в высоких каркасах для удобства монтажа.
Для каждого жёсткого узла проектировщик выполняет расчёт жёсткости. Если рассчитанная жёсткость узла превышает 25 · E·I/l балки, узел можно считать защемлением. Если жёсткость в диапазоне 0,5–25 · E·I/l — узел полужёсткий, и его учёт идёт по специальным методикам.
Узлы ферм
Узлы ферм — место схождения пояса и нескольких раскосов (со стойками). Конструктивные особенности:
- узел с фасонкой между спаренными уголками пояса. Фасонка 8–20 мм зажата между двумя уголками пояса и приварена угловыми швами. К фасонке привариваются раскосы и стойки;
- трубчатый узел без фасонок. Раскосы вырезаются по контуру пояса и привариваются непосредственно к нему. Применяется в фермах из профильных труб;
- узел с горизонтальной фасонкой. Поясной элемент работает горизонтально, фасонка идёт по верхней грани, раскосы привариваются сверху или снизу.
Геометрическое требование ко всем узлам ферм — оси всех сходящихся элементов проходят через одну точку, центр узла. Расхождение осей создаёт паразитные изгибающие моменты и снижает несущую способность узла.
Опорные узлы
Опорные узлы — место передачи нагрузки на фундамент или другую опору. Конструктивные решения:
- опорная пластина колонны с анкерными болтами. Подробно — в специальной статье о базах колонн;
- опорный шарнир из круглого стержня и пары полусферических опорных частей. Применяется в мостах и арках, где нужно обеспечить поворот без переноса момента;
- опорный узел фермы с фланцем и анкерами. Аналог базы колонны для горизонтального опирания фермы на колонну;
- распределительная опорная пластина на кладке или бетоне. Применяется в перемычках и опорах балок перекрытий в стены.
Монтажные стыки
Монтажные стыки соединяют два элемента, изготовленных в заводе раздельно из-за транспортных ограничений или технологических особенностей. Стандартные варианты:
- фланцевые стыки на высокопрочных болтах. Каждый элемент имеет приваренный фланец, на объекте фланцы стыкуются болтами. Стандартное решение для балок 12–24 м;
- стыки с накладками. Стенка и полки соединяются парами накладок с болтами с двух сторон. Применяется в монтажных стыках балок и в усиливающих узлах;
- сварные монтажные стыки. Свариваются на объекте полупроваром или сквозной сваркой по двум сторонам. Применяются в случаях, когда фланцевое решение технологически невозможно.
Главное требование к монтажным стыкам — соответствие расчётной схеме узла. Если расчёт идёт «как сечение элемента», стык должен передавать полную несущую способность элемента — момент, поперечную силу, продольную силу.
Узлы крестовых и связевых конструкций
В связевых конструкциях (крестовые связи между колоннами, ветровые связи в плоскостях ферм) узлы пересечения раскосов выполняются с одной из двух геометрий:
- сквозные раскосы — один раскос проходит сквозным, второй разрезается на два полураскоса с креплением к первому через фасонку или болт. Узел работает в плоскости связи как шарнир;
- пересечённые раскосы с фасонкой в центре — оба раскоса разрезаны, в центре пересечения стоит фасонка, к которой привариваются концы всех четырёх полураскосов. Узел работает как жёсткий, передаёт момент.
Для крестовых связей с работой по принципу «растянутая ветвь — рабочая, сжатая — выключается» применяется первая схема. Для нагруженных связей с обеими рабочими ветвями — вторая.
Узлы с накладными элементами
Усиление существующих узлов выполняется приваркой или приклёпкой накладных элементов:
- накладки на полки балок при усилении на изгиб;
- накладки на стенки балок при усилении на поперечную силу;
- обоймы из спаренных швеллеров или уголков при усилении колонн;
- фасонки утолщения в узлах ферм при недостаточной прочности соединения.
Усиление выполняется по проекту с учётом действующих в момент усиления напряжений, состояния существующих элементов, технологии сварки в условиях эксплуатируемого объекта.
Типовые ошибки
- Узел рассчитан как шарнирный, реализован как полужёсткий. Фланцевое соединение с четырьмя болтами по периметру в реальности передаёт момент. Расчётная схема балки и колонны как «шарнир» неверна — фактически они работают как полужёсткая рама с другими эпюрами.
- Болтовое соединение без учёта смятия отверстия. Для тонких элементов (полка 5–8 мм) проверка на смятие часто становится ключевой. Без этой проверки болт срезается, но кромка отверстия раздавливается раньше.
- Недостаточная толщина фасонки в узле фермы. Фасонка 6 мм в нагруженной ферме теряет устойчивость на изгиб или сминается у концов раскосов. Минимум для средних ферм — 8–10 мм, для тяжёлых — 12–20 мм.
- Расхождение осей элементов в узле фермы. Оси пояса, раскоса и стойки не сходятся в одной точке — в узле возникает паразитный момент. Снижает несущую способность как узла, так и стержня.
- Сварной шов меньше расчётного катета. Сварной шов с катетом меньше проектного — критическое уменьшение прочности узла. Контроль обязателен по нормам ТКП 45-1.03-26.
- Высокопрочные болты без контроля натяжения. Болты 10.9 и 12.9 с натяжением на расчётное усилие работают только при правильном натяжении. Без контроля затяжки сила натяжения может быть в 2–3 раза ниже расчётной.
- Опорный столик из тонкого уголка под тяжёлую балку. Уголок 75×75×6 с реакцией 80–100 кН гнётся под балкой и теряет геометрию. Для тяжёлых балок — уголки 100×100×10 и выше или сварные опорные столики из листа.
Часто задаваемые вопросы
Как отличить шарнирный узел от жёсткого? По конструктивной возможности передачи момента. Если в узле есть только болты в стенке балки без болтов в полках, или только опирание на консольный столик — это шарнир. Если есть болты по полному периметру торца балки или сквозная сварка полок к колонне — это жёсткий узел.
Когда применять болты, когда сварку? Заводские узлы — преимущественно сварные (выше качество, ниже трудоёмкость в заводских условиях). Монтажные узлы — преимущественно болтовые (упрощают сборку на объекте, не требуют сварочного оборудования и контроля).
Какие болты применять в фланцевых стыках балок? Стандартно класс 8.8 для общестроительных балок, класс 10.9 для подкрановых балок и нагруженных рам. Расчётное усилие на болт — 60–80 % от предела текучести при натяжении на расчётное усилие.
Можно ли смешивать сварные и болтовые соединения в одном узле? Не рекомендуется в нагруженных узлах. Сварные и болтовые соединения имеют разную жёсткость и разную податливость. При совместной работе нагрузка перераспределяется неравномерно, и расчётная несущая способность узла снижается.
Какой контроль обязателен для узлов? Визуальный — всех сварных швов и болтовых соединений 100 %. Ультразвуковой или магнитопорошковый — выборочно 5–10 % длины швов в конструкциях II–III групп ответственности, 100 % — в I группе по ТКП 45-1.03-26.
Сокращения и обозначения
ТКП — технический кодекс установившейся практики. ТНПА — технический нормативный правовой акт. ТКП 45-1.03-26 — контроль сварных соединений в строительстве (РБ). ТКП 45-5.04-167 — расчёт стальных конструкций (РБ). ГОСТ 1759.4 — болты, винты и шпильки. Технические условия. ISO 898-1 — механические свойства крепёжных изделий. σв — временное сопротивление. σт — предел текучести. Ry — расчётное сопротивление стали. E — модуль упругости стали. I — момент инерции. КМ — чертежи конструкций металлических. КМД — деталировка металлоконструкций.
Материал подготовлен по действующим на дату публикации редакциям ТНПА. Применение рекомендаций должно учитывать актуальность нормативной базы и конкретные условия объекта.