Узлы стальных конструкций: типовые решения и принципы

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	σ_в, МПа	σ_т, 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. σ_в — временное сопротивление. σ_т — предел текучести. R_y — 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.