水工钢闸门正向着高水头、大孔口方向发展,为保证其安全稳定灵活运行,追求轻型与稳定的双重目标,新型树状支臂水工弧门应运而生。对于树状支臂而言,节点是保证其安全可靠、正常承载的关键所在。然而,这种新型支臂结构形式所适用的节点,并没有相关节点的理论研究与设计提供参考,且现行设计方法下铸钢节点往往自重较大不利于树状支臂发挥轻型稳定的优势。因此,针对新型弧门树状支臂所适用的铸钢节点的研究十分必要,本文以此为切入点展开研究。本文主要研究工作及成果如下:第一,针对树状结构铸钢节点提出一种拓扑优化与尺寸优化相结合的联合优化设计方法,通过典型节点进行了找形与优化设计表明:本文方法可获得兼顾高承载力和轻量化的树状结构节点型式,实例中自重减轻15.96%,节点最大应力降低23.1%,且应力分布更加均匀,可获得适用于树状支臂的Y形方钢管铸钢节点。第二,对于优化所得铸钢节点进行轴压作用下的力学性能研究,通过改变几何参数并提出失效准则,分析对其极限承载力的影响,发现其主要破坏模式是主管轴向屈服与核心区局部屈曲;截面的高厚比α,宽厚比β,高度比γ,以及支管间外倒角半径r₁对节点极限承载力影响较大,据此回归获得此类节点的轴压承载力计算公式。第三,将铸钢节点应用于新型树状支臂弧门中,采用有限元法研究了铸钢节点对支臂及弧门整体结构的性能影响,对比分析表明了新型铸钢节点能显著提升树状支臂弧门的性能。相同材料用量时,铸钢节点使支臂的极限承载力提高14.62%,减小树状支臂的计算长度系数9.67%,提升树状支臂的稳定性。使闸门整体结构最大位移减小9.5%,最大应力减小13.2%;使支臂最大位移减小27.2%,最大应力减小22.7%,且可显著缓解树状支臂分叉点处的应力集中,能满足树状支臂轻型稳定的要求。