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螺栓球节点网架局部焊接问题初探

作者：刘锡霖等    
时间：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
本文对螺栓球节点网架在设计和施工中，遇到杆件间夹角太小，造成杆件相碰等问题，提出处理方法，以及局部施焊时应注意的工艺要求。关键词：螺栓球节点网架 空间结构 焊接工艺


    一、引言
    螺栓球节点网架是一种很好的结构形式，它具有空间结构所特有的受力特性。其构件完全在工厂内制作（照片1），质量有保障，运输和安装方便。是其他结构所无以比拟的。

    自从上个世纪八十年代初，这一新型的结构体系在我国迅速地推广开来，普及到工业与民用建筑的各个领域。短短的二十余年，我国已发展成为世界网架大国，无论在完成工程项目的数量上和网架工程覆盖总面积上，都创世界之最。
    随着计算机技术的发展，空间结构计算和辅助设计软件大量涌现，这大大促进了我国空间结构生产与施工行业的发展。但在设计和施工过程中，经常遇到杆件“打架”，屋面找坡支托安装位置不正确，以及工艺上要求布置风管、马道、灯架等情况。多数软件的开发，还未顾及到这些细节问题。
    长期以来，对这些问题习惯做法就是采取现场焊接来解决。但不少人“谈焊色变”，认为螺栓球节点网架决不允许任何部位的焊接，就这些问题谈一谈个人看法。
    二、大规格螺栓球的出现
    1、螺栓球直径规格的大小与杆件内力的大小有关。如螺栓球节点网架推广初期，网架多为平板型，平面尺寸多为矩形，跨度也就是18～30m，高强度螺栓最大M30，钢管到Φ114mm，球直径Φ120mm也就够用了。
    随着国家建设的发展，建筑物的跨度和平面尺寸不断的加大。国家行业标准JG10-1999《螺栓球节点网架》中，螺栓扩大到M60，螺栓球到Φ260mm；国标GB/T16939-1997《钢网架螺栓球节点用高强度螺栓》中，螺栓扩大大至M64×4。国内实际工程中高强度螺栓用到M68、M80～M125，当然这需采取相应的热处理工艺，有些采用了航空用高级合金钢。
    2、由于内力的增大，螺栓球的直径跟着增大是很正常的。但螺栓球直径的大小不仅仅取决于内力的大小，有些是因构造所致，球大不单是因为杆大螺栓大。高强度螺栓拧入球螺栓孔的深度≥1.1倍螺栓外径，螺栓在球体内不得相碰；杆件之间的六角套、封板、锥头及管端等在球体外均不得相碰；球孔端面承压面要足够大等，这些因素决定着螺栓球直径尺寸的大小。南宁机场航站楼网壳沿口就出现过大球（照片2）。
    科技在进步，建筑业在发展，业主和建筑师在建筑物的造型上追求新颖、美观。各式各样的建筑造型要求结构设计来完成，这就使网架结构的形式也越来越复杂。平面的、曲面的、抛物线的……。各种不规则的形状和造型，五彩缤纷、闪亮登场！
    某些工程出现了特大球，如Φ400mm，一个球就是263kg！但不是因为受力大，而是由于在设计建模时，节点的分布和杆件的布置，造成在该节点上相邻杆件间的夹角太小，由软件自动生成了大球。大球的出现，既不经济又不美观，是一大缺陷！
    3、因建筑和使用功能的需要，有些工程网架上要设检修马道，有的需要布置空调和消防管道，有的需要集中吊挂……。设计时尽管考虑了所增荷载，但是节点的预留孔并不能由软件自动生成。
    少数工程将马道、管道、灯桥等搁置在网架下弦杆件上，这是不允许的。所有荷载只能加在节点上，因为杆件只承受拉、压力，它不是压弯构件，这一点使用和施工人员必须头脑清醒！
    三、处理方案的选择
    1、首先从设计这一环节着手。网架在设计建模时，要考虑避免出现杆件夹角太小的节点。上弦支承的支座球，腹杆会不会碰到梁或柱头，这些都是不能忽视的，否则在安装时将有大麻烦。
    初步设计后检查一下是否出现了大规格的螺栓球，在确保结构安全和不影响使用功能的条件下，将该节点及其附近相关节点的座标位置进行调整，直至大球被调整掉为止。
    2、有些工艺孔，如马道、空调及消防管道、大型音响和灯桥的布置，一般在下弦网格两排下弦球上，设置支托，两排球支托上搁置型钢横担，上铺踏梯和栏杆。
    如果甲方或设计院提供了工艺图，应在二次设计时，将相应位置的螺栓球加上工艺顶孔，这样就可以避免现场焊接的出现。

    3、在大球调不掉的情况下，应该在二次设计中手工将其调掉，该节点上所有杆件长度尺寸相应增加，夹角较小的两根杆件中，将其中一个力最小的杆件，改成由球把或连接钢板连接（图1）。球把的加工和焊接均在工厂内完成。球把的材质为45＃钢。螺栓球的球把孔其端面正常切削，只钻较小的工艺光孔，球把小端与球工艺光孔配车，球把体加工成斜面，并加工相应的螺栓孔。球把的长度和斜度经计算确定（图2）。
    4、若采用加焊连接钢板的连接，螺栓球上该杆件孔端面不加工，只钻一个很小的标记孔。连接板一端加工与球体一致的R凹弧，与球体在标记孔位置焊接，另一端与杆件焊接，其各部尺寸经计算确定，达到不与相邻杆件相碰之目的（图3）。

    5、不规则基准屋面支托的焊接，马道等无支托工艺孔，均现场焊接处理。
    四、现场焊接注意事项
    1、一提焊接大家都很担心。球把的焊接是在工厂内进行，而且是相同母材的焊接，按常规工艺进行，这没有什么问题。现场焊接，如杆件连接板的焊接，屋面、马道、灯桥等支托的焊接以及网架进行加固时加固件的焊接等等，是在网架安装完成后或者在网架使用过程中进行焊接。
    现场焊接人们有三个担心：一是在网架构件焊接受热后内力会不会有变化，以致造成结构失稳破坏；二是Q235B的钢板与45＃钢的螺栓球不同母材的焊接是否可能；三是构件施焊升温后，特别是在螺栓球上施焊会不会造成高强度螺栓退火而强度降低。
    2、首先要解决的是焊接温度问题。施焊时要将焊接电流调小，采用小规格的焊条，不要集中焊接。采取断焊，对称跳跃式的焊接方式。其目的就是防止焊接温度高，做到充分冷却。由于不连续焊接，温度散热快，因而就不会对网架构件的受力状态有太大的影响。
    例如象受压杆件加固时，一般是杆件外面再包一个大规格的钢管，或是抱焊两根角钢（见图4），焊缝对称，采取断焊，隔30cm，焊5cm，而且是对称、左右来回捣换焊，这样杆件就不会过热而出现问题。
    3、Q235B的连接钢板与45＃钢的螺栓球能不能焊接？45＃钢不易焊但不等于不能焊接，如果还是象焊Q235B选用E43型低碳钢焊条，电流是交直流，正、反接，在气温较低的情况下球体不进行预热，焊后球体肯定产生裂纹，用锤一敲就可将球体撕下一块！
    正确的做法是采用E50型低氢中碳钢焊条，直流反接，球体预热200℃后进行施焊，注意采取措施降低焊接温度和充分散热。
    4、大家最关心的是在螺栓球上施焊会不会造成球体内高强度螺栓的退火以致强度降低？首先搞清楚高强度螺栓达到多少温度就会产生退火。不同材质的高强度螺栓，达到退火的临界温度是不一样的。上海金马高强紧固件有限公司技术部提供的数据很有参考价值（见表1），表中列出了高强度螺栓三种材质在三种强度等级的退火临界温度。

    可以看出，40 Cr这种合金结构钢材料还是很好的。我们只要采取相应的工艺措施，控制焊接温度，就不会使高强度螺栓强度降低。
    委托徐州飞虹网架（集团）有限公司质保中心做了一个试验。用Φ120的螺栓球在相邻两个M20孔中拧入两颗高强度螺栓，螺栓上正常套入六角套和封板，然后中间夹焊一块10mm厚的钢板，按上述工艺进行施焊。冷却后将两颗高强度螺栓送至（徐州）江苏省网架及钢结构产品质量监督检验中心（现批准挂牌《国家网架及钢结构产品质量监督检验中心》）进行测试。
    经测试，螺杆部位硬度无降低；后进行了破坏性拉力试验，两颗螺栓的破坏拉力分别为268KN和297KN。M20高强度螺栓，10.9级，抗拉极限承载力为255～304KN。很显然，只要采取相应的焊接工艺，加强责任心，精心施工，在螺栓球上进行焊接，不会使球体内高强度螺栓退火而强度降低。
    五、结束语
    综上所述，螺栓球节点网架，在现场施工或正在使用中，由于种种原因需动电焊，只要严格遵守相应的工艺规程，加强责任心，认真对待，精心施工，是不会对结构的安全构成威胁的。
    能焊但不得随意焊，在没有其他有效措施的情况下，才采取焊接。就这一问题，多次与航空院丁芸孙研究员探讨过。今日提出，愿得到专家、教授、工程技术人员和国内同行们的关注。不当之处，望批评指正。

    参考文献
    (1)《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91。
    (2)《螺栓球节点网架》JG10-1999
    (3)《钢网架螺栓球节点用高强度螺栓》GB/T16939-1997
    (4)丁芸孙《网架（壳）及钢结构设计释义与误区的探讨》2006年全国建筑钢结构行业大会论文集。
    (5)上海金马高强紧固件有限公司技术部
    (6)徐州飞虹网架（集团）有限公司质保中心
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