螺栓球節(jié)點網(wǎng)架局部焊接設計問題研究

1、<p>　　螺栓球節(jié)點網(wǎng)架局部焊接設計問題研究</p><p>　　提要：本文對螺栓球節(jié)點網(wǎng)架在設計和施工中，遇到桿件間夾角太小，造成桿件相碰等問題，提出處理方法，以及局部施焊時應注意的工藝要求。 </p><p>　　關鍵詞：螺栓球節(jié)點網(wǎng)架 空間結構 科技進步 高強度螺栓 焊接工藝 </p><p>　　中圖分類號：P755.1 文獻標識碼：A <

2、/p><p><b>　　一、引言 </b></p><p>　　螺栓球節(jié)點網(wǎng)架是一種很好的結構形式，它具有空間結構所特有的受力特性。其構件完全在工廠內(nèi)制作（照片1），質量有保障，運輸和安裝方便。是其他結構所無以比擬的。 </p><p>　　照片1螺栓球節(jié)點網(wǎng)架零配件 </p><p>　　自從上個世紀八十年代初，這一新型

3、的結構體系在我國迅速地推廣開來，普及到工業(yè)與民用建筑的各個領域。短短的二十余年，我國已發(fā)展成為世界網(wǎng)架大國，無論在完成工程項目的數(shù)量上和網(wǎng)架工程覆蓋總面積上，都創(chuàng)世界之最。 </p><p>　　隨著計算機技術的發(fā)展，空間結構計算和輔助設計軟件大量涌現(xiàn)，這大大促進了我國空間結構生產(chǎn)與施工行業(yè)的發(fā)展。但在設計和施工過程中，經(jīng)常遇到桿件“打架”，屋面找坡支托安裝位置不正確，以及工藝上要求布置風管、馬道、燈架等情況。多

4、數(shù)軟件的開發(fā)，還未顧及到這些細節(jié)問題。 </p><p>　　長期以來，對這些問題習慣做法就是采取現(xiàn)場焊接來解決。但不少人“談焊色變”，認為螺栓球節(jié)點網(wǎng)架決不允許任何部位的焊接，就這些問題談一談個人看法。 </p><p>　　二、大規(guī)格螺栓球的出現(xiàn) </p><p>　　1、螺栓球直徑規(guī)格的大小與桿件內(nèi)力的大小有關。如螺栓球節(jié)點網(wǎng)架推廣初期，網(wǎng)架多為平板型，平面尺

5、寸多為矩形，跨度也就是18～30m，高強度螺栓最大M30，鋼管到Φ114mm，球直徑Φ120mm也就夠用了。 </p><p>　　隨著國家建設的發(fā)展，建筑物的跨度和平面尺寸不斷的加大。國家行業(yè)標準JG10-1999《螺栓球節(jié)點網(wǎng)架》中，螺栓擴大到M60，螺栓球到Φ260mm；國標GB/T16939-1997《鋼網(wǎng)架螺栓球節(jié)點用高強度螺栓》中，螺栓擴大大至M64×4。國內(nèi)實際工程中高強度螺栓用到M68、

6、M80～M125，當然這需采取相應的熱處理工藝，有些采用了航空用高級合金鋼。 </p><p>　　2、由于內(nèi)力的增大，螺栓球的直徑跟著增大是很正常的。但螺栓球直徑的大小不僅僅取決于內(nèi)力的大小，有些是因構造所致，球大不單是因為桿大螺栓大。高強度螺栓擰入球螺栓孔的深度≥1.1倍螺栓外徑，螺栓在球體內(nèi)不得相碰；桿件之間的六角套、封板、錐頭及管端等在球體外均不得相碰；球孔端面承壓面要足夠大等，這些因素決定著螺栓球直徑尺

7、寸的大小。南寧機場航站樓網(wǎng)殼沿口就出現(xiàn)過大球（照片2）。 </p><p>　　科技在進步，建筑業(yè)在發(fā)展，業(yè)主和建筑師在建筑物的造型上追求新穎、美觀。各式各樣的建筑造型要求結構設計來完成，這就使網(wǎng)架結構的形式也越來越復雜。平面的、曲面的、拋物線的……。各種不規(guī)則的形狀和造型，五彩繽紛、閃亮登場！ </p><p>　　某些工程出現(xiàn)了特大球，如Φ400mm，一個球就是263kg！但不是因為受

8、力大，而是由于在設計建模時，節(jié)點的分布和桿件的布置，造成在該節(jié)點上相鄰桿件間的夾角太小，由軟件自動生成了大球。大球的出現(xiàn)，既不經(jīng)濟又不美觀，是一大缺陷！ </p><p>　　3、因建筑和使用功能的需要，有些工程網(wǎng)架上要設檢修馬道，有的需要布置空調和消防管道，有的需要集中吊掛……。設計時盡管考慮了所增荷載，但是節(jié)點的預留孔并不能由軟件自動生成。 </p><p>　　少數(shù)工程將馬道、管道、

9、燈橋等擱置在網(wǎng)架下弦桿件上，這是不允許的。所有荷載只能加在節(jié)點上，因為桿件只承受拉、壓力，它不是壓彎構件，這一點使用和施工人員必須頭腦清醒！ </p><p>　　三、處理方案的選擇 </p><p>　　1、首先從設計這一環(huán)節(jié)著手。網(wǎng)架在設計建模時，要考慮避免出現(xiàn)桿件夾角太小的節(jié)點。上弦支承的支座球，腹桿會不會碰到梁或柱頭，這些都是不能忽視的，否則在安裝時將有大麻煩。 </p>

10、;<p>　　初步設計后檢查一下是否出現(xiàn)了大規(guī)格的螺栓球，在確保結構安全和不影響使用功能的條件下，將該節(jié)點及其附近相關節(jié)點的座標位置進行調整，直至大球被調整掉為止。 </p><p>　　2、有些工藝孔，如馬道、空調及消防管道、大型音響和燈橋的布置，一般在下弦網(wǎng)格兩排下弦球上，設置支托，兩排球支托上擱置型鋼橫擔，上鋪踏梯和欄桿。 </p><p>　　如果甲方或設計院提供了工

11、藝圖，應在二次設計時，將相應位置的螺栓球加上工藝頂孔，這樣就可以避免現(xiàn)場焊接的出現(xiàn)。 </p><p>　　圖1加球把或焊連接板示意圖2球把構造圖 </p><p>　　3、在大球調不掉的情況下，應該在二次設計中手工將其調掉，該節(jié)點上所有桿件長度尺寸相應增加，夾角較小的兩根桿件中，將其中一個力最小的桿件，改成由球把或連接鋼板連接（圖1）。球把的加工和焊接均在工廠內(nèi)完成。球把的材質為45＃鋼

12、。螺栓球的球把孔其端面正常切削，只鉆較小的工藝光孔，球把小端與球工藝光孔配車，球把體加工成斜面，并加工相應的螺栓孔。球把的長度和斜度經(jīng)計算確定（圖2）。 </p><p>　　4、若采用加焊連接鋼板的連接，螺栓球上該桿件孔端面不加工，只鉆一個很小的標記孔。連接板一端加工與球體一致的R凹弧，與球體在標記孔位置焊接，另一端與桿件焊接，其各部尺寸經(jīng)計算確定，達到不與相鄰桿件相碰之目的（圖3）。 </p>

13、<p>　　圖3連接鋼板焊接示意圖4用包園管或抱角鋼加固桿件 </p><p>　　5、不規(guī)則基準屋面支托的焊接，馬道等無支托工藝孔，均現(xiàn)場焊接處理。 </p><p>　　四、現(xiàn)場焊接注意事項 </p><p>　　1、一提焊接大家都很擔心。球把的焊接是在工廠內(nèi)進行，而且是相同母材的焊接，按常規(guī)工藝進行，這沒有什么問題?，F(xiàn)場焊接，如桿件連接板的焊接，屋面

14、、馬道、燈橋等支托的焊接以及網(wǎng)架進行加固時加固件的焊接等等，是在網(wǎng)架安裝完成后或者在網(wǎng)架使用過程中進行焊接。 </p><p>　　現(xiàn)場焊接人們有三個擔心：一是在網(wǎng)架構件焊接受熱后內(nèi)力會不會有變化，以致造成結構失穩(wěn)破壞；二是Q235B的鋼板與45＃鋼的螺栓球不同母材的焊接是否可能；三是構件施焊升溫后，特別是在螺栓球上施焊會不會造成高強度螺栓退火而強度降低。 </p><p>　　2、首先要

15、解決的是焊接溫度問題。施焊時要將焊接電流調小，采用小規(guī)格的焊條，不要集中焊接。采取斷焊，對稱跳躍式的焊接方式。其目的就是防止焊接溫度高，做到充分冷卻。由于不連續(xù)焊接，溫度散熱快，因而就不會對網(wǎng)架構件的受力狀態(tài)有太大的影響。 </p><p>　　例如象受壓桿件加固時，一般是桿件外面再包一個大規(guī)格的鋼管，或是抱焊兩根角鋼（見圖4），焊縫對稱，采取斷焊，隔30cm，焊5cm，而且是對稱、左右來回搗換焊，這樣桿件就不會

16、過熱而出現(xiàn)問題。 </p><p>　　3、Q235B的連接鋼板與45＃鋼的螺栓球能不能焊接？45＃鋼不易焊但不等于不能焊接，如果還是象焊Q235B選用E43型低碳鋼焊條，電流是交直流，正、反接，在氣溫較低的情況下球體不進行預熱，焊后球體肯定產(chǎn)生裂紋，用錘一敲就可將球體撕下一塊！ </p><p>　　正確的做法是采用E50型低氫中碳鋼焊條，直流反接，球體預熱200℃后進行施焊，注意采取措

17、施降低焊接溫度和充分散熱。 </p><p>　　4、大家最關心的是在螺栓球上施焊會不會造成球體內(nèi)高強度螺栓的退火以致強度降低？首先搞清楚高強度螺栓達到多少溫度就會產(chǎn)生退火。不同材質的高強度螺栓，達到退火的臨界溫度是不一樣的。上海金馬高強緊固件有限公司技術部提供的數(shù)據(jù)很有參考價值（見表1），表中列出了高強度螺栓三種材質在三種強度等級的退火臨界溫度。 </p><p>　　表1 高強度螺栓退

18、火臨界溫度 </p><p>　　可以看出，40 Cr這種合金結構鋼材料還是很好的。我們只要采取相應的工藝措施，控制焊接溫度，就不會使高強度螺栓強度降低。 </p><p>　　委托徐州飛虹網(wǎng)架（集團）有限公司質保中心做了一個試驗。用Φ120的螺栓球在相鄰兩個M20孔中擰入兩顆高強度螺栓，螺栓上正常套入六角套和封板，然后中間夾焊一塊10mm厚的鋼板，按上述工藝進行施焊。冷卻后將兩顆高強度螺

19、栓送至（徐州）江蘇省網(wǎng)架及鋼結構產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心（現(xiàn)批準掛牌《國家網(wǎng)架及鋼結構產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心》）進行測試。 </p><p>　　經(jīng)測試，螺桿部位硬度無降低；后進行了破壞性拉力試驗，兩顆螺栓的破壞拉力分別為268KN和297KN。 </p><p>　　M20高強度螺栓，10.9級，抗拉極限承載力為255～304KN。很顯然，只要采取相應的焊接工藝，加強責任心，精心施工，在螺栓球

20、上進行焊接，不會使球體內(nèi)高強度螺栓退火而強度降低。 </p><p><b>　　五、結束語 </b></p><p>　　綜上所述，螺栓球節(jié)點網(wǎng)架，在現(xiàn)場施工或正在使用中，由于種種原因需動電焊，只要嚴格遵守相應的工藝規(guī)程，加強責任心，認真對待，精心施工，是不會對結構的安全構成威脅的。 </p><p>　　能焊但不得隨意焊，在沒有其他有效措施

21、的情況下，才采取焊接。就這一問題，多次與航空院丁蕓孫研究員探討過。今日提出，愿得到專家、教授、工程技術人員和國內(nèi)同行們的關注。不當之處，望批評指正。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　(1)《網(wǎng)架結構設計與施工規(guī)程》JGJ7-91。 </p><p>　　(2)《螺栓球節(jié)點網(wǎng)架》JG10-1999 </

22、p><p>　　(3)《鋼網(wǎng)架螺栓球節(jié)點用高強度螺栓》GB/T16939-1997 </p><p>　　(4)丁蕓孫《網(wǎng)架（殼）及鋼結構設計釋義與誤區(qū)的探討》2006年全國建筑鋼結構行業(yè)大會論文集。 </p><p>　　(5)上海金馬高強緊固件有限公司技術部 </p><p>　　(6)徐州飛虹網(wǎng)架（集團）有限公司質保中心 </p>