焊接空心球的應(yīng)用淺析

牛犇

(中國市政工程西南設(shè)計研究總院，四川 成都 610081)

近幾十年來，大跨度空間結(jié)構(gòu)在各種大型體育場館、飛機庫、會議展覽中心、各類工業(yè)廠房等建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。作為新世紀(jì)建筑領(lǐng)域的一項重大進展，大跨度現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)以其優(yōu)美的結(jié)構(gòu)形式、方便的使用功能逐漸從傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中脫穎而出，倍受青睞。節(jié)點的設(shè)計是空間結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)之一，而目前為止，焊接空心球節(jié)點仍是我國應(yīng)用最為廣泛的一種節(jié)點。

1 焊接空心球的主要特點

1.1 節(jié)點種類

通常空間結(jié)構(gòu)主要指薄殼、網(wǎng)架、網(wǎng)殼、折板和懸索。而連接空間結(jié)構(gòu)各桿件的節(jié)點形式和受力特性，對結(jié)構(gòu)的傳力性能、制造安裝、耗鋼量和工程造價等都有直接的影響。由鋼管為主要構(gòu)件的空間結(jié)構(gòu)節(jié)點形式主要有:空心球焊接節(jié)點、螺栓球節(jié)點、鑄鋼節(jié)點、外加勁板連接節(jié)點、內(nèi)加勁板連接節(jié)點、鋼管相貫節(jié)點、半球節(jié)點、扁球型節(jié)點、鋼板節(jié)點、再分桿節(jié)點、法蘭節(jié)點、鋼管鼓節(jié)點、套管節(jié)點等。其中，螺栓球、焊接球節(jié)點主要用于圓鋼管之間的連接，其余節(jié)點則可以用于圓管與圓管、方管與方管、圓管與方管之間的連接。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中，焊接空心球節(jié)點應(yīng)用歷史最長，具有構(gòu)造簡單，連接方便，不產(chǎn)生節(jié)點偏心等優(yōu)點，因而得到了廣泛應(yīng)用。節(jié)點與多根桿件相連，處于空間受力狀態(tài)，它的幾何尺寸、材料和制作工藝都會影響其承載力。近年來螺栓球的節(jié)點連接形式由于其安裝便宜，無需大面積焊接的優(yōu)點得到了比較迅速的發(fā)展。然而在個別復(fù)雜大跨度空間結(jié)構(gòu)中，由于有可能單根桿件受力太大，在螺栓球直徑做不到300 mm的情況下(主要是不便加工及施工，且重量太大)，焊接空心球仍有其自身的優(yōu)勢。

1.2 焊接球制作工藝

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的空心球一般用熱壓工藝。首先將鋼板下料加熱至850℃ ～900℃，然后采用上、下模具熱壓成半球形，經(jīng)檢驗圓度合格后，修切邊緣及坡口，最后進行成品球的焊接。

1.3 焊接空心球受力的主要破壞形式

焊接球連接處主要是承受桿件軸力作用，同時焊接球本身亦是軸對稱結(jié)構(gòu)，桿件均作用于球心，所以受力沒有偏心。焊接球主要的破壞形式主要是受剪破壞，原因是當(dāng)球徑較大，導(dǎo)致球體相對較薄時，其連接鋼管在拉壓球體的過程當(dāng)中，交接處會發(fā)生起殼或壓陷的情況，甚至桿件直接脫離球體。

隨著球體外徑的增大，球面應(yīng)力近似與指數(shù)函數(shù)相關(guān)遞增;隨著鋼管外徑的增大，應(yīng)力近似呈拋物線遞減;隨著球體壁厚的增大，應(yīng)力近似呈雙曲線遞減;隨著鋼管壁厚的增大，應(yīng)力近似呈指數(shù)函數(shù)遞增。

球體外徑越大，鋼管壁厚越大，說明球殼越薄弱而鋼管相對越厚強，從而球殼上應(yīng)力越大;球殼壁厚越大，鋼管外徑越大，說明球殼越厚強而鋼管相對越薄弱，從而球殼上應(yīng)力越小。

2 焊接空心球承載力計算公式

到目前為止，網(wǎng)架焊接空心球節(jié)點的承載力計算公式，據(jù)不完全統(tǒng)計有近20個左右，最成熟的是《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中的承載力公式。由于焊接球本身實驗的費用成本較高，且焊接本身的質(zhì)量受制的因素相當(dāng)多，控制起來十分不易，隨著計算機的發(fā)展，在理論分析的基礎(chǔ)上，采用計算機數(shù)值分析，近似擬合出一些計算公式，也不失為一種可借鑒的方法。

以下列出《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ7－91)與《網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ61－2003)中焊接空心球相應(yīng)計算公式。

(1)JGJ7－91:直徑120～500mm的焊接球

式中:Nc為受壓空心球的軸向壓力設(shè)計值;D為空心球外徑;t為空心球壁厚;d為鋼管外徑;ηc為受壓空心球承載力提高系數(shù)，不加肋1.0，加肋1.4。

受拉:Nt≤0.05ηttdπf

式中:Nt為受拉空心球的軸向壓力設(shè)計值;D為空心球外徑;t為空心球壁厚;d為鋼管外徑;f為鋼材強度設(shè)計值;ηt為受拉空心球承載力提高系數(shù)，不加肋1.0，加肋1.1。

(2)JGJ61－2003:直徑120～900 mm的焊接球

受拉受壓承載力設(shè)計值:

式中:D為空心球外徑;t為空心球壁厚;d為鋼管外徑;f為鋼材強度設(shè)計值;ηd為加肋承載力提高系數(shù)，受壓空心球加肋采用1.4，受拉加肋采用1.1。

以上兩類承載力公式中均反映了球外徑、球壁厚、鋼管外徑的影響，應(yīng)該是能夠比較全面的符合已完成實驗的數(shù)據(jù)并具有比較普遍的適用性;加環(huán)向肋是提高球體承載力和穩(wěn)定性的一種比較有效且方便的方法，效果比較的明顯(公式中很容易看出)，規(guī)程規(guī)定，直徑大于300 mm的空心球就應(yīng)當(dāng)加肋。在網(wǎng)架規(guī)程中的可計算承載力的焊接球直徑最大的達500 mm，而網(wǎng)殼規(guī)程中的達到了900 mm，如果節(jié)點受力再增大的話，特別是有拱網(wǎng)殼支座處，超大直徑焊接空心球的計算將是一個挑戰(zhàn)。在筆者曾接觸過的某縣體育館工程中，由于采用了有拱的雙層大跨度復(fù)雜體型網(wǎng)殼，拱腳支座處受力相當(dāng)大，共有四根桿件交匯于一點，桿件間角度又很小(最大的也不到15°)，若采用半球形式的支座，經(jīng)放樣球徑將達到3000 mm左右，十分驚人。雖然如此直徑的焊接球已經(jīng)失去其實用意義(最大的直徑目前據(jù)資料可以做到1 m)，然而大直徑的焊接空心球計算公式還是需要進一步研究和分析的。

3 焊接空心球在空間結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的若干問題

3.1 焊接方式及順序

球、管連接是環(huán)行固定的焊接，在焊接過程中需經(jīng)過仰焊、立焊、平焊等幾種位置。因此焊條變化角度很大，操作比較困難。熔化金屬在仰焊位置時有豎向附落的趨勢，易產(chǎn)生焊瘤。而在立焊位置及過渡到平焊位置時則有向鋼管內(nèi)部滴落的傾向，因而有熔深不均及外觀不整齊的現(xiàn)象。焊接根部時，仰焊及平焊部位的兩個焊縫接頭比較難以操作，通常仰焊接頭處容易產(chǎn)生內(nèi)凹，這是仰焊特有的缺陷，平焊接頭處的根部易產(chǎn)生未焊透和焊瘤。

整體焊接順序應(yīng)先下弦節(jié)點，后上弦節(jié)點，從中間向兩邊擴散施焊。對每個節(jié)點上的所有焊縫應(yīng)將第一遍全部焊完后，再進行第二遍的焊接，以防止焊接應(yīng)力集中，使網(wǎng)架產(chǎn)生變形。不允許在同一條焊縫中一半成型后再焊另一半。

3.2 何時使用焊接空心球節(jié)點

螺栓球與焊接球相比現(xiàn)場安裝施工簡單，對安裝工人技術(shù)水平要求不高，易于保證質(zhì)量，因此，螺栓球節(jié)點的應(yīng)用呈上升趨勢。但是螺栓球上所用的高強度螺栓，由于受我國淬火工藝落后的制約，其直徑只能到M64，只能承受70 t的內(nèi)力，雖然在一些工程中已用到了M100，并且已試制了M125大直徑高強度螺栓，但大直徑高強度螺栓的關(guān)鍵是解決淬透性和延遲斷裂問題。碳含量高對淬透有利，但對韌性不利，因此需通過材料改性及調(diào)整回火溫度來解決，造價較高，且生產(chǎn)技術(shù)也不為一般網(wǎng)架制造企業(yè)所掌握，不少工程僅僅因為少數(shù)桿件拉力過大就不得不忍痛放棄螺栓球節(jié)點方案。再者，如果網(wǎng)架支座承受較大的拉力，由于螺栓球本身45號鋼和支座節(jié)點板Q235鋼板，材質(zhì)差異較大，不易保證焊接質(zhì)量，使得其不能可靠地傳遞拉力，雖然有的單位針對具體工程解決了這一焊接難題，但必須依賴于新的焊接工藝，而這在一般網(wǎng)架制造企業(yè)難以做到。基于上述原因，國外及國內(nèi)學(xué)者提出了采用混合節(jié)點的新思路，并將其成功地應(yīng)用于工程實踐中。螺栓球節(jié)點和焊接球節(jié)點各有所長，各有所短，采用混合節(jié)點則可充分發(fā)揮兩種節(jié)點形式的優(yōu)越性，使其以最低的代價和較簡便的方法滿足網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在荷載、跨度、形式等方面的特殊要求，同時也給一些中小型的普通網(wǎng)架制造企業(yè)進行市場競爭提供了更大的可能性。所謂螺栓球焊接球混合節(jié)點系指在同一網(wǎng)架中一部分節(jié)點采用螺栓球，一部分節(jié)點采用焊接球。如在某一網(wǎng)架中采用了混合節(jié)點，通常情況下，螺栓球節(jié)點在節(jié)點總數(shù)中所占比例仍然較大，大多數(shù)桿件的兩端仍通過螺栓與球連接，只在少數(shù)節(jié)點上根據(jù)特殊要求采用了焊接球，匯交于這些節(jié)點的桿件需通過焊接與球連接，這樣就形成了混合節(jié)點網(wǎng)架中桿件連接的三種形式:形式一，桿件兩端均為螺栓球節(jié)點;形式二，桿件兩端均為焊接球節(jié)點;形式三，桿件一端為焊接球節(jié)點，另一端為螺栓球節(jié)點。由于桿件受力大小、質(zhì)量要求等的差別，不同的情況所對應(yīng)的桿件連接的形式也不一樣。

(1)情形一:當(dāng)桿件內(nèi)力較小，不超過M64高強度螺栓抗拉承載力且兩端均未與因特殊需要采用焊接球的節(jié)點相交時，采用形式一。

(2)情形二:當(dāng)桿件內(nèi)力較大，超過M64高強度螺栓抗拉承載力，或雖然桿件內(nèi)力較小，不超過M64高強度螺栓的抗拉承載力，但桿件兩端均與拉力超過M64高強度螺栓抗拉承載力的桿件相交，或者桿件一端與拉力超過M 64高強度螺栓抗拉承載力的桿件相交，另一端與拉力較大支座節(jié)點相交，這種情形采用形式二。

(3)情形三:當(dāng)桿件內(nèi)力較小，不超過M64高強度螺栓抗拉承載力，但桿件其中一端與拉力超過M64高強度螺栓抗拉承載力的桿件相交或與拉力較大支座相交，這種情形采用形式三。

以下給出某縣體育館網(wǎng)殼中使用混合節(jié)點的情況。

圖1 某體育館屋頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型

圖1為某縣體育館屋頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)模型。兩個管桁架拱承受了網(wǎng)殼上下弦傳來的荷載，并以水平推力的方式傳給了拱腳，主拱上部初始方案采用的為焊接球節(jié)點，由于建筑要求與施工的便利性，最終決定采用相貫節(jié)點，即最上面一根為貫通的鋼圓管，與上弦升起的斜桿為相貫節(jié)點，而在結(jié)構(gòu)分析過程中，在網(wǎng)殼與主拱桁架外伸連接處的四個節(jié)點(A，B，C，D)，由于桿件相交數(shù)量較多，僅一個節(jié)點就有9根桿件相連，受力的復(fù)雜與桿件角度的制約，導(dǎo)致此處必須采用焊接空心球方能滿足受力與構(gòu)造要求。

4 結(jié)束語

通過上述闡述，焊接空心球在我國空間結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的優(yōu)點為:

(1)焊接球可以彌補螺栓球制作工藝上的能力不足;

(2)焊接空心球承受軸心力作用，且節(jié)點處由于采用焊接，具有一定剛度，對撓度控制有一定影響。

同時也發(fā)現(xiàn)了研究過程中的一些欠缺和不足:

(1)焊接空心球計算公式對直徑在500 mm以下的應(yīng)用比較成熟，然而大直徑空心球無論是計算方法還是理論分析上都有待進一步研究;

(2)應(yīng)探索合理的懸掛吊點形式，特別是疲勞破壞機理，探索提高疲勞強度的有效措施;

(3)施工中，施焊環(huán)境、施焊方式、施焊順序都有待進一步的改進。

［1］高鵬.焊接球網(wǎng)架焊接技術(shù)［J］.新疆投資與建設(shè)，2003(3):30

［2］魏文梅.胡維生.網(wǎng)架節(jié)點空心球承載力的分析［J］.山東建筑工程學(xué)院學(xué)報，1994，9(3):1 －6

［3］范偉.焊接球節(jié)點剛度對網(wǎng)架內(nèi)力和撓度的影響［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2001(3):5－7

［4］雷宏剛.網(wǎng)架焊接空心球節(jié)點的研究現(xiàn)狀及動向［G］∥第六屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會議論文集.地震出版社，1992:872－876

［5］姜蘭潮，高日，徐國彬.影響焊接空心球節(jié)點承載能力的幾個因素的分析［J］.北方交通大學(xué)學(xué)報，1998，22(4):41 －44