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(jī)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(jìn)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?？臻g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(jìn)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(qiáng)，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(qiáng)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(jī)的發(fā)展，在理論分析的基礎(chǔ)上，采用計算機(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(dá)500 mm，而網(wǎng)殼規(guī)程中的達(dá)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(dá)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(jìn)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(kuò)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度螺栓，但大直徑高強(qiáng)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?；谏鲜鲈?，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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度螺栓抗拉承載力，或雖然桿件內(nèi)力較小，不超過M64高強(qiáng)度螺栓的抗拉承載力，但桿件兩端均與拉力超過M64高強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度螺栓抗拉承載力，但桿件其中一端與拉力超過M64高強(qiáng)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(jìn)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(jī)理，探索提高疲勞強(qiáng)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(jìn)一步的改進(jìn)。

［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