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螺栓球節點網架局部焊接問題初探

作者：劉錫霖等    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
本文對螺栓球節點網架在設計和施工中，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。關鍵詞：螺栓球節點網架 空間結構 焊接工藝


    一、引言
    螺栓球節點網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。

    自從上個世紀八十年代初，這一新型的結構體系在我國迅速地推廣開來，普及到工業與民用建筑的各個領域。短短的二十余年，我國已發展成為世界網架大國，無論在完成工程項目的數量上和網架工程覆蓋總面積上，都創世界之最。
    隨著計算機技術的發展，空間結構計算和輔助設計軟件大量涌現，這大大促進了我國空間結構生產與施工行業的發展。但在設計和施工過程中，經常遇到桿件“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。多數軟件的開發，還未顧及到這些細節問題。
    長期以來，對這些問題習慣做法就是采取現場焊接來解決。但不少人“談焊色變”，認為螺栓球節點網架決不允許任何部位的焊接，就這些問題談一談個人看法。
    二、大規格螺栓球的出現
    1、螺栓球直徑規格的大小與桿件內力的大小有關。如螺栓球節點網架推廣初期，網架多為平板型，平面尺寸多為矩形，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。
    隨著國家建設的發展，建筑物的跨度和平面尺寸不斷的加大。國家行業標準JG10-1999《螺栓球節點網架》中，螺栓擴大到M60，螺栓球到Φ260mm；國標GB/T16939-1997《鋼網架螺栓球節點用高強度螺栓》中，螺栓擴大大至M64×4。國內實際工程中高強度螺栓用到M68、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。
    2、由于內力的增大，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寸的大小。南寧機場航站樓網殼沿口就出現過大球（照片2）。
    科技在進步，建筑業在發展，業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……。各種不規則的形狀和造型，五彩繽紛、閃亮登場！
    某些工程出現了特大球，如Φ400mm，一個球就是263kg！但不是因為受力大，而是由于在設計建模時，節點的分布和桿件的布置，造成在該節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，既不經濟又不美觀，是一大缺陷！
    3、因建筑和使用功能的需要，有些工程網架上要設檢修馬道，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，但是節點的預留孔并不能由軟件自動生成。
    少數工程將馬道、管道、燈橋等擱置在網架下弦桿件上，這是不允許的。所有荷載只能加在節點上，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！
    三、處理方案的選擇
    1、首先從設計這一環節著手。網架在設計建模時，要考慮避免出現桿件夾角太小的節點。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。
    初步設計后檢查一下是否出現了大規格的螺栓球，在確保結構安全和不影響使用功能的條件下，將該節點及其附近相關節點的座標位置進行調整，直至大球被調整掉為止。
    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。
    如果甲方或設計院提供了工藝圖，應在二次設計時，將相應位置的螺栓球加上工藝頂孔，這樣就可以避免現場焊接的出現。

    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完成。球把的材質為45＃鋼。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計算確定（圖2）。
    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，其各部尺寸經計算確定，達到不與相鄰桿件相碰之目的（圖3）。

    5、不規則基準屋面支托的焊接，馬道等無支托工藝孔，均現場焊接處理。
    四、現場焊接注意事項
    1、一提焊接大家都很擔心。球把的焊接是在工廠內進行，而且是相同母材的焊接，按常規工藝進行，這沒有什么問題。現場焊接，如桿件連接板的焊接，屋面、馬道、燈橋等支托的焊接以及網架進行加固時加固件的焊接等等，是在網架安裝完成后或者在網架使用過程中進行焊接。
    現場焊接人們有三個擔心：一是在網架構件焊接受熱后內力會不會有變化，以致造成結構失穩破壞；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。
    2、首先要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。由于不連續焊接，溫度散熱快，因而就不會對網架構件的受力狀態有太大的影響。
    例如象受壓桿件加固時，一般是桿件外面再包一個大規格的鋼管，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，這樣桿件就不會過熱而出現問題。
    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，焊后球體肯定產生裂紋，用錘一敲就可將球體撕下一塊！
    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，注意采取措施降低焊接溫度和充分散熱。
    4、大家最關心的是在螺栓球上施焊會不會造成球體內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據很有參考價值（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。

    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。
    委托徐州飛虹網架（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栓送至（徐州）江蘇省網架及鋼結構產品質量監督檢驗中心（現批準掛牌《國家網架及鋼結構產品質量監督檢驗中心》）進行測試。
    經測試，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。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，在螺栓球上進行焊接，不會使球體內高強度螺栓退火而強度降低。
    五、結束語
    綜上所述，螺栓球節點網架，在現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。
    能焊但不得隨意焊，在沒有其他有效措施的情況下，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同行們的關注。不當之處，望批評指正。

    參考文獻
    (1)《網架結構設計與施工規程》JGJ7-91。
    (2)《螺栓球節點網架》JG10-1999
    (3)《鋼網架螺栓球節點用高強度螺栓》GB/T16939-1997
    (4)丁蕓孫《網架（殼）及鋼結構設計釋義與誤區的探討》2006年全國建筑鋼結構行業大會論文集。
    (5)上海金馬高強緊固件有限公司技術部
    (6)徐州飛虹網架（集團）有限公司質保中心
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