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螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架局部焊接問題初探

作者：劉錫霖等    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
本文對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架在設(shè)計(jì)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(shí)應(yīng)注意的工藝要求。關(guān)鍵詞：螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架 空間結(jié)構(gòu) 焊接工藝


    一、引言
    螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架是一種很好的結(jié)構(gòu)形式，它具有空間結(jié)構(gòu)所特有的受力特性。其構(gòu)件完全在工廠內(nèi)制作（照片1），質(zhì)量有保障，運(yùn)輸和安裝方便。是其他結(jié)構(gòu)所無以比擬的。

    自從上個(gè)世紀(jì)八十年代初，這一新型的結(jié)構(gòu)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(gè)領(lǐng)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(xiàng)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。
    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，空間結(jié)構(gòu)計(jì)算和輔助設(shè)計(jì)軟件大量涌現(xiàn)，這大大促進(jìn)了我國空間結(jié)構(gòu)生產(chǎn)與施工行業(yè)的發(fā)展。但在設(shè)計(jì)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(fēng)管、馬道、燈架等情況。多數(shù)軟件的開發(fā)，還未顧及到這些細(xì)節(jié)問題。
    長期以來，對(duì)這些問題習(xí)慣做法就是采取現(xiàn)場(chǎng)焊接來解決。但不少人“談焊色變”，認(rèn)為螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架決不允許任何部位的焊接，就這些問題談一談個(gè)人看法。
    二、大規(guī)格螺栓球的出現(xiàn)
    1、螺栓球直徑規(guī)格的大小與桿件內(nèi)力的大小有關(guān)。如螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架推廣初期，網(wǎng)架多為平板型，平面尺寸多為矩形，跨度也就是18～30m，高強(qiáng)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)JG10-1999《螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架》中，螺栓擴(kuò)大到M60，螺栓球到Φ260mm；國標(biāo)GB/T16939-1997《鋼網(wǎng)架螺栓球節(jié)點(diǎn)用高強(qiáng)度螺栓》中，螺栓擴(kuò)大大至M64×4。國內(nèi)實(shí)際工程中高強(qiáng)度螺栓用到M68、M80～M125，當(dāng)然這需采取相應(yīng)的熱處理工藝，有些采用了航空用高級(jí)合金鋼。
    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(gòu)造所致，球大不單是因?yàn)闂U大螺栓大。高強(qiáng)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寸的大小。南寧機(jī)場(chǎng)航站樓網(wǎng)殼沿口就出現(xiàn)過大球（照片2）。
    科技在進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來完成，這就使網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的形式也越來越復(fù)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(chǎng)！
    某些工程出現(xiàn)了特大球，如Φ400mm，一個(gè)球就是263kg！但不是因?yàn)槭芰Υ?，而是由于在設(shè)計(jì)建模時(shí)，節(jié)點(diǎn)的分布和桿件的布置，造成在該節(jié)點(diǎn)上相鄰桿件間的夾角太小，由軟件自動(dòng)生成了大球。大球的出現(xiàn)，既不經(jīng)濟(jì)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(wǎng)架上要設(shè)檢修馬道，有的需要布置空調(diào)和消防管道，有的需要集中吊掛……。設(shè)計(jì)時(shí)盡管考慮了所增荷載，但是節(jié)點(diǎn)的預(yù)留孔并不能由軟件自動(dòng)生成。
    少數(shù)工程將馬道、管道、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(diǎn)上，因?yàn)闂U件只承受拉、壓力，它不是壓彎構(gòu)件，這一點(diǎn)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(shè)計(jì)這一環(huán)節(jié)著手。網(wǎng)架在設(shè)計(jì)建模時(shí)，要考慮避免出現(xiàn)桿件夾角太小的節(jié)點(diǎn)。上弦支承的支座球，腹桿會(huì)不會(huì)碰到梁或柱頭，這些都是不能忽視的，否則在安裝時(shí)將有大麻煩。
    初步設(shè)計(jì)后檢查一下是否出現(xiàn)了大規(guī)格的螺栓球，在確保結(jié)構(gòu)安全和不影響使用功能的條件下，將該節(jié)點(diǎn)及其附近相關(guān)節(jié)點(diǎn)的座標(biāo)位置進(jìn)行調(diào)整，直至大球被調(diào)整掉為止。
    2、有些工藝孔，如馬道、空調(diào)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(shè)置支托，兩排球支托上擱置型鋼橫擔(dān)，上鋪踏梯和欄桿。
    如果甲方或設(shè)計(jì)院提供了工藝圖，應(yīng)在二次設(shè)計(jì)時(shí)，將相應(yīng)位置的螺栓球加上工藝頂孔，這樣就可以避免現(xiàn)場(chǎng)焊接的出現(xiàn)。

    3、在大球調(diào)不掉的情況下，應(yīng)該在二次設(shè)計(jì)中手工將其調(diào)掉，該節(jié)點(diǎn)上所有桿件長度尺寸相應(yīng)增加，夾角較小的兩根桿件中，將其中一個(gè)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(zhì)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(yīng)的螺栓孔。球把的長度和斜度經(jīng)計(jì)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(gè)很小的標(biāo)記孔。連接板一端加工與球體一致的R凹弧，與球體在標(biāo)記孔位置焊接，另一端與桿件焊接，其各部尺寸經(jīng)計(jì)算確定，達(dá)到不與相鄰桿件相碰之目的（圖3）。

    5、不規(guī)則基準(zhǔn)屋面支托的焊接，馬道等無支托工藝孔，均現(xiàn)場(chǎng)焊接處理。
    四、現(xiàn)場(chǎng)焊接注意事項(xiàng)
    1、一提焊接大家都很擔(dān)心。球把的焊接是在工廠內(nèi)進(jìn)行，而且是相同母材的焊接，按常規(guī)工藝進(jìn)行，這沒有什么問題。現(xiàn)場(chǎng)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(wǎng)架進(jìn)行加固時(shí)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(jìn)行焊接。
    現(xiàn)場(chǎng)焊接人們有三個(gè)擔(dān)心：一是在網(wǎng)架構(gòu)件焊接受熱后內(nèi)力會(huì)不會(huì)有變化，以致造成結(jié)構(gòu)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(gòu)件施焊升溫后，特別是在螺栓球上施焊會(huì)不會(huì)造成高強(qiáng)度螺栓退火而強(qiáng)度降低。
    2、首先要解決的是焊接溫度問題。施焊時(shí)要將焊接電流調(diào)小，采用小規(guī)格的焊條，不要集中焊接。采取斷焊，對(duì)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(huì)對(duì)網(wǎng)架構(gòu)件的受力狀態(tài)有太大的影響。
    例如象受壓桿件加固時(shí)，一般是桿件外面再包一個(gè)大規(guī)格的鋼管，或是抱焊兩根角鋼（見圖4），焊縫對(duì)稱，采取斷焊，隔30cm，焊5cm，而且是對(duì)稱、左右來回?fù)v換焊，這樣桿件就不會(huì)過熱而出現(xiàn)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(jìn)行預(yù)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！
    正確的做法是采用E50型低氫中碳鋼焊條，直流反接，球體預(yù)熱200℃后進(jìn)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(guān)心的是在螺栓球上施焊會(huì)不會(huì)造成球體內(nèi)高強(qiáng)度螺栓的退火以致強(qiáng)度降低？首先搞清楚高強(qiáng)度螺栓達(dá)到多少溫度就會(huì)產(chǎn)生退火。不同材質(zhì)的高強(qiáng)度螺栓，達(dá)到退火的臨界溫度是不一樣的。上海金馬高強(qiáng)緊固件有限公司技術(shù)部提供的數(shù)據(jù)很有參考價(jià)值（見表1），表中列出了高強(qiáng)度螺栓三種材質(zhì)在三種強(qiáng)度等級(jí)的退火臨界溫度。

    可以看出，40 Cr這種合金結(jié)構(gòu)鋼材料還是很好的。我們只要采取相應(yīng)的工藝措施，控制焊接溫度，就不會(huì)使高強(qiáng)度螺栓強(qiáng)度降低。
    委托徐州飛虹網(wǎng)架（集團(tuán)）有限公司質(zhì)保中心做了一個(gè)試驗(yàn)。用Φ120的螺栓球在相鄰兩個(gè)M20孔中擰入兩顆高強(qiáng)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(jìn)行施焊。冷卻后將兩顆高強(qiáng)度螺栓送至（徐州）江蘇省網(wǎng)架及鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（現(xiàn)批準(zhǔn)掛牌《國家網(wǎng)架及鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心》）進(jìn)行測(cè)試。
    經(jīng)測(cè)試，螺桿部位硬度無降低；后進(jìn)行了破壞性拉力試驗(yàn)，兩顆螺栓的破壞拉力分別為268KN和297KN。M20高強(qiáng)度螺栓，10.9級(jí)，抗拉極限承載力為255～304KN。很顯然，只要采取相應(yīng)的焊接工藝，加強(qiáng)責(zé)任心，精心施工，在螺栓球上進(jìn)行焊接，不會(huì)使球體內(nèi)高強(qiáng)度螺栓退火而強(qiáng)度降低。
    五、結(jié)束語
    綜上所述，螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架，在現(xiàn)場(chǎng)施工或正在使用中，由于種種原因需動(dòng)電焊，只要嚴(yán)格遵守相應(yīng)的工藝規(guī)程，加強(qiáng)責(zé)任心，認(rèn)真對(duì)待，精心施工，是不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)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(shù)人員和國內(nèi)同行們的關(guān)注。不當(dāng)之處，望批評(píng)指正。

    參考文獻(xiàn)
    (1)《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》JGJ7-91。
    (2)《螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架》JG10-1999
    (3)《鋼網(wǎng)架螺栓球節(jié)點(diǎn)用高強(qiáng)度螺栓》GB/T16939-1997
    (4)丁蕓孫《網(wǎng)架（殼）及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)釋義與誤區(qū)的探討》2006年全國建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)大會(huì)論文集。
    (5)上海金馬高強(qiáng)緊固件有限公司技術(shù)部
    (6)徐州飛虹網(wǎng)架（集團(tuán)）有限公司質(zhì)保中心
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