焊接空心球的应用浅析

牛犇

(中国市政工程西南设计研究总院，四川 成都 610081)

近几十年来，大跨度空间结构在各种大型体育场馆、飞机库、会议展览中心、各类工业厂房等建筑中得到了广泛的应用。作为新世纪建筑领域的一项重大进展，大跨度现代空间结构以其优美的结构形式、方便的使用功能逐渐从传统结构中脱颖而出，倍受青睐。节点的设计是空间结构设计中的重要环节之一，而目前为止，焊接空心球节点仍是我国应用最为广泛的一种节点。

1 焊接空心球的主要特点

1.1 节点种类

通常空间结构主要指薄壳、网架、网壳、折板和悬索。而连接空间结构各杆件的节点形式和受力特性，对结构的传力性能、制造安装、耗钢量和工程造价等都有直接的影响。由钢管为主要构件的空间结构节点形式主要有:空心球焊接节点、螺栓球节点、铸钢节点、外加劲板连接节点、内加劲板连接节点、钢管相贯节点、半球节点、扁球型节点、钢板节点、再分杆节点、法兰节点、钢管鼓节点、套管节点等。其中，螺栓球、焊接球节点主要用于圆钢管之间的连接，其余节点则可以用于圆管与圆管、方管与方管、圆管与方管之间的连接。网架结构中，焊接空心球节点应用历史最长，具有构造简单，连接方便，不产生节点偏心等优点，因而得到了广泛应用。节点与多根杆件相连，处于空间受力状态，它的几何尺寸、材料和制作工艺都会影响其承载力。近年来螺栓球的节点连接形式由于其安装便宜，无需大面积焊接的优点得到了比较迅速的发展。然而在个别复杂大跨度空间结构中，由于有可能单根杆件受力太大，在螺栓球直径做不到300 mm的情况下(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优势。

1.2 焊接球制作工艺

网架结构的空心球一般用热压工艺。首先将钢板下料加热至850℃ ～900℃，然后采用上、下模具热压成半球形，经检验圆度合格后，修切边缘及坡口，最后进行成品球的焊接。

1.3 焊接空心球受力的主要破坏形式

焊接球连接处主要是承受杆件轴力作用，同时焊接球本身亦是轴对称结构，杆件均作用于球心，所以受力没有偏心。焊接球主要的破坏形式主要是受剪破坏，原因是当球径较大，导致球体相对较薄时，其连接钢管在拉压球体的过程当中，交接处会发生起壳或压陷的情况，甚至杆件直接脱离球体。

随着球体外径的增大，球面应力近似与指数函数相关递增;随着钢管外径的增大，应力近似呈抛物线递减;随着球体壁厚的增大，应力近似呈双曲线递减;随着钢管壁厚的增大，应力近似呈指数函数递增。

球体外径越大，钢管壁厚越大，说明球壳越薄弱而钢管相对越厚强，从而球壳上应力越大;球壳壁厚越大，钢管外径越大，说明球壳越厚强而钢管相对越薄弱，从而球壳上应力越小。

2 焊接空心球承载力计算公式

到目前为止，网架焊接空心球节点的承载力计算公式，据不完全统计有近20个左右，最成熟的是《网架结构技术规程》中的承载力公式。由于焊接球本身实验的费用成本较高，且焊接本身的质量受制的因素相当多，控制起来十分不易，随着计算机的发展，在理论分析的基础上，采用计算机数值分析，近似拟合出一些计算公式，也不失为一种可借鉴的方法。

以下列出《网架结构技术规程》(JGJ7－91)与《网壳结构技术规程》(JGJ61－2003)中焊接空心球相应计算公式。

(1)JGJ7－91:直径120～500mm的焊接球

式中:Nc为受压空心球的轴向压力设计值;D为空心球外径;t为空心球壁厚;d为钢管外径;ηc为受压空心球承载力提高系数，不加肋1.0，加肋1.4。

受拉:Nt≤0.05ηttdπf

式中:Nt为受拉空心球的轴向压力设计值;D为空心球外径;t为空心球壁厚;d为钢管外径;f为钢材强度设计值;ηt为受拉空心球承载力提高系数，不加肋1.0，加肋1.1。

(2)JGJ61－2003:直径120～900 mm的焊接球

受拉受压承载力设计值:

式中:D为空心球外径;t为空心球壁厚;d为钢管外径;f为钢材强度设计值;ηd为加肋承载力提高系数，受压空心球加肋采用1.4，受拉加肋采用1.1。

以上两类承载力公式中均反映了球外径、球壁厚、钢管外径的影响，应该是能够比较全面的符合已完成实验的数据并具有比较普遍的适用性;加环向肋是提高球体承载力和稳定性的一种比较有效且方便的方法，效果比较的明显(公式中很容易看出)，规程规定，直径大于300 mm的空心球就应当加肋。在网架规程中的可计算承载力的焊接球直径最大的达500 mm，而网壳规程中的达到了900 mm，如果节点受力再增大的话，特别是有拱网壳支座处，超大直径焊接空心球的计算将是一个挑战。在笔者曾接触过的某县体育馆工程中，由于采用了有拱的双层大跨度复杂体型网壳，拱脚支座处受力相当大，共有四根杆件交汇于一点，杆件间角度又很小(最大的也不到15°)，若采用半球形式的支座，经放样球径将达到3000 mm左右，十分惊人。虽然如此直径的焊接球已经失去其实用意义(最大的直径目前据资料可以做到1 m)，然而大直径的焊接空心球计算公式还是需要进一步研究和分析的。

3 焊接空心球在空间结构应用中的若干问题

3.1 焊接方式及顺序

球、管连接是环行固定的焊接，在焊接过程中需经过仰焊、立焊、平焊等几种位置。因此焊条变化角度很大，操作比较困难。熔化金属在仰焊位置时有竖向附落的趋势，易产生焊瘤。而在立焊位置及过渡到平焊位置时则有向钢管内部滴落的倾向，因而有熔深不均及外观不整齐的现象。焊接根部时，仰焊及平焊部位的两个焊缝接头比较难以操作，通常仰焊接头处容易产生内凹，这是仰焊特有的缺陷，平焊接头处的根部易产生未焊透和焊瘤。

整体焊接顺序应先下弦节点，后上弦节点，从中间向两边扩散施焊。对每个节点上的所有焊缝应将第一遍全部焊完后，再进行第二遍的焊接，以防止焊接应力集中，使网架产生变形。不允许在同一条焊缝中一半成型后再焊另一半。

3.2 何时使用焊接空心球节点

螺栓球与焊接球相比现场安装施工简单，对安装工人技术水平要求不高，易于保证质量，因此，螺栓球节点的应用呈上升趋势。但是螺栓球上所用的高强度螺栓，由于受我国淬火工艺落后的制约，其直径只能到M64，只能承受70 t的内力，虽然在一些工程中已用到了M100，并且已试制了M125大直径高强度螺栓，但大直径高强度螺栓的关键是解决淬透性和延迟断裂问题。碳含量高对淬透有利，但对韧性不利，因此需通过材料改性及调整回火温度来解决，造价较高，且生产技术也不为一般网架制造企业所掌握，不少工程仅仅因为少数杆件拉力过大就不得不忍痛放弃螺栓球节点方案。再者，如果网架支座承受较大的拉力，由于螺栓球本身45号钢和支座节点板Q235钢板，材质差异较大，不易保证焊接质量，使得其不能可靠地传递拉力，虽然有的单位针对具体工程解决了这一焊接难题，但必须依赖于新的焊接工艺，而这在一般网架制造企业难以做到。基于上述原因，国外及国内学者提出了采用混合节点的新思路，并将其成功地应用于工程实践中。螺栓球节点和焊接球节点各有所长，各有所短，采用混合节点则可充分发挥两种节点形式的优越性，使其以最低的代价和较简便的方法满足网架结构在荷载、跨度、形式等方面的特殊要求，同时也给一些中小型的普通网架制造企业进行市场竞争提供了更大的可能性。所谓螺栓球焊接球混合节点系指在同一网架中一部分节点采用螺栓球，一部分节点采用焊接球。如在某一网架中采用了混合节点，通常情况下，螺栓球节点在节点总数中所占比例仍然较大，大多数杆件的两端仍通过螺栓与球连接，只在少数节点上根据特殊要求采用了焊接球，汇交于这些节点的杆件需通过焊接与球连接，这样就形成了混合节点网架中杆件连接的三种形式:形式一，杆件两端均为螺栓球节点;形式二，杆件两端均为焊接球节点;形式三，杆件一端为焊接球节点，另一端为螺栓球节点。由于杆件受力大小、质量要求等的差别，不同的情况所对应的杆件连接的形式也不一样。

(1)情形一:当杆件内力较小，不超过M64高强度螺栓抗拉承载力且两端均未与因特殊需要采用焊接球的节点相交时，采用形式一。

(2)情形二:当杆件内力较大，超过M64高强度螺栓抗拉承载力，或虽然杆件内力较小，不超过M64高强度螺栓的抗拉承载力，但杆件两端均与拉力超过M64高强度螺栓抗拉承载力的杆件相交，或者杆件一端与拉力超过M 64高强度螺栓抗拉承载力的杆件相交，另一端与拉力较大支座节点相交，这种情形采用形式二。

(3)情形三:当杆件内力较小，不超过M64高强度螺栓抗拉承载力，但杆件其中一端与拉力超过M64高强度螺栓抗拉承载力的杆件相交或与拉力较大支座相交，这种情形采用形式三。

以下给出某县体育馆网壳中使用混合节点的情况。

图1 某体育馆屋顶网壳结构模型

图1为某县体育馆屋顶网壳结构模型。两个管桁架拱承受了网壳上下弦传来的荷载，并以水平推力的方式传给了拱脚，主拱上部初始方案采用的为焊接球节点，由于建筑要求与施工的便利性，最终决定采用相贯节点，即最上面一根为贯通的钢圆管，与上弦升起的斜杆为相贯节点，而在结构分析过程中，在网壳与主拱桁架外伸连接处的四个节点(A，B，C，D)，由于杆件相交数量较多，仅一个节点就有9根杆件相连，受力的复杂与杆件角度的制约，导致此处必须采用焊接空心球方能满足受力与构造要求。

4 结束语

通过上述阐述，焊接空心球在我国空间结构应用中的优点为:

(1)焊接球可以弥补螺栓球制作工艺上的能力不足;

(2)焊接空心球承受轴心力作用，且节点处由于采用焊接，具有一定刚度，对挠度控制有一定影响。

同时也发现了研究过程中的一些欠缺和不足:

(1)焊接空心球计算公式对直径在500 mm以下的应用比较成熟，然而大直径空心球无论是计算方法还是理论分析上都有待进一步研究;

(2)应探索合理的悬挂吊点形式，特别是疲劳破坏机理，探索提高疲劳强度的有效措施;

(3)施工中，施焊环境、施焊方式、施焊顺序都有待进一步的改进。

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