网架结构杆件和节点的设计与构造

1）焊接空心球节点的材料、特点和基本构 造
焊接空心球节点是用两块圆钢板（钢号 Q235钢或Q345钢）经热压或冷压成两个半 球后对焊而成的。
钢球外径一般为160mm～500mm。
分加肋和不加肋两种，肋板厚度与球壁等 厚。
空心球剖面图无肋空心球
有肋空心球
焊接空心球节点的优点是传力明确，构造 简单，造型美观，连接方便，适应性强。 这种球节点适用于连接圆钢管，
（5）锥头和封板的设计
当圆钢管杆件直径≥76mm时，宜采用锥头。 锥头的任何截面均应与杆件截面等强度，
锥头底板的厚度不宜小于被连接杆件外径 的1/6。 锥头底板外侧平直部分的外接圆直径一般 取高强度螺栓直径的1.8倍加3～5mm；锥 头斜向筒壁的坡度应≤1/4。
当圆钢管杆件直径＜76mm时，可采用封板， 其厚度不宜小于杆件外径的1/5。
2）螺栓球节点的构造原理及受力特点
（1）构造原理
（2）受力特点
拧紧螺栓的过程，相当于对节点施加预应力的过 程。
预应力的大小与拧紧程度成正比。 此时螺栓受预拉力，套筒受预压力；在节点上形
成自相平衡的内力，而杆件不受力。 当网架承受荷载后，拉杆内力通过螺栓受拉传递，
随着荷载的增加，套筒预压力逐渐减小；到破坏 时，杆件压力全由套筒承受。
N；
Ntmax——与空心球相连的圆钢管杆件的最大轴心拉力设计值，N； Nc——受压空心球的轴向受压承载力设计值，N； D——空心球外径，mm； t——空心球的壁厚，mm； d——与空心球相连对应于Ncmax或Ntmax的圆钢管杆件的外径，mm；
ηc——受压空心球加紧肋承载力提高系数， 不加肋，ηc=1.0；加肋，ηc=1.4；
处理。
空心球外径D与球壁厚t的比值一般取 D/t=25～45；空心球壁厚t与连接与空心球 的圆钢管最大壁厚tPmax的比值宜取： t/tPmax=1.2～2.0；空心球的壁厚宜 t≥4mm。
为了便于施焊，确保焊缝质量，避免焊缝 过分集中，空心球面上的各杆件之间的净 距宜a≥10mm。
同一网架中，宜采用一种或两种规格的球， 最多不超过4种，以避免设计、制造、安装 时过于复杂化。
角钢不宜小于∟50×3， 圆钢管不宜小于Φ48×2。 薄壁型钢的壁厚不应小于2mm。
五、网架结构的节点设计与构造
1. 网架结构的节点型式及选择 1）按节点在网架中的位置可分为：中间节点（网
架杆件交汇的一般节点）、再分杆节点、屋脊节 点和支座节点。 2）按节点连接方式可以分为焊接连接节点、高强 度连接节点、焊接和高强度螺栓混合连接节点。 3）按节点的构造型式可分为板节点、半球节点、 球节点、钢管圆筒节点、钢管鼓节点等。 网架节点设计的要求是：受力合理，传力明确， 便于制造、安装，节省钢材。
③ 空心球的外径D大于与球相连的圆钢管腹杆外 径ds的3倍即：D>3ds时；
④ 在同一网架中，往往需要调整和统一空心球的 外径，以减少球的规格，为此而需要在空心球内 加设环形加劲肋板以满足球体的承载力设计值时。
2）焊接空心球节点的直径及承载力
根据连接于空心球面上的两相邻圆钢管杆件之间 的净距、两杆件轴线之间的夹角及两圆钢管杆件 的外径，可按下式计算空心球的最小外径：
D=(d1+2a+d2)/θ 式中D——空心球所需要的最小外径，mm； a——空心球上两圆钢管杆件之间的净距，应有
a≥10mm；
θ——汇集于球节点任意两圆钢管杆件之间的夹角， rad；
d1、d2——组成θ角的两圆钢管杆件的外径，mm。
当空心球直径为120～150mm时，其受压、 受拉承载力设计值可分别按下列公式计算：
网架杆件计算长度l0
三、网架杆件的容许长细比
1）受压杆件：[λ]=180 2）受拉杆件： 一般杆件[λ]=400， 支座附近处杆件[λ]=300， 直接承受动力荷载杆件[λ]=250。
四、网架杆件的截面选择与最小截面 尺寸
网架杆件的最小截面尺寸应根据网架跨度 及网格大小确定，
2）单面弧形压力支座节点
它在支座板与支承板之间加一弧形支座垫 板，使之能转动。
3）双面弧形压力支座节点
当网架的跨度较大，温度应力影响显著， 而且支座处的约束又比较强，以上两种支 座节点往往不能满足要求。这时应选择一 种既能自由伸缩又能自由转动的支座节点。
这种节点又称摇摆支座节点，它是在支座 板与柱顶板之间设一块上下 均为弧形的铸 钢件。
网架结构杆件和节点的设计与构造
一、杆件材料及截面型式 网架结构的杆件一般采用Q235钢和Q345
钢 钢杆件截面型式分为圆钢管、角钢、薄
壁型钢三种。 杆件截面型式的选择与网架的节点形式
有关。 网架杆件的截面应根据承载力和稳定性
的计算确定。
二、网架杆件的计算长度
杆件的计算长度与汇集于节点的杆件受力 状况及节点构造有关。
Nt——受拉空心球的轴向受拉承载力设计值，N； f——钢材的抗拉强度设计值，N/mm2；
ηt——受拉空心球加紧肋承载力提高系数， 不加肋，ηt=1.0；加肋，ηt=1.1。
3）焊接空心球与杆件的连接
圆钢管杆件与空心球的焊接连接，一般均 应满足与被连接的圆钢管杆件截面等强。
对于小跨度的轻型网架，当管壁厚度t＜
厚。
焊接空心球与杆件的连接
4.网架结构的支座节点
空间网架的支座一般都采用铰支座，支承 在柱、圈梁或砖墙上。
设计空间网架的支座节点时，应根据网架 的类型、跨度的大小、作用荷载情况，网 架杆件截面形状以及加工制造方法和施工 安装方法等，选用适当型式的支座。
根据受力状态，网架的支座节点一般分为 压力支座节点和拉力支座节点两大类。
3）螺栓球节点的设计
（1）螺栓钢球体的设计 螺栓钢球体直径的大小主要取决于高强度
螺栓的直径，高强度螺栓拧入球体的长度 及相邻两杆件轴线之间的夹角。 当网架中各杆件所需高强度螺栓直径确定 以后，螺栓钢球直径的大小应同时满足两 个条件： ① 保证相邻两螺栓在球体内不相碰； ② 保证套筒与钢球之间有足够的接触面。
(1) 压力支座节点
在网架结构中这类支座节点较多，它主要传递支 点反力。
一般有下列几种常见的型式。 1）平板压力支座节点 这种节点由十字型节点板和一块底板组成，构造
简单、加工方便、用钢量省。但其支承板下的摩 擦力较大，支座不能转动或移动，支承板下的应 力分布也不均匀，和计算假定相差较大，一般只 适用于较小跨度（≤40m）的网架。
由于球体没有方向性，可与任意方向的杆 件相连 ;
因此，它的适应性强，可用于各种形式的 网架结构。
焊接空心球节点的缺点是：
用钢量较大，节点用钢量占网架总用钢量 20%～25%；
冲压焊接费工，焊接质量要求高，现场仰 焊、立焊占很大比重；
杆件下料要求准确； 当焊接工艺不当造成焊接变形过大后难于
空心球应钻一φ6的小孔，供焊接时球内的 空气膨胀逸出之用。但焊接完毕后应将小 孔封闭，以免球内发生锈蚀。
有下列情况之一时，宜在空心球内加 设环形加劲肋板：
① 空心球的外径D≥300mm，且连接于空心球的 圆钢管杆件的内力较大时；
② 空心球的壁厚t小于与球相连的圆钢管腹杆壁厚 ts的2倍即：t<2ts时；
式中，Nmax——网架杆件（弦杆或腹杆）中的最大拉力
设计值，N；
Nbt——高强度螺栓的抗拉承载力设计值，N；
ψ——螺栓直径对承载力影响系数，当螺栓直径<30mm时， ψ=1.0；
当螺栓直径>30mm时，ψ=0.93。
fbt——高强度螺栓经热处理后的抗拉强度设计值：对40Cr
钢、40B钢、20MnTiB钢为430N/mm2；对45号钢为 365N/mm2；
般=4～6mm，且不应少于两个螺距； c sd——紧固螺钉的直径，一般为M4、M5、
M6、M8、M10。
（3）套筒（无纹螺母）的设计
套筒的作用是拧紧高强度螺栓，承受圆钢 管杆件传来的压力。
套筒的外形尺寸应符合扳手开口尺寸系列， 端部保持平整，内孔径可比高强度螺栓直 径大1mm。
套筒的长度按下式计算：
ηc——受压空心球加紧肋承载力提高系数， 不加肋，ηc=1.0；加肋，ηc=1.4；
Nt——受拉空心球的轴向受拉承载力设计值，N； f——钢材的抗拉强度设计值，N/mm2；
ηt——受拉空心球加紧肋承载力提高系数， 不加肋，ηt=1.0；加肋，ηt=1.1。
受拉空心球：
Ntmaxt≤Nt= 0.55ηtdπf 式中Ncmax——与空心球相连的圆钢管杆件的最大轴心压力设计值，
（2）高强Hale Waihona Puke Baidu螺栓的设计
一般情况下，根据网架中最大受拉弦杆内 力和最大受拉腹杆内力各选定一个螺栓直 径，
若这两个螺栓直径相差太大，可以在这两 者之间再选一种螺栓直径；
即使网架跨度、荷载较大时，选用高强度 螺栓直径不宜过多，以免造成设计、制造、 安装过于麻烦。
每个高强度螺栓的受拉承载力设计值 按下式计算：
6mm时，圆钢管杆件与空心球之间可采用 角焊缝连接，圆钢管内可不加设短衬管。 此时，按与杆件截面等强的条件可计算所
需角焊缝焊脚尺寸hf：
角焊缝的焊角尺寸hf还应符合以下要
求：
① 当t≤4mm时，hf≤1.5t，且不宜小于
4mm；
② 当t＞4mm时，hf≤1.2t，且不宜小于 6mm。t为与空心球相连的圆钢管杆件的壁
受压空心球：
受拉空心球：
Ntmaxt≤Nt= 0.55ηtdπf 式中Ncmax——与空心球相连的圆钢管杆件的最大轴心压力设计值，
N；
Ntmax——与空心球相连的圆钢管杆件的最大轴心拉力设计值，N； Nc——受压空心球的轴向受压承载力设计值，N； D——空心球外径，mm； t——空心球的壁厚，mm； d——与空心球相连对应于Ncmax或Ntmax的圆钢管杆件的外径，mm；
2. 螺栓球节点
1）螺栓球节点的组成、材料、特点 螺栓球一般由钢球、高强度螺栓、紧固螺
钉（或销子）、套筒和锥头或封板等零件 组成，适合与连接圆钢管杆件。
螺栓球节点的套筒、锥头和封板采用Q235系列、 Q345系列钢材；钢 球采用45号钢； 螺栓、销子或紧固 螺钉采用高强度 钢材如45号钢、 40B钢、40Cr钢、 20MnTiB钢等。
锥头和封板的表面要保持平整，以确保紧 固高强度螺栓的装配质量。高强度螺栓孔 中心线应尽量与杆件轴线重合，螺栓孔径 比螺栓直径大0.5～1.0mm。
锥头或封板与钢管的连接
3. 焊接空心球节点
当网架杆件内力很大（一般≥750kN）时， 若仍采用螺栓球节点，会造成钢球过大而 使用钢量增多。此时应考虑采用焊接空心 球节点。
确定钢球直径D
式中，D——钢球直径，mm（应取两式算得结果中的较大值）； d1，d2——高强度螺栓直径，mm， d1≥d2； θ——两高强度螺栓轴线之间的最小夹角，rad；
ξ——高强度螺栓伸进钢球长度与高强度螺栓直径的比值，一般取ξ=1.1； η——套筒外接圆直径与高强度螺栓直径的比值，一般取η=1.8。
Aeff——高强度螺栓的有效截面积，mm；可按表4－9选
取；当螺栓上开有滑槽时，Aeff应取螺纹处和滑槽处的有 效截面面积的较小值。
未拧紧的状态
拧紧后的状态
滑槽长度可按下式计算：
式中， a——滑槽深度，mm； dξ——高强度螺栓伸入钢球的长度，mm； c——高强度螺栓露出的套筒外的长度，一
Ln=a+b1+b2
式中，Ln——套筒长度，mm； a——高强度螺栓杆上的滑槽长度，由上式
确定； b1——套筒左端部至高强度螺栓杆的滑槽
左边缘的距离，通常取b1=4mm； b2——套筒右端部至高强度螺栓杆的滑槽
右边缘的距离，通常取b2=6mm。
（4）紧固螺钉的设计
紧固螺钉的作用是扳手拧转套度螺栓时， 紧固螺钉承受剪力。当高强度螺栓拧至设 计所要求深度时，紧固螺钉到达螺栓的滑 槽端部的深槽，将紧固螺钉旋入深槽，加 以固定，防止套筒松动。