网架结构节点设计

浅谈网架结构节点设计
[摘要] 随着空间结构的发展，网架结构广泛用于体育馆、展览厅、餐厅、候车室、仓库及单层多跨工业厂房等屋盖承重结构，设计时采用什么节点形式变得非常重要。

[关键词] 焊接空心球；螺栓球；锥头；封板
网架节点的按构造形式可分为：焊接空心球节点、螺栓球节点、水雷式螺栓球节点、钢管圆筒节点或钢管鼓节点。

1、焊接空心球节点设计
焊接空心球节点是天津大学土木系刘锡良教授研究成功和发明创造的，并于1966年8月在全国首先应用在天津科学宫礼堂屋盖(现天津市科委礼堂)上。

从那时至今已将这项发明推广应用于数千座网架工程之中，它对开创我国网架结构事业的发展，起到了重大的推动作用。

网架连接节点的空心钢球，可采用焊接成型或铸造成型。

在工程实践中，普遍采用焊接成型的空心钢球。

焊接空心球节点有着许多独特优点：首先加工简单，由两个半球焊接而成；其次是杆件与球焊接自然对中，避免了节点偏心；三是受力合理、安全可靠，并且造价低廉，这也是便于推广的主要原因。

焊接成型的空心钢球是将按要求确定的两块圆钢板经热压或冷压成两个半圆球壳(一般采用钢板热压成型的加工方法)，而后再对焊成一个整球(无肋空心球)；或是由两个半圆球壳中间加设一块环
形加劲板，而后再对焊成一个整球(有肋空心球)。

对于个别受力较大的空心球，也可加设互相垂直的双向环形加劲肋板。

加设的环形加劲肋板的厚度，一般不应小于空心球的壁厚，通常取与空心球的擘厚相同；而且应将内力较大的圆钢管杆件设置在环形加劲肋板的平面内。

在工程实践中，一般是设置在较大内力弦杆的轴线平面内。

2、螺栓球节点设计
我国的螺栓球节点是从德国的米罗体系演变而来。

螺栓球节点由螺栓、钢球、销子(或螺钉) 、套筒和锥头或封板等零件组成，适用于连接管杆件。

2．1螺栓球体的设计。

在确定螺栓球直径的大小时，主要取决于：(1)连接球体和杆件所采用的高强度螺栓直径的大小；(2)连接球体和杆件所采用的高强度螺栓拧入球体的长度；(3)连接于螺栓球的两相邻圆钢杆件轴线夹角的大小。

2．2高强螺栓的设计。

连接螺栓和圆钢管杆件所采用的高强度螺栓，应符合国家标准《钢网架螺栓球节点用高强度螺栓》(gb／t16939—1997)规定的性能等级为8．8级或10．9级的要求，并应符合国家标准《钢结构用高强度大六角头螺栓》(gb／t1231—1991)和《普通螺纹基本尺寸．粗牙普通螺纹》(gbl96-81)的规定。

但为了构造的需要和转动的方便，高强度螺栓的大六角头应制成圆头。

一个高强度螺栓的抗拉承载力设计值应按下式计算：
ntbh=ψaebhftbh≥ntmax
aebh为高强度螺栓的有效面积
ftbh为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；
ψ为高强度螺栓直径对承载力的影响系数；
当d＜30mm时,ψ=1.0；
当d≥30mm时,ψ=0.93；
ntmax为被连接的圆钢管杆件的最大轴心拉力。

连接螺栓球和受压圆钢管杆件所采用的高强度螺栓，可按被连接杆件内力的绝对值参照下式计算确定：ψaebhftbh≥︱ntmax︱︱ntmax︱为被连接的圆钢管杆件的最大轴心压力的绝对值。

连接螺栓球和圆钢管杆件所采用的高强度螺栓的螺栓的螺杆长度lb，可根据构造要求确定，即：lb=拧入螺栓球的长度+长形六角套筒的长度+锥头底板(或杆端封板)的厚度。

2．3长形六角套筒的设计。

长形六角套筒的作用是拧紧高强度螺栓和承受圆钢管杆件传来的压力。

因此，设计时应满足以下要求：(1)长形六角套筒的外形尺寸应符合搬手开口尺寸系列，端部要保持平整；(2)长形六角套筒内孔无螺纹，孔径一般比高强度螺栓直径大1.0mm；(3)长形六角套筒的壁厚应按被连接圆钢管杆件的轴心压力计算确定，并应验算开设滑槽或紧固螺孔处以及端部有效截面的承压应力。

承受被连接圆钢管杆件轴心压力的长形六角套筒在开设滑槽处或紧固螺钉孔处的强度，应按下式计算：бc=n/ann≤f 式中n为被连接网钢管杆件的轴心压力。

ann为长形六角套筒在开设滑槽处或紧固螺钉孔处的净截面面积。

承受被连接圆钢管杆件轴心压力的长六角套筒端部的承压强度，应按下式计算：бce=n/aen≤fce
式中aen为长形六角套筒端部的有效面积。

长形六角套筒端部举滑槽端部或紧周螺钉孔边缘的距离，应考虑该处有效截面的抗剪承载力不低于销子或紧同螺钉的抗剪承载
力进行计算确定，且不应小于滑槽宽度或紧固螺钉的抗剪承载力进行计算确定，且不应小于滑槽宽度或紧同螺钉孔径的1.5倍和6mm，以保证长形六角套筒整体刚性和抵抗带动销子旋紧高强度螺栓时
所产生的扭矩。

设置在长形六角套筒上的滑槽宽度一般比销子直1.5-2.0mm。

2．4锥头和封板的设计。

网架中螺栓球节点的圆钢管杆件，可采用锥头连接，也可采用封板连接。

锥头和封板作用是连接圆钢管杆件和高强度螺栓，承受被连接杆件的轴心拉力或轴心压力。

因此它既是螺栓节点的组成部分，也是网架圆钢管杆件的组成部分。

设计锥头和封板时应满足以下要求：(1)为避免交汇于节点处的网架圆钢管杆件的相互干扰并使其传力顺畅，当圆钢管杆件的管径
大于76mm时，一般宜采用锥头的连接形式；当圆钢管杆件的管径等于或小于76mm时，可采用封板的连接形式；(2)锥头的任何截面均应与被连接的圆钢管杆件截面等强度；而且锥头筒壁任何截面的最小厚度不应小于被连接圆钢管杆件的壁厚加2mm，并应满足锥头与圆钢管杆件相连的焊接构造要求。

锥头底板外侧平直部分的外接圆直径，通常取连接所用高强度螺栓直径的1.8倍加3～5mm：锥头(斜向)筒壁的坡度不应大于1／4的斜角，且锥头底板与(斜向)筒壁的交角应为圆弧角，以使传力圆滑过渡。

锥头的长度根据被连接圆钢管杆件直径、锥头底板连接高强螺栓的构造要求、锥头(斜向)简壁的合理坡度以及锥头与圆钢管件焊接连接的构造要求来确定；
(3)锥头或封板与圆钢管杆件的连接焊接，均应与被连接的杆件截面等强度；因此其连接焊缝应采用完全焊透的坡口对接焊缝：(4)锥头与封板的厚度，考虑到由于锥头底板和封板承受较大的局部压力或拉力，锥头底板和封板的厚度宜按握性理论计算确定，但封板的厚度一般不宜小于被连接圆钢管杆件外径的1／5；锥头底板的厚度不宜小于被连接圆钢管杆件外径的1／6；(5)锥头和封板的表面要保持平整，以确保固高强度螺栓的装配质量。

高强度螺栓的中心线应尽可能与杆件轴线相重合，螺栓孔径
一般只能比螺栓直径大0.5—1.0mm。

2．5销子和开槽圆柱端紧固螺钉的设计。

销子和开槽圆柱端紧同螺钉的作用有：(1)销子和开槽端紧崮螺钉是连接高强度螺栓和
长形六角套筒的辅助紧固件；它在搬手转动长形六角套筒时，带动高强度螺栓转动而逐步紧固，承受搬手转动长形六角套筒所产生的剪力；(2)在高强度螺栓未与螺栓连接之前，要防止长形六角套筒脱落；在高强度螺栓紧固后，防止长形六角套筒松动。

3、水雷式螺栓球节点的设计
水雷式螺栓球节点是在螺栓球节点的基础上，对球体形状作了改进而成的。

它是在跨度较大和屋面荷载较重的网架中，从缩小螺栓球体的直径，节省钢材，适应内力大的弦杆采用大直径的高强度螺栓，内力较小的腹杆采用较小直径的高强度螺栓等方面出发，对球体形状作了改进的一种螺栓球连接节点的形式。

因此，组成水雷式螺栓球节点的零部件及采用的钢材等均与螺栓球节点相同，只是钢球体的形状不同而已。

4、钢管圆筒节点的设计
钢管圆简节点采用短钢管与网架的圆钢管弦杆和腹杆直接焊接的连接节点的形式。

它主要用于网架杆件采用圆钢管的小跨度轻型四角锥嘲架和三角锥网架。

钢管鼓节点是一种采用短钢管在其上下两端焊以封板作成的鼓筒，将网架弦杆直接与焊于鼓筒的短钢管上，腹杆焊于封板上的连接节点形式。

它主要用于杆件为圆钢管的跨度小的轻型刖角锥网架。

结束语
总之，在设计时，合理的采用结构形式和节点形式，不但结构
更加合理，还便于工程的施工安装，而且能降低工程造价。