网架结构杆件和节点的设计与构造

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。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，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。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。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。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。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。（2）高强度螺栓的设计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：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；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：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。（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。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。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，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。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：t2ts时；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：D3ds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：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；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，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；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＜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。(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。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。4）球铰压力支座节点对于跨度较大或带悬伸的四点支承或多点支承的网架，为适应支座能在两个方向作微量转动而不产生线位移和弯矩，采用球铰压力支座节点。这种支座节点的构造特点是，以一个凸出的实心半球，嵌合在一个凹进的半球内。在任何方向都能转动，而不产生弯矩，并在x、y、z三个方向都不会产生线位移。(2)拉力支座节点常用的拉力支座节点有下列两种型式：1）平板拉力支座节点对于较小跨度网架，支座拉力较小，可采用与平板压力支座相同的构造，利用连接支座与支承校的锚栓来承受拉力。2）弧形拉力支座节点弧形拉力支座节点的构造与弧形压力支座相似。