空心球节点可用于大跨度空间桁架结构。
1、焊接空心球的形式和构造要求
空心球节点具有诸多优点,比如对中较为方便,传力也很明确,制造起来相对简单,是国内应用范围最为广泛的形式之一。然而,这种节点的焊接工作量比较大,对焊接等级有着较高的要求,并且会给结构带来焊应力和变形。焊接空心球节点的形式分为不加助和加助这两种。(图 1)
焊接空心球的构造要求:
1) 空心球外径D
空心球的直径 D 要让球面上相邻的钢管杆件之间的净距不小于 10mm(如图 2 所示)。为了达成保证净距这一目的,空心球的小直径可以按照下面的式子来进行计算。
2) 空心球壁厚δ
空心球的壁厚需要依据杆件的内力通过计算来确定。空心球的外径(D)和它的壁厚之间存在一定的比值关系,一般情况下这个比值为:
空心球的壁厚与钢管的最大壁厚之间的比例,通常在 1.5 到 2.0 这个范围。并且,空心球的壁厚最好不要小于 4mm。
3)两杆件相贯连接
当双层网架(壳)节点汇交的构件较多时,允许部分分杆件相互连接。在相贯连接的两杆中钢结构网架结构,如果其中一杆的截面积较大,那么这根主打杆件必须全截面焊在球上(当两杆截面相等时,取拉杆为主杆件),另一杆件则在主杆上进行坡口焊。并且必须保证有 3/4 的截面焊在球面上,也可以在相贯杆件处设置加劲肋。
2、焊接空心球节点承载力计算
空心球具有闭合的球壳结构。因为汇交杆件具有多向性,所以球体需要承受和传递多个环向荷载,其受力情况较为复杂。对于以受压为主的空心球,其破坏机理属于壳体稳定问题,能够采用非线性有限元法进行分析,以求得其极限承载力。而以受拉为主的空心球,其破坏机理属于强度破坏。壳体稳定问题可以通过构造要求来避免发生,将其转变为主要是强度问题。空心球的强度破坏呈现出冲剪破坏的特征。所以,球体的受拉承载力以及受压承载力,主要和钢材的抗剪强度有关,同时也和与空心球相连的杆件外径以及空心球壁厚有关。
以往有大量的试验结果以及有限元分析结果。经过回归分析之后,得出了轴心受力空心球的承载力设计值,其值为:
3、焊接空心球节点连接焊缝计算
钢管杆件与空心球相连接时使用焊接这种方式。由于构造存在差异,所以在连接时可以采用对接焊缝钢结构网架结构,也可以采用角焊缝。
1) 对接焊缝的计算和构造
杆件与空元球连接若采用加套管的方式,就需要满足(图 3)所规定的构造要求,在这种情况下可以按照对接焊缝来进行计算。