焊接管节点

4.2.4　焊接管节点

焊接管节点体系适用于不直接承受动力荷载，在节点处直接焊接的钢管（圆管、方管、矩形管）的空间格构结构。当空间格构结构杆件采用连续的钢管时才产生焊接管节点，由于焊接管节点是钢管与钢管之间简单的相贯而成，所以又俗称为相贯节点。焊接管节点有一个特点，通常它存在有主管和次管之分，一般将次管焊于主管之上，而主管为一根连续的钢管。因为空间格构结构中存在一条主要传力路线，为承受这个传力方向的荷载，这方向杆件截面较大形成一个单向受力的主管。所以焊接管节点往往在单向受力的空间格构结构中采用。

焊接管节点根据管截面的形式分为焊接圆管节点、焊接方管节点等，如图4.2.12。

图4.2.12　焊接管节点形式

4.2.4.1　焊接圆管节点

图4.2.13为德国MERO公司正在制作焊接的焊接圆管节点，该节点非常明显的特点是该节点构造避免了焊缝的交叉，事实上这节点最大限度地减少了焊接管节点中的缺陷即焊缝过分集中造成的焊接区材料强度的削减，以及焊缝质量难以保证而带来的隐患。图4.2.14是澳大利亚的空间巨型桁架，图中也可看到构造设计中如何避免焊接区的互相干扰。

图4.2.13　焊接圆管节点

图4.2.14　澳大利亚的空间巨型桁架

顾名思义，焊接圆管节点是采用圆形钢管作为受力杆件的桁架或框架中的节点，该节点是将支管焊于主管之上，主管是一根连续的钢管，而支管经过切削之后直接焊于主管上，图4.2.15为用于平面桁架中的圆管节点，有间隙。图4.2.15（a）支管的布置是根据桁架形式而定的，如果桁架中只有竖杆则如图4.2.15（b）所示。

图4.2.15　用于平面桁架中的圆管节点

图4.2.16和图4.2.17显示了各种构造形式的焊接圆管节点，其中图4.2.16（a）图至（e）图为圆管直接焊接平面管节点，（a）图是支管主管形成汇交的X形节点，（b）图是仅一侧支管，形似Y形的节点，（c）图是仅一侧支管，支管与主管夹角90°，俗称T形节点，（d）图是K形节点，（e）图是支管中有斜杆和竖杆，俗称KT形节点。图4.2.17（a）、（b）、（c）图为圆管直接焊接空间管节点，支管主管位于空间，有将其称为TT形节点、KK形节点、XX形节点的。事实上，形式取决于结构支管、主管的布置，除了以上节点形式之外，根据结构的布置杆件还存在各种不同形式，不过在相贯过程中要注意节点构造的可靠性，焊接管节点的关键在于节点构造如何保证焊接质量，从而保证焊接管节点的强度和刚度。

图4.2.16　圆管直接焊接平面管节点

图4.2.17　圆管直接焊接空间管节点

4.2.4.2　焊接方管节点

在空间格构结构中，如果采用方形和矩形截面的方管作为受力杆件时，杆件之间相贯形成了焊接方管节点。焊接方管节点的构造和焊接圆管节点的构造相类似，但由于截面形式决定了焊接方管节点的适用范围有限制，它不像焊接圆管节点那样截面是无极的、杆件之间的相贯是任意的，焊接方管节点之间的相贯与结构几何有极大关系，但是，在焊接方管节点中，管与管之间的相贯线比较简单，焊接也比较简单。

焊接方管节点除了与焊接圆管节点一样有间隙节点以外，还有搭接的节点，搭接率为100%。见图4.2.18。

图4.2.18　间隙节点与搭接节点

图4.2.19和图4.2.20显示了各种构造形式的焊接方管节点，其中图4.2.19（a）图至（e）图为方管直接焊接平面管节点，图4.2.20（a）、（b）、（c）图为方管直接焊接空间管节点。事实上，形式取决于结构支管、主管的布置，根据结构的布置杆件可以有各种不同形式。焊接管节点的关键在于节点构造如何保证焊接质量，从而保证焊接管节点的强度和刚度。

图4.2.19　矩形管直接焊接平面管节点

图4.2.20　矩形管直接焊接空间管节点

矩形焊接管节点的有效加强方法见图4.2.21。

图4.2.21　矩形管节点的加强

在加拿大，空心管（Hollow Structural Section）结构得到较广泛的应用，简称为HSS结构，除了以上连接设计方法以外，还有一些非标准的连接接头，如图4.2.22所示的方管“鸟嘴”K形接头，桁架的腹杆与方管弦杆圆角相连接，这种连接在切割腹杆端部时要特别注意。经过对方管的这种T形与K形接头的试验研究发现，这些接头不仅比相应的通常的方管接头强度高，而且普遍比具有与试件相近横截面的圆管接头强度高。

图4.2.22　方管“鸟嘴”T形与K形接头

此外，多种腹杆布置可与双弦杆组合而成双弦杆桁架，图4.2.23显示了主要的双弦杆HSS桁架节点类型。图4.2.23（a）、（b）分别是将两弦杆分开中间插入腹杆，用焊接连接或用螺栓连接。这种布置要求所有腹杆具同样的宽度，但可通过改变截面高度或壁厚变化杆件的尺寸。图4.2.23（c）为两背靠背弦杆与对中布置的腹杆组合，其中一个节点是100%的搭接接头，另一个节点是有加强板的间隙接头。与单弦杆桁架相比，双弦杆桁架直接的优势在于不仅有较高的承载力，还有更刚强的接头，侧向刚度增加后可以减小腹杆的数量，在大跨度情况下采用有较高的结构效率和较好的抗扭刚度。

图4.2.23　双弦杆HSS桁架节点类型

4.2.4.3　拼接接头

焊接管节点体系中往往遇到管的长度不足需要拼接。管与管之间的对接可采用焊接，也可采用法兰连接。图4.2.24为圆管螺栓连接的法兰接头，图4.2.25为矩形管两侧布置螺栓、四周布置螺栓的法兰接头。在一些大型结构中，如采用法兰连接可减少现场工作量，从而保证施工的精度。国外的格构结构很少采用现场焊接方式，一则是因为现场焊接难以保证质量，二则焊接的抗疲劳性能差，三则焊接时会产生不可避免的焊接应力和焊接变形，所以采用机械连接方式是应优先考虑的方式。图中所示的法兰连接仅仅是一种构造示例，图示的法兰连接是外法兰，优点是连接简单易行，但外形上不够美观，所以也有将法兰连接做成内法兰，外形上保持等截面。法兰连接不仅局限在杆与杆之间的对接，事实上也可做成相贯形式，即一个经过铸造或焊接而成的节点，通过法兰与各杆件相连接。

图4.2.24　圆管螺栓连接的法兰接头

图4.2.25　矩形管两侧布置螺栓、四周布置螺栓的法兰接头

当法兰接头不满足要求时还可采用其他拼接方法。图4.2.26显示了大型矩形管的拼接板拼接，只是管的封闭比较麻烦，如截面要封闭，则在外部布置拼接板，管截面端部用板封闭，螺栓手孔也要封闭；如截面不需封闭，可在内部外部都布置拼接板，螺栓承受双剪。图4.2.27显示了圆管、矩形管的拼接板，设置连接板和外部的拼接板，螺栓拼接，管截面端部用板封闭。

图4.2.26　大型矩形管的拼接板

图4.2.27　圆管、矩形管的拼接板