空心球节点在圆管网架和圆管桁架等空间结构中应用广泛,这是因为球体是各向同性的,可以与任意方向的杆件相连,且容易保证杆件的轴线通过球体中心而不产生偏心具有广泛的适应性。空心球节点按加工制造的方式不同可分为焊接空心球和铸造空心球,目前工程中比较常采用的是焊接空心球。
三、焊接空心球节点
焊接空心球是将按设计要求确定的两块圆钢板经过热压或冷压加工成两个半圆球壳,再对接焊成一个整体。焊接空心球分为无肋空心球和有肋空心球,其中有肋空心球为在球壳内部加设环形加劲板。有肋空心球又可分为单肋空心球和双肋空心球,双肋球较常用的形式有平行或十字交叉双肋球,如图7-3-1所示。
预应力结构中经常采用开孔焊接空心球,开孔焊接空心球是普通焊接空心球的一种特例,它是在有索穿过的地方开孔,由于开孔削弱了空心球的承载力,需在球内加设两道平行环形加劲板。开孔焊接空心球根据索的布置又可分为双向开孔焊接空心球和单向开孔焊接空心球,如图 7-3-2 所示。
四、索节点
索作为张弦梁结构的一个重要组成部分,其与梁或桁架的连接尤为重要。索节点主要分为两类:一类是对索起锚固作用的锚固节点,主要位于拉索的端部;另一类是只对拉索起限位作用的限位节点,一般位于拉索的中部。
1、锚固节点
锚固节点一般固定在梁或桁架上,从材料和构成上可以分为两个部分。一部分是直接与索相连,固定拉索的锚具。设计上应保证其与相连接的拉索等强,其构成的材料一般为铸件和锻件,根据其固结形式的不同又可分为巴氏合金热铸锚具、环树脂冷铸锚具两种。另一部分是直接与架相连,连接桁架与锚具的连接件,这部分在设计上应保证其与设计荷载相一致,其构成材料一般为铸件和热轧钢材。
(1)巴氏合金热铸锚具
巴氏合金热铸锚具可以分为I型锚具(叉耳式)、Ⅱ型锚具(双螺杆式)、Ⅲ型锚具(耳环式)、Ⅳ型锚具(叉耳内旋式)、V型锚具(单螺杆式),如图 7-4-1 至图 7-4-5 所示。
锚杯材质推荐使用35CrMo、ZG310~570和45号钢,对于拉杆、螺杆等构件推荐使用20Cr和40Cr,其化学成分应符合表 7-4-1的规定,机械力学性能应符合表7-4-2的规定。锚具的计算强度不得大于材料抗拉强度的0.83倍。
(2)环氧树脂冷铸锚
环氧树脂冷铸锚的种类比较单一,结构型式如图7-4-6所示,其推荐使用材质与热铸锚相同。锚具的计算强度不得大于材料抗拉强度的0.83倍。
铸造过程中由于铸件冷却速度、壁厚、浇铸冒口部位选择的不同及材质的影响,容易形成夹渣、疏孔、裂纹等缺陷,所以现在国外的通常做法是:小锚杯采用锻造,大锚杯采用铸件,拉杆和螺杆等均采用锻件。
热铸锚较冷铸锚更加安全可靠,外形尺寸也更小,但其生产工艺复杂,造价也较冷铸锚高,因此两类锚具各有特点,设计中可根据具体情况进行选用。
由于锚具的受力计算较为复杂,设计中一般无需单独对锚具进行设计,只需根据选定的拉索规格和锚具型式即从相应表格中选定相应的锚具规格。
(3)连接件
连接件根据拉索的锚具型式和受力大小的不同,其形式上存在交大差异。连接件的具体尺寸应依据拉索的实际受力大小经计算确定。
如果锚具为热铸锚,其连接件多可设计为耳板式。如果与桁架连接方便,则耳板可直接用钢板,将耳板固定在桁架上即可;如果与桁架连接较为不便,则多需对节点进行整体设计,现在多采用整体铸造的方式,将耳板与桁架相关构件设计成铸件。如果耳板为钢板,设计中只需手工对耳板进行抗拉和局部承压计算,抗拉验算应选取耳板与销轴接触一侧受力面积最小部位进行计算;局部承压则应选取耳板与销轴接触线两侧90度区域(如图 7-4-7所示)进行计算。如果耳板为铸件,耳板部分也可采用手工进行抗拉和局部承压计算,但由于其与桁架为一个整体,因此对铸件整体应进行有限元分析。