螺栓球节点体系的应用

4.1.1　螺栓球节点

在空间格构结构中，螺栓球节点是采用得较多的连接节点，螺栓球节点主要适用于双层或多层空间铰接杆件体系，如双层或多层平板网架、曲面网架或具任意几何外形的网格结构。螺栓球节点体系由高强度螺栓、钢球、销子（或螺钉）、套筒、锥头或封板等零件组成，如图4.1.1。

图4.1.1　螺栓球节点示意图

（1）钢球的直径

钢球的直径可按下式确定（见图4.1.2）：

为满足套筒接触面的要求，尚应按下式验算：

式中，D为钢球直径（mm）；

θ为两个高强度螺栓之间的最小夹角（rad）；

d₁，d₂为高强度螺栓直径（mm），d₁＞d₂；

ξ为高强度螺栓伸进钢球长度与螺栓直径的比值；

η为套筒外接圆直径与螺栓直径的比值。

ξ和η值应分别根据高强度螺栓承受拉力和压力设计值确定，其值可取ξ＝1.1，η＝1.8。根据机械连接的规定，高强度螺栓伸进钢球长度不应小于11个丝扣。

钢球直径应取式（4.1.1）和式（4.1.2）计算结果中的较大者。螺栓球是根据构造几何条件确定的，在一般情况下，由于高强度螺栓的限制从而也局限了螺栓球节点体系的应用，通常螺栓球节点体系中杆件拉力值不会太高，因此按规定材料制作的螺栓球强度一般无太大问题，所以螺栓球是根据构造的几何条件确定而没有经过强度分析。

图4.1.2　螺栓球示意图

（2）套筒

在螺栓球节点体系中，套筒的作用是将高强度螺栓拧入螺栓球中。在套筒槽中拧入销子后转动套筒就能使销子带动高强度螺栓旋转，使高强度螺栓进入螺栓球螺孔内。

套筒外形尺寸应符合扳手开口系列，端部要保持平整，内孔径可比螺栓直径大1mm。

套筒端部到开槽端距离应使该处有效截面抗剪力不低于销钉（或螺钉）抗剪力，且不应小于1.5倍开槽的宽度。

套筒长度l可按下式计算：

l＝a＋2a₁　　　　　　　　　　（4.1.3）

a＝ξd0－a₂＋d_s＋4mm　　　　（4.1.4）

式中，d_s为销子直径（mm）；

a₁为套筒端部到滑槽端距离（mm）；

ξd₀为螺栓伸入钢球的长度（mm）；

a₂为螺栓露出套筒长度，可预留4～6mm，但不应少于1.5～2个丝扣。

在德国MERO体系中，则采用由机械带动的软轴伸入锥头后将高强度螺栓拧入球节点。

（3）锥头或封板

锥头或封板是位于杆件端部安装高强度螺栓的一个零件。当杆件直径大于或等于76mm时，应采用锥头连接；当杆件直径小于76mm时，可采用封板或锥头连接。

杆件端部可采用锥头或封板连接，如图4.1.3和图4.1.4，其连接焊缝以及锥头的任何截面必须与连接的钢管等强，其焊缝宽度b可根据连接钢管壁厚取2～5mm。封板厚度应按实际受力大小计算决定，且不宜小于钢管外径的1／5。锥头底板厚度也应按实际受力大小计算决定，且不宜小于锥头底部外径的1／5。封板及锥头底部厚度可按表4.1.1采用。

图4.1.3　锥头与封板

图4.1.4　锥头连接与封板连接的示意图

表4.1.1　封板及锥头底部厚度

（4）销子或螺钉

销子或螺钉宜采用高强度钢材，销子直径可取螺栓直径的0.16～0.18倍，且不宜小于3mm。螺钉直径可采用6～8mm。

以上所述螺栓球节点是指国内采用的螺栓球节点，它是受到德国MERO早期的螺栓球节点体系的启发经简化产生的，该体系在我国得到极为广泛的应用。该体系的优点是制作工艺极为简单，但也存在着很多缺点，最大问题是当采用手动扳手拧进时，使高强度螺栓不能达到紧密顶紧的程度，所以节点连接的可靠性极大地依赖于安装质量。该体系中，当杆件为拉杆时，拉力主要通过高强度螺栓传入螺栓球；但如果为压杆，则压力主要通过套筒来传递，这些高强度螺栓则并未起到构造连接的任何作用。

在螺栓球节点体系设计时，遇钢管较大或者杆件夹角较小的情况时，钢管杆件可能相碰，而放大螺栓球球径则使用钢量迅速增加，为此改进球体的形状，减少钢球球体的直径，出现水雷式螺栓球节点，见图4.1.5。

图4.1.5　水雷式螺栓球节点