1 空间管桁架结构现状 

空间结构技术的发展已成为一个国家建筑科技水平的重要标志之一。近年来，各国在研究大跨度空间结构形式的同时，也在不断地研究和提高大跨度空间结构的施工技术。由于大跨度空间管桁架结构在会展、体育馆屋面结构中应用相当广泛，如我公司承建的上海、湖南、哈尔滨、南宁、苏州等会展中心及无锡、汕头体育馆空间管桁架截面、跨度及主管规格各不相同，在设计和施工过程中都或多或少存在不等壁厚对接、K型节点不可见焊缝(搭接焊缝)、节点强度不足、相贯节点焊缝、桁架施工程序等问题，而这些问题的设计和施工处理方法在规范中没有明确的规定或要求，通过多个工程实践，总结出一些实际处理方法。 

2 主管不等壁厚对接 

2．1 存在的问题
不等壁厚对接问题主要出现在大跨度变截面的空间管桁架主管对接口位置，如某工程主弦管管径为Φ610，而壁厚由10 mm渐变为38 mm，其中主管对接口位置最大壁厚差为12 mm(t₁=28 mm 与t₂=40 mm对接)。设计单位对所有对接口位置均要求在工厂打内坡口，加折板衬垫，见图1。对施工方而言，大量内坡口施工工期不允许，且难度较大；由于目前国内无此种管径的无缝管，需卷管制作，而由卷管工艺卷成的直缝钢管存在圆度问题，《结构用无缝钢管》(GB／T 8162—1999)规定，外径允许偏差±0.75％，弯曲度≤3.0 mm／m；因此，对 Φ610管圆度最大偏差可为：±0.75％x D = ±4.575 mm；即圆度偏差外径可达9.15 mm，而内径可达5.9mm。因此，如采用成品直缝管上车床制作内坡口或加衬垫均有很大难度，在有限时间内加工大量此种内坡口、折板衬垫难以保证工期要求。

2．2 规范对不等壁厚对接要求
《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)(以下简称“规范”)中8．2．4：“当焊件的宽度不同或厚度在一侧相差4 mm 以上时，应分别在宽度方向或厚度方向从一侧或两侧做成坡度不大于1：2.5的斜脚”(从应力的传递角度看，arctan(1／2.5)=21°，而应力扩散角度大于21°；对承受动荷载要求的坡度应为1：4)；欧洲钢结构设计规范(Eurocode 3)等对不小于3 mm的不等壁厚对接也要求打坡口，但都未涉及对管桁架不等壁厚对接问题的处理。
2．3 处理方法
根据工期及实际情况，采用加台阶衬圈(工厂)和内衬圈形式(现场)，分别见图2、图3，主桁架所有主管对接口设计要求一般为I级焊缝，因此对接口强度不存在问题，主要是由不等壁厚对接引起应力比太大，从而影响结构安全。为安全计，通常采用以下两种处理方法，方法一：沿对接焊缝垂直方向加插筋板，见图4；方法二：在对接焊缝位置加包箍，见图5。两种加固方法原理基本相同，即通过插筋板或包箍分担部分内力的传递，从而将不等壁厚对接位置的内应力集中系数降至0.7以下，以确保对接位置安全；但对于不等壁厚对接位置在不同衬圈形式下的应力分析有待于进一步的研究与试验。

2．4 经验总结
从设计角度看，应尽量减少不等壁厚对接的设计，特别是下弦主管位置，可以通过提高主管管径、主桁架的截面尺寸等保证壁厚平稳过渡；同时还需考虑制作精度及误差等因素对管截面的影响。
从施工角度看，如遇到不小于4 mm 的不等壁厚圆管对接，应从工艺上考虑打内坡口；对直缝卷管，在卷管前就应在板材上按设计要求打坡口；对无缝管或成品直缝管，可采取在车床上车内坡口短管(长度不小于500 mm )，再对接；或采取双面焊处理(管径>400 mm)，见图6，从而确保工艺要求。 

3 搭接节点(K型)不可见焊缝问题 

3．1 存在的问题
在节点构造上，K 型节点有间隙节点、部分搭接节点、完全搭接节点，具体见图7。 

在实际设计过程中，很容易出现搭接问题，这样就必然存在内隐藏焊缝，对于该焊缝的焊接问题和K型节点搭接承载力性能在“规范”中对此部分焊接与否未做明确要求。
3．2 国际管节点协会(CIEDCT)技术文献(以下简称“CIEDCT”)及“规范”的相关规定
空间管桁架设计中对选择主管、腹杆的主要控制节点参数如：直径比d₁／d₀、主管与腹杆壁厚比t₀／t₁，主管直径与壁厚之比d₀／t₀，腹杆之间的间隙g，腹杆间的搭接量O_v(q／P)、角度 及节点偏心距e。
1)在“CIEDCT”中要求：
a．0.2≤ d₁／d₀≤ 1(通常0.6～ 0.8)，O_v≥25％ ，一0.55≤ e／d₀≤ 0.25。
b．尽量采取间隙节点而不采用部分搭接节点，因为前者的端部切割、组装和焊接容易。
c．在部分搭接节点中，被搭接管的趾部(隐蔽部分)一般是不能焊接的；如果几个腹杆在垂直于主管方向上的荷载难以相互平衡(不平衡系数超过1.5)时，建议承受荷载大的腹杆应是全周长与主管焊在一起的通长腹杆，这意味着隐蔽焊缝必须施焊。
d．当采用搭接节点时，搭接管至少有1／4的宽度叠合在被搭接管上；但最好是有50％ 的叠合宽度；对搭接50％ 的K型节点，所进行的相关试验研究表明，搭接腹管整个接触周长可认为是有效的。
e．对K型节点，当部分搭接时，只要腹管内力在垂直于主管方向的分量相差不超过20％时，被搭接杆件的趾部不必焊接。
2)在“规范”中要求：
a．d₁／d₀≤ 1(10．2．1条)；25%≤ O_v≤ 100%(10．2．3条)；-0.55≤ e／d₀ ≤ 0.25(10．1．5条)。
b． 圆管的外径与壁厚之比不应超过100(235／f_y )(10．1．2条)。
c．在K型节点中，其搭接率O_v 应满足25％ ≤O_v≤ 100％ ，且应确保在搭接部分腹杆之间的连接焊缝能可靠地传递内力(10．2．3条)。
d．在搭接节点中，当腹杆厚度不同时，薄壁管应搭在厚壁管上(10．2．4条)。
e．根据国内外管桁架设计经验，常用几何参数范围为d₀／t₀=20～40， β= d_t／d₀=0.4～0.75，t₁／t₀=0.5～0.8(支管与主管壁厚比) 。
3．3 分析及结论
从以上引用可知，设计时不仅要考虑杆件和节点承载力，还需考虑节点的构造，它直接影响结构的经济性以及制作、安装的可行性；从“规范”中可知，在K型节点中，如果能保证腹杆之间的连接焊缝可靠地传递内力，搭接部分是可以不焊接的；而“CIEDCT”中也已明确在搭接50％ 、腹杆内力在垂直于主管方向上的分量不超过20％时，搭接部分可以不焊接，因此，对于K 型节点设计或施工过程中出现的搭接焊缝，须通过计算(或试验)来确定是否需要施焊。
当被搭接腹杆的被搭接部分需要施焊时，必须在搭接腹杆组装前焊接完成，这样就不能在所有杆件先点焊定位后再整体施焊，而先定位再整体施焊是最经济、可行的方法。虽然搭接节点具有优于间隙节点的静力和疲劳强度，但由于搭接节点中被搭接部分为趾部焊缝，该焊缝对被搭接管强度影响很大，因此在设计搭接节点时，一定要考虑被搭接部分在不施焊的情况下节点的安全性；如果必须施焊，最好是采用间隙节点构造或在图纸上标明必须施焊的搭接节点，同时还要避免腹杆之间的连续交错搭接设计。如果在设计时腹杆之间连续交错搭接，而设计又要求搭接部分焊缝必须焊接，实际是行不通的，通过对K 型搭接节点进行有限元分析，再根据“规范”、Eurocode 3、“CIDECT”、ISO 19902、AWSD 1．1对节点承载力进行综合评估，结论是大部分节点被搭接部分焊缝(不可见焊缝)是可以不焊接的，对个别节点必须施焊的情况，可采取在腹杆开椭圆孔对被搭接部分焊接，而后将椭圆孔封闭焊接，如图8所示。

然而，对于多管相贯节点(与次桁架相连位置，见图9)，要充分考虑其构造和节点承载力，不能只简单计算节点在垂直于主管方向内力差不小于20％ ，还须考虑次桁架作用于该平面的内力，因此必要时对这类节点采用铸钢节点或采取加强措施。关于K型搭接节点的搭接率及其承载性能试验研究正在进行中。 

4 节点强度不足问题的处理 

4．1 节点强度不足或失效的形式
在设计和施工过程中，往往会出现个别节点位置存在节点强度不足或失效问题，其主要形式有：

1)与支管相连的主管壁塑性变形；

2)与支管相连(支管较小时)的主管发生剪切失效；

3)受压支管在节点处的局部屈曲失效；

4)间隙节点处的剪切破坏(K型节点)；

5)焊缝拉脱；

6)主管壁在焊缝处产生层状撕裂。
4．2 “CIEDCT”及“规范”要求
在“CIEDCT”中：节点强度是随主管直径和壁厚之比d₀／t₀的递减及主管壁厚与腹杆壁厚之比t₀／t₁ 的递增而递增的；除100％搭接外，主管一般应是厚壁比薄壁好，但对于受压主管来说，壁薄而截面尺寸大的更能有效抵抗弯曲，但刚度减弱，因此该杆的最终管壁宽厚比将在节点强度与屈曲强度之间进行协调，通常还要考虑防腐的经济性。而“规范”在10．3．4条文说明中“建议取主管表面的局部凹(凸)变形达主管宽度d 的3％时的支管内力为节点的极限承载力(承载力极限状态)，取局部变形为0.01 d₁ 的支管内力为节点正常使用极限状态的控制力”。
4．3 节点加强处理
在桁架节点强度出现不足时，设计、施工方均需寻求各种可行的节点加强方法，虽然节点加固处理对结构外观有一定影响，但在多数情况下是可以接受的。
常用加固方法有：内加筋板法(图10a)、外加包箍法(图10c)、外加加强筋板法(图10b)、填充混凝土法(图10d)等。 

对1)、3)类型节点失效，节点加强可采取图10a、图10b、图10d方法；对2)、4)类型节点失效，节点强度可以通过图10c、图10d；值得一提的是，加强筋板厚度或长度推荐：t_p≥ 2t₁或2t₂(或t₁+t₂)，L_p≥ 1.5(b₁／sinθ₁+g+b₂／sinθ₂)；b₁、b₂为两腹杆直径；g为两腹杆之间间隙；对5)、6)类型节点失效，需考虑用节点“短路法”，即将节点处杆件内力在节点交汇之前分散一部分，从而确保节点安全；对施工而言，有安装前和安装后两种加强措施，通常在安装前对节点加固，较易施工；安装完成后加固较难，可以采取图10a、图10d方法，但图10a要改在两侧加固，如图11所示。

对于填充混凝土法(图10d)沿管桁架全长或只在控制强度的节点附近填充，特别是对受压管性能有显著改善；它的优点在于有利于管件强度和耐火性能，缺点在于增加结构恒载和费用。
管节点的弹性应力分析相当成熟，但完全按弹性塑性理论来考虑非弹性阶段和大变形以及钢材应变硬化等来分析节点的极限承载力尚有困难，目前各国规范都根据管节点各种几何参数和受力状态，与大量管节点破坏试验和理论分析模型相结合，用数理统计方法得到经验公式。因此在遇到节点强度不足问题，特别是在很难加固施工的情况下，应在理论分析的同时，做节点试验来分析以解决实际问题。 

5 相贯节点焊缝要求 

在相贯节点处，相贯线是不断变化的空间曲线，所以同一相贯口的坡口、间隙也随之变化，相贯口的坡口、焊缝的要求对设计与施工都是相当重要的；在工程中经常出现设计要求在实际施工中无法保证或实现。
5．1 “CIEDCT”相关规定
1)在管节点中，可以应用角焊缝、全熔透对接焊缝或角焊缝与对接焊缝组合，这取决于图12所示的几何形状，应根据拟连接的杆件强度设计这些焊缝。 

2)腹杆趾部焊缝是十分重要的，如果腹杆的角度小于60°，趾部应有坡口，同时采用对接焊缝。为能在腹杆的根部正确施焊，腹杆角度应不小于30°。
5．2 “规范”相关规定
1)腹杆与主管之间的连接可沿全周用角焊缝或部分采用对接焊缝、部分采用角焊缝。腹杆管壁与主管管壁之间夹角≥120°的区域，宜用对接焊缝或带坡口的角焊缝。角焊缝的焊角尺寸h 不宜大于腹杆壁厚的2倍(10．2．5条)。
2)在管结构中，腹杆与主管的连接焊缝可视为全周角焊缝进行计算(10．3．2条)。
3)《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ 81-2002，J218-2002)关于管节点焊缝计算及要求均有明确的规定。
5．3 处理方法
实际施工中，通常很难达到规范设计要求的焊缝等级，设计人员与施工人员对此问题有很大争议。通常是通过专家会议协调降低焊缝等级或对A、B区根部1～2 mm范围内部分缺陷“放过”，外部将焊缝余高增加2～3 mm，仍要求全熔透，100％UT。

6 相贯口补块问题 

在施工过程中，不可避免地存在制作、安装误差，导致相贯口位置间隙过大，需在现场安装过程中处理，处理方法在钢结构施工规范中未有明确要求，根据经验，总结如下：
1)主弦管与次桁架相贯口间隙超过8 mm，宜更换相贯口或对局部区域进行≥500 mm长椭圆形切割替换，要求打坡口焊接。
2)支管相贯口位置出现这类问题最多，宜对局部区域进行不小于300 mm长椭圆形补块，要求坡口焊接。
3)对所有更换相贯口或补块位置，当壁厚≥8mm时，要求UTI级探伤；当壁厚≤8mm时，要求打坡口焊接，必要时应进行探伤检测。
7 桁架施工程序
管桁架往往采取先点焊固定，而后整体施焊，所以在有搭接节点时，要在施工前与设计方确认哪些搭接部位必须焊接。这样就决定在组装或安装过程中，要注意管杆件的安装顺序，避免因杆件的安装次序问题导致节点被搭接，焊缝无法焊接，从而引起节点安全隐患。通常是有次桁架连接节点位置的被搭接部分是必须焊接的，如图13所示，在安装完主管后，安装支管②前，将支管① 的趾部焊缝焊接完毕，支管③ 安装前② 的趾部焊缝也必须焊接完成，把② 、③节点全部焊接完成后，方可进行④ 的安装，并对② 、③ 、④ 的相贯部位进行焊接，完成后才可对⑤ 、⑥管安装定位。对间隙节点而言，支管可以按上述顺序进行安装定位，而后整体施焊；相对而言，安装顺序是先⑦ ，而后是⑤ 或⑧ 。 

8 结 语 

在管桁架设计时，不仅要考虑节点构造及节点承载力，还要考虑实际施工的可操作性，特别是要考虑加工水平、制作安装误差等因素。对施工单位而言，在严格执行国家或行业规范、设计总说明相关条文的同时，对节点位置、标高，相贯口的安装定位及焊接要求、相贯口间隙处理、杆件的安装顺序等进行控制，确保施工质量。