鑄鋼節(jié)點(diǎn)由于具有結(jié)構(gòu)多樣化、外形美觀、施工 工期短等特點(diǎn)以及良好的適用性，近年在我國(guó)大型 鋼結(jié)構(gòu)建筑、橋梁等工程中逐漸得到推廣應(yīng)用⑴。然 而目前尚未有一套成熟的鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法與產(chǎn)品 標(biāo)準(zhǔn)，且在實(shí)際荷載作用下鑄鋼節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀況十 分復(fù)雜，直接制約了其推廣應(yīng)用，因此對(duì)大型或形狀 復(fù)雜的鑄鋼節(jié)點(diǎn)有必要進(jìn)行一系列的設(shè)計(jì)、制作和 試驗(yàn)研究分析。

本文結(jié)合廣州國(guó)際會(huì)展中心工程鋼結(jié)構(gòu)中的鑄 鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)大型鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)基本原則 及受力進(jìn)行了初步研究與分析。通過鑄鋼節(jié)點(diǎn)的試 驗(yàn)研究和分析，對(duì)其承載安全性作出判斷，并給出建 議的鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度準(zhǔn)則，為制定相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 和推廣應(yīng)用提供可靠的依據(jù)。

鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)基本原則

鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足鑄造工藝要求的同時(shí)， 必須充分考慮鋼結(jié)構(gòu)在安裝施工過程中與節(jié)點(diǎn)相關(guān) 的每一環(huán)節(jié)，并根據(jù)項(xiàng)目技術(shù)要求確定鑄造節(jié)點(diǎn)基本 設(shè)計(jì)原則。由于鑄造節(jié)點(diǎn)的軸線為空間任意方向，因 此必須采用有關(guān)軟件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體設(shè)計(jì)，其 主要基本原則如下：

（1）鑄鋼節(jié)點(diǎn)必須具有可焊性；

（2）節(jié)點(diǎn)中各肢桿、拉索套管、筒身等各自中心 線宜相交于空間坐標(biāo)原點(diǎn),避免產(chǎn)生偏心扭矩；

（3）肢桿外徑應(yīng)與相應(yīng)桁架桿件相同，其主要受 力肢桿端面的壁厚宜為相接桁架桿件的2倍，次要 受力的肢桿端面壁厚可與相接桁架桿件壁厚相同；

（4）節(jié)點(diǎn)肢桿和桁架桿件間應(yīng)為對(duì)接熔透焊縫， 節(jié)點(diǎn)各肢桿在端面應(yīng)做成適當(dāng)坡口；

（5）為避免節(jié)點(diǎn)模型在斷面突變處產(chǎn)生過大的 應(yīng)力集中，在斷面變化處宜采用圓滑曲面過渡；

（6）將設(shè)計(jì)提供的鑄鋼節(jié)點(diǎn)荷載作用在支座節(jié) 點(diǎn)各肢桿的端面上，進(jìn)行鑄鋼節(jié)點(diǎn)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì), 并保證有足夠的安全度。

3工程實(shí)例

廣州國(guó)際會(huì)議展覽中心展覽大廳屋蓋鋼結(jié)構(gòu)釆 用預(yù)應(yīng)力張弦立體桁架結(jié)構(gòu)，跨度126.6m,是目前 國(guó)內(nèi)跨度最大和最新應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式⑵。該張弦桁 架兩端分別擱置在柱頂上，擱置處既是拉索的錨固 點(diǎn)，也是下弦桿、腹桿的交匯點(diǎn)，因此該節(jié)點(diǎn)受力復(fù) 雜，節(jié)點(diǎn)受力分析和設(shè)計(jì)顯得十分重要。設(shè)計(jì)要求節(jié) 點(diǎn)為鑄鋼節(jié)點(diǎn)，材料為ZG200-400鑄鋼，質(zhì)量執(zhí)行 《一般工程用鑄造碳鋼XGB11352）標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī) 定,詳見表lo

表1鑄造碳鋼件的機(jī)械性能表

本工程鑄鋼節(jié)點(diǎn)由多根鋼管以不同的空間角度 匯聚于一點(diǎn)，具有形狀復(fù)雜、尺寸和重量大等特點(diǎn)， 加工制作難度極大。同時(shí),鑄鋼節(jié)點(diǎn)極具觀賞性，既 是一件精密的機(jī)械零件，又是一件藝術(shù)品。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案和拉索張拉構(gòu)造要求進(jìn)行鑄鋼 支座的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，如圖1所示。本工程設(shè)計(jì)的鑄鋼節(jié)

點(diǎn)規(guī)格大（在2x2mxlm以上），重量大（張弦梁兩端 節(jié)點(diǎn)重量分別為4.5t和6.5t）,采用國(guó)產(chǎn)制品，是國(guó) 內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)中首次采用的超大型鑄鋼節(jié)點(diǎn)。

為了保證鑄鋼節(jié)點(diǎn)的鑄造質(zhì)量，對(duì)該鑄鋼節(jié)點(diǎn) 進(jìn)行了超聲波探傷檢測(cè)和磁粉探傷檢測(cè)，結(jié)果表明 全部合格,滿足本工程設(shè)計(jì)要求胡。

4試驗(yàn)研究與分析

鑄鋼節(jié)點(diǎn)在荷載作用下能否確保安全，是張弦鋼 屋架整體安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本次試驗(yàn)的目的是 確認(rèn)大跨度張弦桁架結(jié)構(gòu)鑄鋼支座節(jié)點(diǎn)在最大試驗(yàn) 荷載作用下的承載安全性，如圖2~3,因篇幅有限， 本文只列出其試驗(yàn)過程和主要結(jié)果。

4.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）加載方案

本試驗(yàn)的難點(diǎn)在于大噸位加載的實(shí)施，實(shí)際節(jié) 點(diǎn)受到張弦索設(shè)計(jì)拉力約51OOkN,試驗(yàn)中設(shè)計(jì)加載 至6000kN,為此采用圖4所示的加載裝置。

圖中L型反力架用于平衡錨桿拉力，豎向荷載 則通過豎向反力架予以平衡。

⑵測(cè)試方案

鑄鋼節(jié)點(diǎn)上共布置三向應(yīng)變片79點(diǎn)，共計(jì)237 個(gè)應(yīng)變分量,分別測(cè)試節(jié)點(diǎn)內(nèi)外表面的應(yīng)變值。錨桿 的實(shí)心圓鋼段上分2個(gè)截面布置單向應(yīng)變片,各截面 沿圓周均布4片，用以反算張拉千斤頂?shù)膶?shí)際拉力， 另外布置6個(gè)位移計(jì)測(cè)試鑄鋼節(jié)點(diǎn)受荷后的空間變 位情況。通過應(yīng)變采集儀和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，在 每級(jí)荷載施加后初次采集，間隔Imin后再次采集。 4.2試驗(yàn)結(jié)果

⑵材性試驗(yàn)

鑄鋼參照德國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)制作，共7根試件，材 性試驗(yàn)結(jié)果平均值見表2。

衰2材料性能試驗(yàn)結(jié)果

（2）應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)直至最大加載 水平,節(jié)點(diǎn)所有測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變都保持在彈性范圍內(nèi)，因 此可根據(jù)彈性理論將測(cè)得的應(yīng)變換算成應(yīng)力（彈性 模量 ETSxltFMPa）。

（3）位移計(jì)測(cè)試結(jié)果

共布置6個(gè)位移計(jì)，測(cè)試鑄鋼節(jié)點(diǎn)受荷后的空 間變位情況，結(jié)果表明鑄鋼節(jié)點(diǎn)的空間變位均很小, 對(duì)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果影響很小。

4.3結(jié)果分析

在最大試驗(yàn)荷載作用下，鑄鋼節(jié)點(diǎn)試件測(cè)點(diǎn)中 的最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在錨盤內(nèi)側(cè)，約為278MPa, 其原因是錨盤處鑄鋼節(jié)點(diǎn)承載面反側(cè)沒有支承，相

其原因是錨盤處鑄鋼節(jié)點(diǎn)承載面反側(cè)沒有支承，相 當(dāng)于中央開口圓板只約束外圓周，而開口邊有較大 分布荷載，但所有測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值均小于材料的屈服 強(qiáng)度，節(jié)點(diǎn)其它部位應(yīng)力較小。

6.5鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊接性能好，給施工安裝帶來了極大 的方便；

6.6根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析，對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè) 計(jì)強(qiáng)度取值和強(qiáng)度判別式提出了建議。

5建議的鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度準(zhǔn)則

從材性試驗(yàn)結(jié)果看出，鑄鋼材料強(qiáng)度指標(biāo)較穩(wěn) 定，屈服點(diǎn)平均值為3O6MPa,均方差為8.4MPa,以 屈服點(diǎn)作為設(shè)計(jì)強(qiáng)度依據(jù)，設(shè)材料屈服點(diǎn)服從正態(tài) 分布，則按97.73%保證率，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值可取 289MPa,取Q235鋼材的抗力分項(xiàng)系數(shù)1.087,由此 確定節(jié)點(diǎn)鑄鋼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

鋼材伸長(zhǎng)率遠(yuǎn)超出22%,故具有良好的塑性，即 使節(jié)點(diǎn)內(nèi)部有局部區(qū)域發(fā)展塑性，也應(yīng)能通過應(yīng)力 重分布有效防止節(jié)點(diǎn)破壞。鑒于材料的良好塑性，鑄 鋼節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度判別可以采用塑性條件，即： b,=V[(bi-b2)2+(b2-b3)2+(b3-bi)2]W1.1 丄彌其中b,為Mises應(yīng)力；亦可按1.087取值。

對(duì)本工程鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模計(jì)算，得到最大設(shè) 計(jì)荷載下的節(jié)點(diǎn)最大Mises應(yīng)力b,g=28OMPa,由 上述強(qiáng)度判別式得：

o■，或=280 <1.1x(289/1.087)

可以認(rèn)為節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載下是安全的。