河北鑄鋼廠家供應(yīng)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點(diǎn)

鑄鋼節(jié)點(diǎn)的工程應(yīng)用與研究

摘要隨著空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展，鑄造工藝的提高，鑄鋼節(jié)點(diǎn)在我國(guó)得到了日益廣泛的應(yīng)用.本文介紹了鑄鋼節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用概況，研 究了該類型節(jié)點(diǎn)的特性、分類以及鑄造工藝、并時(shí)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提出幾點(diǎn)注意事項(xiàng)，同時(shí)還介紹了鑄鋼節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)概況

關(guān)鍵詞 鑄鋼節(jié)點(diǎn)；鑄鋼空心球管節(jié)點(diǎn)；鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)；張弦桁架

 

 

隨著空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)的跨度愈來愈大，形式也 相應(yīng)增多。特別是近幾年來，新型結(jié)構(gòu)體系不斷出現(xiàn)，使 結(jié)構(gòu)中構(gòu)件與構(gòu)件之間節(jié)點(diǎn)的連接方式日趨復(fù)雜，傳統(tǒng) 的焊接球節(jié)點(diǎn)、鋼管相貫節(jié)點(diǎn)等各種節(jié)點(diǎn)形式已不能適 應(yīng)現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。眾所周知，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的好壞對(duì)結(jié) 構(gòu)的傳力性能、制作安裝、工程進(jìn)度及工程造價(jià)都有相當(dāng) 大的影響，因此尋找受力合理、施工簡(jiǎn)便、造價(jià)低的節(jié)點(diǎn) 形式已實(shí)際地?cái)[在廣大工程技術(shù)人員面前°隨著鑄造工 藝的提高，鑄鋼節(jié)點(diǎn)以其合理性與實(shí)用性越來越受到工 程界的關(guān)注。在國(guó)外，特別是日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，鑄 鋼節(jié)點(diǎn)已得到非常普遍的采用；國(guó)內(nèi)鑄鋼件的應(yīng)用剛剛 興起，近幾年來，在一些大跨度結(jié)構(gòu)中，對(duì)受力復(fù)雜的節(jié) 點(diǎn)釆用了該種節(jié)點(diǎn)形式并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益目 前，我國(guó)對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的研究還很缺乏，因此為了適應(yīng)該種 節(jié)點(diǎn)的發(fā)展,對(duì)其進(jìn)行理論分析與試驗(yàn)研究已成為當(dāng)務(wù) 之急。近期我國(guó)正準(zhǔn)備編制有關(guān)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的規(guī)范，屆時(shí) 鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、鑄造及施工將有據(jù)可依,進(jìn)一步推動(dòng)了 鑄鋼節(jié)點(diǎn)在我國(guó)的發(fā)展。

1鑄鋼節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)及類型

1.1鑄鋼節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)

在建筑鋼結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)形式很多，如焊接空心球節(jié) 點(diǎn)、螺栓球節(jié)點(diǎn)、鋼管相貫節(jié)點(diǎn)、焊接鋼板節(jié)點(diǎn)等：鑄鋼 節(jié)點(diǎn)相對(duì)這些節(jié)點(diǎn)而言，有其獨(dú)特的性能，其主要特點(diǎn) 為：

1） 鑄鋼節(jié)點(diǎn)在工廠內(nèi)整體澆鑄，相對(duì)于焊接球節(jié)點(diǎn) 與鋼管相貫節(jié)點(diǎn)，可免去相貫線切割及重疊焊縫焊接引 起的應(yīng)力集中；

2） 鑄鋼節(jié)點(diǎn)具有良好的適應(yīng)性，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)自由度大: 可根據(jù)建筑需要生產(chǎn)出具有復(fù)雜外形和內(nèi)腔的節(jié)點(diǎn)；可 按受力狀況采用最合理的截面形狀，從而改善節(jié)點(diǎn)的應(yīng) 力分布；

3） 建筑結(jié)構(gòu)中鑄鋼節(jié)點(diǎn)的化學(xué)成份要求比其它領(lǐng) 域中的鑄鋼件要高，嚴(yán)格限制C、S、P的含量，使材質(zhì)具有 良好的塑性、韌性及可焊性；

4） 鑄鋼節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用范圍廣，不受節(jié)點(diǎn)位置、形狀、尺 寸的限制，既可用于結(jié)構(gòu)中部節(jié)點(diǎn)，也可用于支座節(jié)點(diǎn)：

1.2鑄鋼節(jié)點(diǎn)的類型

建筑結(jié)構(gòu)中鑄鋼節(jié)點(diǎn)的形狀雖然千差萬別，但根據(jù) 內(nèi)部構(gòu)造或節(jié)點(diǎn)形式可將其分類：

鑄鋼節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部構(gòu)造可分為實(shí)心鑄鋼節(jié) 點(diǎn)、空心鑄鋼節(jié)點(diǎn)、半空心半實(shí)心鑄鋼節(jié)點(diǎn)三類：

1） .實(shí)心鑄鋼節(jié)點(diǎn)雖然承載力比較大,但由于節(jié)點(diǎn)在 冶煉時(shí)需要大量鋼水，不僅造成材料的浪費(fèi)，而且導(dǎo)致工 程造價(jià)的提高。除此之外，該節(jié)點(diǎn)自重大，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的 受力將產(chǎn)生極其不利的影響。因此實(shí)心鑄鋼節(jié)點(diǎn)在工程 中很少被采用；

2） 半空心半實(shí)心鑄鋼節(jié)點(diǎn)是在實(shí)心節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上， 在某些部位設(shè)置減重孔。為了避免出現(xiàn)尖角，減重孔的 內(nèi)表面通常為光滑的曲面，如拋物面、橢球面等；減重孔 位置應(yīng)避開各桿件的匯交處，節(jié)點(diǎn)在桿件的匯交處是實(shí) 心的：該節(jié)點(diǎn)的重量與承載力均介于實(shí)心鑄鋼節(jié)點(diǎn)和空 心鑄鋼節(jié)點(diǎn)之間；

3）空心鑄鋼節(jié)點(diǎn)是在實(shí)心節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將所有桿 件掏空。該節(jié)點(diǎn)的承載力雖然相對(duì)較低，但可大大減少

節(jié)點(diǎn)重量、降低造價(jià)。在選擇鑄鋼節(jié)點(diǎn)的類型時(shí)，若空心 鑄鋼節(jié)點(diǎn)可滿足強(qiáng)度以及鑄造工藝的要求，應(yīng)優(yōu)先考慮 采用該種節(jié)點(diǎn)形式。

鑄鋼節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)形式可分為鑄鋼空心球管節(jié)點(diǎn)、 鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)、鑄鋼支座節(jié)點(diǎn)三類匚

1）鑄鋼空心球管節(jié)點(diǎn)與我國(guó)普遍采用的焊接空心 球節(jié)點(diǎn)有很多相似之處，我們將通過對(duì)這兩種冇點(diǎn)的比 較,分析鑄鋼球管節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)。鑄鋼空心球管節(jié)點(diǎn)由于 鋼管根部與球整體澆鑄在一起，焊縫位于鑄鋼管上：焊 接空心球節(jié)點(diǎn)是先將兩個(gè)半球?qū)付煽招那颍缓髮?鋼管進(jìn)行加工后，直接焊在球上，焊縫位于管、球相交處。 為了改善節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布以及保證鑄鋼件的清理，鑄鋼球 管節(jié)點(diǎn)在鑄鋼管與球交界處、鑄鋼管與鑄鋼管搭接處的 內(nèi)外側(cè)都有圓滑過渡，即存在倒角:圖1為重慶奧林匹 克體育中心的某一鑄鋼球管節(jié)點(diǎn)的剖面圖。

 

圖1鑄鋼球管節(jié)點(diǎn)的剖面圖

 

 

 

圖2鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)的示意圖

 

2）鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)是根據(jù)節(jié)點(diǎn)外形將多根桿件的匯 交處在廠內(nèi)澆鑄而成，內(nèi)腔可以是空心，也可以是半空心 半實(shí)心?？招蔫T鋼相貫節(jié)點(diǎn)與鋼管相貫節(jié)點(diǎn)有相似之處， 但兩者之間存在根本區(qū)別c鋼管相貫節(jié)點(diǎn)是主管直通， 支管加工成相貫面后，直接與主管焊接：而鑄鋼相貫節(jié) 點(diǎn)可根據(jù)各匯交桿件的空間位置鑄造成各種形狀，不受 主管直通的限制。該節(jié)點(diǎn)無論是空心還是半空心半實(shí) 心，焊縫都位于鑄鋼管上,在管管相交處都存在倒角。為 了提高節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度與剛度，在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部可設(shè)置鑄鋼加勁 肋：圖2為重慶奧林匹克體育中心鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)的軸測(cè) 圖。

3）鑄鋼支座是一種特殊的節(jié)點(diǎn)形式.是將上部荷載 傳遞給下部結(jié)構(gòu)的重要傳力構(gòu)件，其設(shè)計(jì)是否合理關(guān)系 到整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。鑄鋼支座主要應(yīng)用在網(wǎng)架、網(wǎng)殼與 下部結(jié)構(gòu)的結(jié)合處、張弦桁架端部、梁柱結(jié)合處等，其形 式差別較大，很難一概而論，視具體的結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行設(shè) 計(jì)。

2鑄鋼節(jié)點(diǎn)的材料

鑄造材料按照鋼的化學(xué)成份分為鑄造碳鋼和鑄造低 合金鋼。由于鑄造碳鋼的淬透性與力學(xué)性能較差以及對(duì) 大截面構(gòu)件無法通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化，因此鑄造材料主 要采用低合金鋼，其主要的合金元素為錠Mn、硅Si、銘Cr 等，這些元素不僅提高了材料的強(qiáng)度，而且大大改善了鑄 鋼的塑性、韌性及可焊性。鑄鋼件材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)很多：如1987 年我國(guó)制定的焊接鋼結(jié)構(gòu)用碳素鋼鑄件的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T7659、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO3755、日本標(biāo)準(zhǔn)JISG5102、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn) ASTM A216、德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN17182。通過對(duì)各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的比 較.我們發(fā)現(xiàn)德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)（歐盟標(biāo)準(zhǔn)）中的鑄鋼件化學(xué)成份 含量與機(jī)械性能指標(biāo)要求最嚴(yán)格。該標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格控制C及 有害元素S、P的含量:C的含量控制在0.15%0.2%范圍 內(nèi)，比其它各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)低0.05%左右；S、P含量控制在0. 020%以下，而其它各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)均控制在0.045%以下。嚴(yán) 格限制C、S、P的含量不僅使鑄鋼件具有良好的塑性與韌 性，而且確保了節(jié)點(diǎn)的可焊性，以滿足鑄鋼件與鋼管兩種 不同材質(zhì)的焊接要求。建筑用鑄鋼件在材料選取上主要 需考慮兩方面問題:滿足結(jié)構(gòu)的受力性能；材料具有良好 的塑性、韌性與可焊性。目前，我國(guó)建筑用鑄鋼材質(zhì)的選 取主要參照德國(guó)DIN17182標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)材質(zhì)的化學(xué)成 份及機(jī)械性能要求見表1、表2所示：

3鑄鋼節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)工藝

鑄鋼節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)工藝主要包括鑄鋼件的鑄造、熱處 理、后處理三個(gè)方面。

3.1鑄鋼節(jié)點(diǎn)的鑄造工藝

鑄造工藝的基本過程為:制模一造型-冶煉一澆注。

模型的設(shè)計(jì)與制作是節(jié)點(diǎn)鑄造的關(guān)鍵步驟：在模型 制作過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制模型各部分的尺寸、角度及表面 光潔度。

為提高鑄件的尺寸精度及易于清理，通常采用表面 穩(wěn)定性較高的型砂造型工藝。同時(shí)為了增加型砂抵抗金 屬液的沖刷和侵蝕作用，防止鑄件表面產(chǎn)生粘砂，對(duì)鑄型 表面應(yīng)涂刷合適的涂料。

目前鑄鋼件的材質(zhì)通常參照德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)S. P的含量限制非常嚴(yán)格。為確保材質(zhì)的化學(xué)成份符合設(shè) 計(jì)要求，在冶煉過程中不僅需控制煉鋼原料的質(zhì)量.釆用 優(yōu)質(zhì)中小廢鋼，而且煉鋼熔清后，應(yīng)抓緊造渣、流渣.以利 于低溫去磷；同時(shí)需加強(qiáng)還原期的脫S操作:

鋼水的澆注要確保進(jìn)入型腔的鋼液平穩(wěn)，有合適的 上升速度，不出現(xiàn)渦流現(xiàn)象。對(duì)于鑄件中厚度較薄部位， 應(yīng)將鋼水澆遍，以防鋼水凝固后出現(xiàn)空洞，嚴(yán)重影響節(jié)點(diǎn) 的受力性能。

3.2鑄鋼節(jié)點(diǎn)的熱處理

為了提高鑄鋼件的機(jī)械性能以及消除鑄造過程中引 起的鑄造應(yīng)力，對(duì)鑄鋼件應(yīng)進(jìn)行熱處理。鑄鋼件的熱處 理主要受溫度和時(shí)間的影響，其加熱速度取決于鋼的化 學(xué)成份、鑄件的形狀與斷面大小;保溫時(shí)間取決于鑄件的 最大壁厚及裝爐堆料情況。

3.3鑄鋼節(jié)點(diǎn)的后處理

鑄鋼件的后處理過程主要包括：清砂-切割澆冒口 -補(bǔ)焊一打磨-拋丸一防銹處理等。

 

4鑄鋼節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量控制與焊接

4.1鑄鋼節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量控制

質(zhì)量控制是生產(chǎn)合格鑄件的基本保證。為確保鑄鋼 節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量,在節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)及安裝過程中主要進(jìn)行以下 幾方面的檢測(cè)：

1） 化學(xué)成份的檢驗(yàn)：目前，我國(guó)選用鑄鋼材質(zhì)時(shí)遵循 德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN17182,制作時(shí)采用國(guó)內(nèi)鋼材，因此對(duì)其化 學(xué)成份應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)，并提供相應(yīng)的化學(xué)成份報(bào)告；

2） 力學(xué)性能檢驗(yàn):將澆鑄鋼件的同爐鐵水制成標(biāo)準(zhǔn) 試件，進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，提供機(jī)械性能報(bào)告；

3） 無損探傷檢測(cè)：對(duì)鑄件進(jìn)行無損探傷檢測(cè)的方法 主要為磁粉探傷與射線探傷；

4） 幾何尺寸及空間位置檢測(cè)：用三維坐標(biāo)儀對(duì)鑄鋼 節(jié)點(diǎn)的幾何尺寸及空間位置進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果 在鑄鋼件上標(biāo)出定位線，以利于節(jié)點(diǎn)的安裝；

5） 對(duì)鑄鋼件的鑄造內(nèi)外側(cè)倒角、表面粗糙度進(jìn)行檢 測(cè)。

4.2鑄鋼節(jié)點(diǎn)的焊接

鑄鋼節(jié)點(diǎn)與鋼管的焊接為兩種不同材質(zhì)的焊接，為 了確保焊接質(zhì)量,不僅要嚴(yán)格控制鑄鋼材質(zhì)中C、S、P的 含量，而且對(duì)焊條選擇、焊接工藝都要進(jìn)行嚴(yán)格評(píng)定。焊 條主要根據(jù)鑄鋼節(jié)點(diǎn)與鋼管的材質(zhì)性能選擇，焊條在使 用前應(yīng)進(jìn)行烘干處理。焊接工藝主要從試件組對(duì)、試件 校正、預(yù)留焊接收縮量、焊接定位、焊前防護(hù)、清理、預(yù)熱、 焊接、保溫、檢驗(yàn)等工序進(jìn)行嚴(yán)格控制：

5鑄鋼節(jié)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外工程中的應(yīng)用

在國(guó)外，特別是日本、歐盟等國(guó)家，鑄鋼節(jié)點(diǎn)在實(shí)際 工程中已得到廣泛應(yīng)用。如日本名古屋體育館的單層球 面網(wǎng)殼，其節(jié)點(diǎn)形式采用了帶加勁肋的圓柱狀鑄鋼節(jié)點(diǎn)； 德國(guó)斯圖加特機(jī)場(chǎng)航站樓的樹狀結(jié)構(gòu)采用了鑄鋼相貫節(jié)
點(diǎn)。近幾年我國(guó)在一些大跨度結(jié)構(gòu)中也采用了鑄鋼節(jié) 點(diǎn)，下面根據(jù)收集到的實(shí)際工程資料，說明鑄鋼節(jié)點(diǎn)在我 國(guó)的應(yīng)用。

上海新國(guó)際博覽中心的結(jié)構(gòu)體系為鋼管桁架柔性支 撐體系。單福桁架跨度72m,寬度12m,支座采用球形鑄 鋼節(jié)點(diǎn)支承在下部鋼柱上。除懸臂端外，桁架全部節(jié)點(diǎn)均 采用鑄鋼連接件,其中一期工程的鑄鋼節(jié)點(diǎn)數(shù)目達(dá)到6022 個(gè)，節(jié)點(diǎn)重量2166噸。鑄鋼件的材質(zhì)參照德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，牌號(hào) 為GS20Mn5,節(jié)點(diǎn)類型為半空心半實(shí)心的鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)， 圖3為I：海新|耶，|柚覽中心所采用的傳鋼獄

 

圖3上海新國(guó)際博覽中心的鑄鋼節(jié)點(diǎn)

 

深圳文化中心展覽廳采用了典型的樹狀結(jié)構(gòu)，高度 為39.6m。該結(jié)構(gòu)的許多節(jié)點(diǎn)由多根桿件以不同角度匯 集而成，形狀復(fù)雜，因此在這些節(jié)點(diǎn)處釆用了鑄鋼連接件| 該工程的樹狀結(jié)構(gòu)中鑄鋼節(jié)點(diǎn)數(shù)目67個(gè)，材質(zhì)牌號(hào) GS20Mn5,節(jié)點(diǎn)類型為半空心半實(shí)心的鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)，如 圖4所示c.

哈爾濱國(guó)際會(huì)展中心的主館屋蓋采用了跨度為128m 的張弦立體桁架。張弦桁架的一端被支承在鋼筋混凝土 柱上，另一端支承在人字形鋼柱上張弦桁架兩端與索的 連接節(jié)點(diǎn)、索與桁架桿件相交節(jié)點(diǎn)及兩端支座節(jié)點(diǎn)處均采 用了鑄鋼連接件，其中索與桁架下弦桿件相交處的鑄鋼節(jié) 點(diǎn)類型為鼓形的空心鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)形狀如圖5所 示。該工程中鑄鋼節(jié)點(diǎn)的材質(zhì)牌號(hào)為GS20Mn5c

廣州國(guó)際會(huì)展中心主體鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用跨度為126m 的張弦桁架，張弦桁架端部既要穿索，又有多根鋼管同時(shí) 匯交，同時(shí)又要考慮索的張拉與錨固，因此其端部的節(jié)點(diǎn) 采用了鑄鋼連接件，節(jié)點(diǎn)材質(zhì)牌號(hào)為GS20Mn5,形狀如圖 6所示：

 

圖6廣州國(guó)際會(huì)展中心鑄鋼節(jié)點(diǎn)

重慶奧林匹克體育中心的屋蓋采用了跨度為312m 的雙向平行弦鋼管網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)跨度大，在距網(wǎng) 殼兩著地點(diǎn)及中間不動(dòng)餃支座斜撐附近的個(gè)別節(jié)點(diǎn)處， 其匯交桿件數(shù)量多、桿件截面大，采用常規(guī)節(jié)點(diǎn)均無法滿 足設(shè)計(jì)要求，因此結(jié)合工程實(shí)際在網(wǎng)殼下弦的端部采用 了鼓形鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)，與支座斜撐相連的下弦節(jié)點(diǎn)采用 鑄鋼空心球管節(jié)點(diǎn)，除此之外在網(wǎng)殼的支座處也采用了 鑄鋼連接件。整個(gè)工程兩片對(duì)稱的網(wǎng)殼中鑄鋼件的數(shù)目 為28個(gè)，節(jié)點(diǎn)的材質(zhì)牌號(hào)為GS20Mn5o鑄鋼節(jié)點(diǎn)的形狀 如圖7所示。

南京奧林匹克體育中心的屋頂結(jié)構(gòu)為平行鋼空腹箱 梁和環(huán)向支撐桿件組成的馬鞍形屋面，支承在跨度為 360m,與水平面成45°傾斜的鋼拱和體育場(chǎng)周邊的“V“形 支撐上。由于曲拱的跨度大，拱中三根主管直徑均達(dá)到 1000mm,采用鋼管相貫節(jié)點(diǎn)無法滿足設(shè)計(jì)要求，為此三 根主管上的節(jié)點(diǎn)采用了鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)，除此之外馬鞍形 屋面的箱形梁與外圓周邊的環(huán)形邊梁和V形支撐的節(jié)點(diǎn) 采用了鑄鋼空心球管節(jié)點(diǎn)。

深圳游泳跳水館、蘇州體育館、鄭州會(huì)展中心、重慶 江北機(jī)場(chǎng)、新疆體育中心等工程在關(guān)鍵部位也都采用了 鑄鋼連接件，在此不再詳細(xì)敘述C

6鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

6.1鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

鑄鋼節(jié)點(diǎn)有多種類型，不同類型的節(jié)點(diǎn)有不同的設(shè) 計(jì)方法。為了使鑄鋼節(jié)點(diǎn)滿足各方面的需要，作者通過 對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鑄造與焊接工藝的研究，對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) 提出了以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng)。

1)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要滿足鑄造工藝的要求

在保證節(jié)點(diǎn)具有足夠強(qiáng)度的條件下，要充分考慮鑄 造工藝。設(shè)計(jì)時(shí)主要注意以下幾個(gè)方面：i)為了保證鋼 液均勻平穩(wěn)地進(jìn)入內(nèi)腔、確保鋼水凝固速度，鑄鋼節(jié)點(diǎn)的 壁厚不易過薄。對(duì)空心鑄鋼管來說，其壁厚通常是與之 相連鋼管壁厚的1.5-3倍。ii)為了避免出現(xiàn)尖角及有 利于清砂，鑄鋼節(jié)點(diǎn)的各鑄件之間的內(nèi)外壁都應(yīng)圓滑過 渡，即設(shè)計(jì)倒角。根據(jù)倒角半徑的允許范圍，在不影響結(jié) 構(gòu)功能的條件下，可適當(dāng)加大倒角半徑：

2)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的焊接接口形式

由于鑄鋼節(jié)點(diǎn)與鋼管要進(jìn)行焊接，而且鑄鋼節(jié)點(diǎn)中 的鑄鋼管壁厚比相應(yīng)鋼管的要大，若將鋼管與鑄鋼件直 接焊接，勢(shì)必在此處產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，因此在設(shè)計(jì)節(jié) 點(diǎn)時(shí)，應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)與鋼管的焊接接口形式。鑄鋼節(jié)點(diǎn)與 鋼管的焊接為對(duì)接焊，在鑄鋼節(jié)點(diǎn)與鋼管的焊接處通常 要做焊接槽口，即在焊口部位處，鑄鋼管壁厚應(yīng)平滑過渡 到與鋼管相當(dāng)?shù)谋诤?，槽口尺寸根?jù)鑄鋼管壁厚與相連 鋼管壁厚確定。圖8為鑄鋼節(jié)點(diǎn)中常用的焊接接口形 式：

 

 

鑄鋼節(jié)點(diǎn)的受力分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，鑄鋼節(jié)點(diǎn)的計(jì)算方法 主要采用有限元法，利用大型通用有限元程序ANSYS、 NASTRAN、COSMOS等進(jìn)行受力分析：在進(jìn)行有限元 分析時(shí)，由于鑄鋼節(jié)點(diǎn)的壁相對(duì)較厚，單元類型通常選實(shí) 體單元，根據(jù)鑄鋼材質(zhì)的屈服強(qiáng)度進(jìn)行彈性或塑性分析。 對(duì)那些受力較大、構(gòu)造復(fù)雜的鑄鋼節(jié)點(diǎn)有必要進(jìn)行足尺 試件或縮尺模型的試驗(yàn)研究。由于鑄鋼具有較好的塑 性，鑄鋼節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度準(zhǔn)則釆用Von Mises屈服準(zhǔn)則，即當(dāng) 計(jì)算點(diǎn)的Mises應(yīng)力超過材料強(qiáng)度,認(rèn)為該點(diǎn)進(jìn)入塑性。

 

 

6.2重慶奧林匹克體育中心鑄鋼空心球管節(jié)點(diǎn) 的設(shè)計(jì)與計(jì)算結(jié)果分析

6.2.1鑄鋼空心球管節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

重慶奧林匹克體育中心工程中的兩片網(wǎng)殼共采用了 16個(gè)鑄鋼球管節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)形式為4種.各節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與分 析方法都是相同的。本文以受力最大的鑄鋼球管節(jié)點(diǎn)為 例，說明其設(shè)計(jì)與有限元分析方法一節(jié)點(diǎn)的幾何形狀如圖 9所示。由圖9可知，該節(jié)點(diǎn)匯交1()根桿件，桿件數(shù)量多、 直徑大，其中最大桿的直徑為720mm,若采用焊接球節(jié)點(diǎn)， 不僅使球徑超過Im,而且由于2、4、6、7、8、9、10號(hào)桿的多 向交匯，導(dǎo)致相貫線錯(cuò)綜復(fù)雜，大大增加了加工的困難以 及焊接工作量，因此將上述幾號(hào)桿與球整體澆鑄在一起， 形成鑄鋼節(jié)點(diǎn)。鑄鋼節(jié)點(diǎn)的材質(zhì)參照德國(guó)DIN17182標(biāo)準(zhǔn) 中的GS20Mn5，其機(jī)械性能指標(biāo)為：屈服強(qiáng)度230MPa，極 限強(qiáng)度450MPa、延伸率22%、D級(jí)沖擊功37J該鑄鋼球 管節(jié)點(diǎn)的球徑D取為900mm,球壁厚t為70mm,綜合考 慮安全、經(jīng)濟(jì)以及鑄造工藝等方面的因素，鑄鋼管上部(與 鋼管連接處)的厚度取為與之相連鋼管厚度的1.5倍，鑄 鋼管下部(與球連接處)的厚度取為鋼管厚度的2.5倍匚 各鑄鋼管由球面上的伸出長(zhǎng)度結(jié)合由滿足施焊構(gòu)造要求 所需的最小長(zhǎng)度并考慮鑄造尺寸的統(tǒng)一，取為650mm-鑄 鋼節(jié)點(diǎn)在鑄鋼管與球相交處的內(nèi)外側(cè)以及鑄鋼管與鑄鋼 管搭接處的倒角半徑都取為5()mn\對(duì)于1、3號(hào)桿因鋼 管管徑較小、管與管之間的夾角較大，直徑9()()nun的鑄鋼 球可滿足焊接空間的要求，因此將鋼管直接焊在鑄鋼節(jié)點(diǎn) 上：該節(jié)點(diǎn)的球體直徑較大，在球內(nèi)設(shè)置十字形加勁肋以 提高節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度一上述幾何尺寸初步確定后，采用大型.通用 有限元軟件ANSYS對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析：對(duì)于3根焊 接桿件為了避免或消除邊緣效應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響， 分析時(shí)將焊接鋼管的根部與鑄鋼節(jié)點(diǎn)作為整體參與計(jì)算， 焊接鋼管材質(zhì)為Q345鋼。由于節(jié)點(diǎn)與多根空間匯交桿件 相連，而且在鑄鋼管與球、鑄鋼管與鑄鋼管相交處都存在 倒角，而ANSYS的前處理器無法對(duì)體進(jìn)行倒角，因此為了 使計(jì)算結(jié)果符合節(jié)點(diǎn)的真實(shí)受力狀態(tài),我們用AutoCAD建 立節(jié)點(diǎn)的實(shí)體模型，然后將其存為SAI'文件，直接輸人到 ANSYS中。節(jié)點(diǎn)建模采用十節(jié)點(diǎn)的四面體單元.單元類型 為SOLID187,網(wǎng)格劃分控制單元邊長(zhǎng)，采用自由網(wǎng)格劃 分，劃分精度為6。節(jié)點(diǎn)荷載主要根據(jù)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的各 種工況，從中選取最不利工況下的桿件內(nèi)力而得到，荷載 的施加是將軸向集中力轉(zhuǎn)換成面荷載加在鑄鋼管及焊接 管的端部。鑄鋼球管節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的非支座節(jié)點(diǎn)，雖 然節(jié)點(diǎn)匯交各桿的軸力是自身平衡力系，但用ANSYS分 析時(shí)，若不施加約束,程序會(huì)認(rèn)為節(jié)點(diǎn)不平衡導(dǎo)致計(jì)算無 法進(jìn)行。為此在剛度最大桿件的端部施加三方向約束.以 使結(jié)果反映節(jié)點(diǎn)的真實(shí)受力狀態(tài);同時(shí)為了校核約束桿的 軸向力是否與所受實(shí)際荷載相符,Z方向的約束沿桿軸：

6.2.2計(jì)算結(jié)果分析

圖1()給出了鑄鋼球管節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載作用下彈性 計(jì)算的Von Mises應(yīng)力分布圖：

 

圖9鑄鋼空心球管節(jié)點(diǎn)的軸測(cè)圖

 

圖10鑄鋼球管節(jié)點(diǎn)的Von Mises應(yīng)力分布圖

由應(yīng)力圖可知，節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布具有以下規(guī)律：

鑄鋼球管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布主要?jiǎng)澐譃閮深悈^(qū)域: 鑄鋼管與球面相交的圓環(huán)區(qū)域;遠(yuǎn)離匯交區(qū)的鑄鋼管及球 面區(qū)域一鑄鋼節(jié)點(diǎn)在管球相交區(qū)域的應(yīng)力較大，局部有應(yīng) 力集中，遠(yuǎn)離匯交區(qū)域的鋼管與球體的應(yīng)力水平較低。

焊接管(圖示直徑較小的鋼管)與球交界處由于沒 有倒角，管球連接區(qū)域處的應(yīng)力相對(duì)管端施加應(yīng)力，其值 增大明顯，即有嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象;而鑄鋼管在管球相 交處存在倒角，減緩了該處的應(yīng)力集中，改善了節(jié)點(diǎn)的應(yīng) 力分布C，

該節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)荷載作用下，最大應(yīng)力為295MPa, 雖然應(yīng)力峰值已超過材料的屈服強(qiáng)度，但屈服區(qū)域很少， 只是集中在個(gè)別點(diǎn)處，絕大部分區(qū)域的應(yīng)力都在彈性范 圍之內(nèi)。

7鑄鋼節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究

目前，我國(guó)還沒有一套成熟的有關(guān)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì) 方法，為了確保節(jié)點(diǎn)的安全，對(duì)那些受力大、構(gòu)造復(fù)雜的 鑄鋼節(jié)點(diǎn)在有限元分析的基礎(chǔ)上有必要做試驗(yàn)研究，這