鑄鋼節點的工程應用與研究

摘要隨著空間結構的發展，鑄造工藝的提高，鑄鋼節點在我國得到了日益廣泛的應用.本文介紹了鑄鋼節點的應用概況，研 究了該類型節點的特性、分類以及鑄造工藝、并時鑄鋼節點的設計提出幾點注意事項，同時還介紹了鑄鋼節點的試驗概況

關鍵詞 鑄鋼節點；鑄鋼空心球管節點；鑄鋼相貫節點；張弦桁架

 

 

隨著空間結構的發展，結構的跨度愈來愈大，形式也 相應增多。特別是近幾年來，新型結構體系不斷出現，使 結構中構件與構件之間節點的連接方式日趨復雜，傳統 的焊接球節點、鋼管相貫節點等各種節點形式已不能適 應現代鋼結構的發展。眾所周知，節點構造的好壞對結 構的傳力性能、制作安裝、工程進度及工程造價都有相當 大的影響，因此尋找受力合理、施工簡便、造價低的節點 形式已實際地擺在廣大工程技術人員面前°隨著鑄造工 藝的提高，鑄鋼節點以其合理性與實用性越來越受到工 程界的關注。在國外，特別是日本、德國等發達國家，鑄 鋼節點已得到非常普遍的采用；國內鑄鋼件的應用剛剛 興起，近幾年來，在一些大跨度結構中，對受力復雜的節 點釆用了該種節點形式并取得了很好的經濟效益目 前，我國對鑄鋼節點的研究還很缺乏，因此為了適應該種 節點的發展,對其進行理論分析與試驗研究已成為當務 之急。近期我國正準備編制有關鑄鋼節點的規范，屆時 鑄鋼節點的設計、鑄造及施工將有據可依,進一步推動了 鑄鋼節點在我國的發展。

1鑄鋼節點的特點及類型

1.1鑄鋼節點的特點

在建筑鋼結構中，節點形式很多，如焊接空心球節 點、螺栓球節點、鋼管相貫節點、焊接鋼板節點等：鑄鋼 節點相對這些節點而言，有其獨特的性能，其主要特點 為：

1） 鑄鋼節點在工廠內整體澆鑄，相對于焊接球節點 與鋼管相貫節點，可免去相貫線切割及重疊焊縫焊接引 起的應力集中；

2） 鑄鋼節點具有良好的適應性，節點設計自由度大: 可根據建筑需要生產出具有復雜外形和內腔的節點；可 按受力狀況采用最合理的截面形狀，從而改善節點的應 力分布；

3） 建筑結構中鑄鋼節點的化學成份要求比其它領 域中的鑄鋼件要高，嚴格限制C、S、P的含量，使材質具有 良好的塑性、韌性及可焊性；

4） 鑄鋼節點的應用范圍廣，不受節點位置、形狀、尺 寸的限制，既可用于結構中部節點，也可用于支座節點：

1.2鑄鋼節點的類型

建筑結構中鑄鋼節點的形狀雖然千差萬別，但根據 內部構造或節點形式可將其分類：

鑄鋼節點根據節點的內部構造可分為實心鑄鋼節 點、空心鑄鋼節點、半空心半實心鑄鋼節點三類：

1） .實心鑄鋼節點雖然承載力比較大,但由于節點在 冶煉時需要大量鋼水，不僅造成材料的浪費，而且導致工 程造價的提高。除此之外，該節點自重大，對整個結構的 受力將產生極其不利的影響。因此實心鑄鋼節點在工程 中很少被采用；

2） 半空心半實心鑄鋼節點是在實心節點的基礎上， 在某些部位設置減重孔。為了避免出現尖角，減重孔的 內表面通常為光滑的曲面，如拋物面、橢球面等；減重孔 位置應避開各桿件的匯交處，節點在桿件的匯交處是實 心的：該節點的重量與承載力均介于實心鑄鋼節點和空 心鑄鋼節點之間；

3）空心鑄鋼節點是在實心節點的基礎上，將所有桿 件掏空。該節點的承載力雖然相對較低，但可大大減少

節點重量、降低造價。在選擇鑄鋼節點的類型時，若空心 鑄鋼節點可滿足強度以及鑄造工藝的要求，應優先考慮 采用該種節點形式。

鑄鋼節點根據節點形式可分為鑄鋼空心球管節點、 鑄鋼相貫節點、鑄鋼支座節點三類匚

1）鑄鋼空心球管節點與我國普遍采用的焊接空心 球節點有很多相似之處，我們將通過對這兩種冇點的比 較,分析鑄鋼球管節點的特點。鑄鋼空心球管節點由于 鋼管根部與球整體澆鑄在一起，焊縫位于鑄鋼管上：焊 接空心球節點是先將兩個半球對焊而成空心球，然后將 鋼管進行加工后，直接焊在球上，焊縫位于管、球相交處。 為了改善節點應力分布以及保證鑄鋼件的清理，鑄鋼球 管節點在鑄鋼管與球交界處、鑄鋼管與鑄鋼管搭接處的 內外側都有圓滑過渡，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點的剖面圖。

 

圖1鑄鋼球管節點的剖面圖

 

 

 

圖2鑄鋼相貫節點的示意圖

 

2）鑄鋼相貫節點是根據節點外形將多根桿件的匯 交處在廠內澆鑄而成，內腔可以是空心，也可以是半空心 半實心?？招蔫T鋼相貫節點與鋼管相貫節點有相似之處， 但兩者之間存在根本區別c鋼管相貫節點是主管直通， 支管加工成相貫面后，直接與主管焊接：而鑄鋼相貫節 點可根據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。該節點無論是空心還是半空心半實 心，焊縫都位于鑄鋼管上,在管管相交處都存在倒角。為 了提高節點的強度與剛度，在節點內部可設置鑄鋼加勁 肋：圖2為重慶奧林匹克體育中心鑄鋼相貫節點的軸測 圖。

3）鑄鋼支座是一種特殊的節點形式.是將上部荷載 傳遞給下部結構的重要傳力構件，其設計是否合理關系 到整個結構的安全。鑄鋼支座主要應用在網架、網殼與 下部結構的結合處、張弦桁架端部、梁柱結合處等，其形 式差別較大，很難一概而論，視具體的結構要求進行設 計。

2鑄鋼節點的材料

鑄造材料按照鋼的化學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性能較差以及對 大截面構件無法通過熱處理進行強化，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度，而且大大改善了鑄 鋼的塑性、韌性及可焊性。鑄鋼件材質標準很多：如1987 年我國制定的焊接鋼結構用碳素鋼鑄件的國家標準GB/ T7659、國際標準ISO3755、日本標準JISG5102、美國標準 ASTM A216、德國標準DIN17182。通過對各國標準的比 較.我們發現德國標準（歐盟標準）中的鑄鋼件化學成份 含量與機械性能指標要求最嚴格。該標準嚴格控制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，比其它各國標準低0.05%左右；S、P含量控制在0. 020%以下，而其它各國標準均控制在0.045%以下。嚴 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，而且確保了節點的可焊性，以滿足鑄鋼件與鋼管兩種 不同材質的焊接要求。建筑用鑄鋼件在材料選取上主要 需考慮兩方面問題:滿足結構的受力性能；材料具有良好 的塑性、韌性與可焊性。目前，我國建筑用鑄鋼材質的選 取主要參照德國DIN17182標準，該標準對材質的化學成 份及機械性能要求見表1、表2所示：

3鑄鋼節點的生產工藝

鑄鋼節點的生產工藝主要包括鑄鋼件的鑄造、熱處 理、后處理三個方面。

3.1鑄鋼節點的鑄造工藝

鑄造工藝的基本過程為:制模一造型-冶煉一澆注。

模型的設計與制作是節點鑄造的關鍵步驟：在模型 制作過程中，應嚴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 穩定性較高的型砂造型工藝。同時為了增加型砂抵抗金 屬液的沖刷和侵蝕作用，防止鑄件表面產生粘砂，對鑄型 表面應涂刷合適的涂料。

目前鑄鋼件的材質通常參照德國標準，該標準對S. P的含量限制非常嚴格。為確保材質的化學成份符合設 計要求，在冶煉過程中不僅需控制煉鋼原料的質量.釆用 優質中小廢鋼，而且煉鋼熔清后，應抓緊造渣、流渣.以利 于低溫去磷；同時需加強還原期的脫S操作:

鋼水的澆注要確保進入型腔的鋼液平穩，有合適的 上升速度，不出現渦流現象。對于鑄件中厚度較薄部位， 應將鋼水澆遍，以防鋼水凝固后出現空洞，嚴重影響節點 的受力性能。

3.2鑄鋼節點的熱處理

為了提高鑄鋼件的機械性能以及消除鑄造過程中引 起的鑄造應力，對鑄鋼件應進行熱處理。鑄鋼件的熱處 理主要受溫度和時間的影響，其加熱速度取決于鋼的化 學成份、鑄件的形狀與斷面大小;保溫時間取決于鑄件的 最大壁厚及裝爐堆料情況。

3.3鑄鋼節點的后處理

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

 

4鑄鋼節點的質量控制與焊接

4.1鑄鋼節點的質量控制

質量控制是生產合格鑄件的基本保證。為確保鑄鋼 節點的質量,在節點的生產及安裝過程中主要進行以下 幾方面的檢測：

1） 化學成份的檢驗：目前，我國選用鑄鋼材質時遵循 德國標準DIN17182,制作時采用國內鋼材，因此對其化 學成份應進行嚴格檢驗，并提供相應的化學成份報告；

2） 力學性能檢驗:將澆鑄鋼件的同爐鐵水制成標準 試件，進行力學性能檢驗，提供機械性能報告；

3） 無損探傷檢測：對鑄件進行無損探傷檢測的方法 主要為磁粉探傷與射線探傷；

4） 幾何尺寸及空間位置檢測：用三維坐標儀對鑄鋼 節點的幾何尺寸及空間位置進行檢測，并根據測量結果 在鑄鋼件上標出定位線，以利于節點的安裝；

5） 對鑄鋼件的鑄造內外側倒角、表面粗糙度進行檢 測。

4.2鑄鋼節點的焊接

鑄鋼節點與鋼管的焊接為兩種不同材質的焊接，為 了確保焊接質量,不僅要嚴格控制鑄鋼材質中C、S、P的 含量，而且對焊條選擇、焊接工藝都要進行嚴格評定。焊 條主要根據鑄鋼節點與鋼管的材質性能選擇，焊條在使 用前應進行烘干處理。焊接工藝主要從試件組對、試件 校正、預留焊接收縮量、焊接定位、焊前防護、清理、預熱、 焊接、保溫、檢驗等工序進行嚴格控制：

5鑄鋼節點在國內外工程中的應用

在國外，特別是日本、歐盟等國家，鑄鋼節點在實際 工程中已得到廣泛應用。如日本名古屋體育館的單層球 面網殼，其節點形式采用了帶加勁肋的圓柱狀鑄鋼節點； 德國斯圖加特機場航站樓的樹狀結構采用了鑄鋼相貫節
點。近幾年我國在一些大跨度結構中也采用了鑄鋼節 點，下面根據收集到的實際工程資料，說明鑄鋼節點在我 國的應用。

上海新國際博覽中心的結構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 鋼節點支承在下部鋼柱上。除懸臂端外，桁架全部節點均 采用鑄鋼連接件,其中一期工程的鑄鋼節點數目達到6022 個，節點重量2166噸。鑄鋼件的材質參照德國標準，牌號 為GS20Mn5,節點類型為半空心半實心的鑄鋼相貫節點， 圖3為I：海新|耶，|柚覽中心所采用的傳鋼獄

 

圖3上海新國際博覽中心的鑄鋼節點

 

深圳文化中心展覽廳采用了典型的樹狀結構，高度 為39.6m。該結構的許多節點由多根桿件以不同角度匯 集而成，形狀復雜，因此在這些節點處釆用了鑄鋼連接件| 該工程的樹狀結構中鑄鋼節點數目67個，材質牌號 GS20Mn5,節點類型為半空心半實心的鑄鋼相貫節點，如 圖4所示c.

哈爾濱國際會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 連接節點、索與桁架桿件相交節點及兩端支座節點處均采 用了鑄鋼連接件，其中索與桁架下弦桿件相交處的鑄鋼節 點類型為鼓形的空心鑄鋼相貫節點，節點形狀如圖5所 示。該工程中鑄鋼節點的材質牌號為GS20Mn5c

廣州國際會展中心主體鋼結構屋蓋采用跨度為126m 的張弦桁架，張弦桁架端部既要穿索，又有多根鋼管同時 匯交，同時又要考慮索的張拉與錨固，因此其端部的節點 采用了鑄鋼連接件，節點材質牌號為GS20Mn5,形狀如圖 6所示：

 

圖6廣州國際會展中心鑄鋼節點

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殼結構。由于結構跨度大，在距網 殼兩著地點及中間不動餃支座斜撐附近的個別節點處， 其匯交桿件數量多、桿件截面大，采用常規節點均無法滿 足設計要求，因此結合工程實際在網殼下弦的端部采用 了鼓形鑄鋼相貫節點，與支座斜撐相連的下弦節點采用 鑄鋼空心球管節點，除此之外在網殼的支座處也采用了 鑄鋼連接件。整個工程兩片對稱的網殼中鑄鋼件的數目 為28個，節點的材質牌號為GS20Mn5o鑄鋼節點的形狀 如圖7所示。

南京奧林匹克體育中心的屋頂結構為平行鋼空腹箱 梁和環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到 1000mm,采用鋼管相貫節點無法滿足設計要求，為此三 根主管上的節點采用了鑄鋼相貫節點，除此之外馬鞍形 屋面的箱形梁與外圓周邊的環形邊梁和V形支撐的節點 采用了鑄鋼空心球管節點。

深圳游泳跳水館、蘇州體育館、鄭州會展中心、重慶 江北機場、新疆體育中心等工程在關鍵部位也都采用了 鑄鋼連接件，在此不再詳細敘述C

6鑄鋼節點的設計

6.1鑄鋼節點的設計注意事項

鑄鋼節點有多種類型，不同類型的節點有不同的設 計方法。為了使鑄鋼節點滿足各方面的需要，作者通過 對結構設計、鑄造與焊接工藝的研究，對鑄鋼節點的設計 提出了以下幾點注意事項。

1)鑄鋼節點的設計要滿足鑄造工藝的要求

在保證節點具有足夠強度的條件下，要充分考慮鑄 造工藝。設計時主要注意以下幾個方面：i)為了保證鋼 液均勻平穩地進入內腔、確保鋼水凝固速度，鑄鋼節點的 壁厚不易過薄。對空心鑄鋼管來說，其壁厚通常是與之 相連鋼管壁厚的1.5-3倍。ii)為了避免出現尖角及有 利于清砂，鑄鋼節點的各鑄件之間的內外壁都應圓滑過 渡，即設計倒角。根據倒角半徑的允許范圍，在不影響結 構功能的條件下，可適當加大倒角半徑：

2)鑄鋼節點的焊接接口形式

由于鑄鋼節點與鋼管要進行焊接，而且鑄鋼節點中 的鑄鋼管壁厚比相應鋼管的要大，若將鋼管與鑄鋼件直 接焊接，勢必在此處產生較大的焊接應力，因此在設計節 點時，應考慮節點與鋼管的焊接接口形式。鑄鋼節點與 鋼管的焊接為對接焊，在鑄鋼節點與鋼管的焊接處通常 要做焊接槽口，即在焊口部位處，鑄鋼管壁厚應平滑過渡 到與鋼管相當的壁厚，槽口尺寸根據鑄鋼管壁厚與相連 鋼管壁厚確定。圖8為鑄鋼節點中常用的焊接接口形 式：

 

 

鑄鋼節點的受力分析

隨著計算機技術的快速發展，鑄鋼節點的計算方法 主要采用有限元法，利用大型通用有限元程序ANSYS、 NASTRAN、COSMOS等進行受力分析：在進行有限元 分析時，由于鑄鋼節點的壁相對較厚，單元類型通常選實 體單元，根據鑄鋼材質的屈服強度進行彈性或塑性分析。 對那些受力較大、構造復雜的鑄鋼節點有必要進行足尺 試件或縮尺模型的試驗研究。由于鑄鋼具有較好的塑 性，鑄鋼節點的強度準則釆用Von Mises屈服準則，即當 計算點的Mises應力超過材料強度,認為該點進入塑性。

 

 

6.2重慶奧林匹克體育中心鑄鋼空心球管節點 的設計與計算結果分析

6.2.1鑄鋼空心球管節點的設計

重慶奧林匹克體育中心工程中的兩片網殼共采用了 16個鑄鋼球管節點,節點形式為4種.各節點的設計與分 析方法都是相同的。本文以受力最大的鑄鋼球管節點為 例，說明其設計與有限元分析方法一節點的幾何形狀如圖 9所示。由圖9可知，該節點匯交1()根桿件，桿件數量多、 直徑大，其中最大桿的直徑為720mm,若采用焊接球節點， 不僅使球徑超過Im,而且由于2、4、6、7、8、9、10號桿的多 向交匯，導致相貫線錯綜復雜，大大增加了加工的困難以 及焊接工作量，因此將上述幾號桿與球整體澆鑄在一起， 形成鑄鋼節點。鑄鋼節點的材質參照德國DIN17182標準 中的GS20Mn5，其機械性能指標為：屈服強度230MPa，極 限強度450MPa、延伸率22%、D級沖擊功37J該鑄鋼球 管節點的球徑D取為900mm,球壁厚t為70mm,綜合考 慮安全、經濟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度結合由滿足施焊構造要求 所需的最小長度并考慮鑄造尺寸的統一，取為650mm-鑄 鋼節點在鑄鋼管與球相交處的內外側以及鑄鋼管與鑄鋼 管搭接處的倒角半徑都取為5()mn\對于1、3號桿因鋼 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點 上：該節點的球體直徑較大，在球內設置十字形加勁肋以 提高節點強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對節點進行有限元分析：對于3根焊 接桿件為了避免或消除邊緣效應對節點力學性能的影響， 分析時將焊接鋼管的根部與鑄鋼節點作為整體參與計算， 焊接鋼管材質為Q345鋼。由于節點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的前處理器無法對體進行倒角，因此為了 使計算結果符合節點的真實受力狀態,我們用AutoCAD建 立節點的實體模型，然后將其存為SAI'文件，直接輸人到 ANSYS中。節點建模采用十節點的四面體單元.單元類型 為SOLID187,網格劃分控制單元邊長，采用自由網格劃 分，劃分精度為6。節點荷載主要根據結構整體計算的各 種工況，從中選取最不利工況下的桿件內力而得到，荷載 的施加是將軸向集中力轉換成面荷載加在鑄鋼管及焊接 管的端部。鑄鋼球管節點是網殼結構中的非支座節點，雖 然節點匯交各桿的軸力是自身平衡力系，但用ANSYS分 析時，若不施加約束,程序會認為節點不平衡導致計算無 法進行。為此在剛度最大桿件的端部施加三方向約束.以 使結果反映節點的真實受力狀態;同時為了校核約束桿的 軸向力是否與所受實際荷載相符,Z方向的約束沿桿軸：

6.2.2計算結果分析

圖1()給出了鑄鋼球管節點在設計荷載作用下彈性 計算的Von Mises應力分布圖：

 

圖9鑄鋼空心球管節點的軸測圖

 

圖10鑄鋼球管節點的Von Mises應力分布圖

由應力圖可知，節點的應力分布具有以下規律：

鑄鋼球管節點的應力分布主要劃分為兩類區域: 鑄鋼管與球面相交的圓環區域;遠離匯交區的鑄鋼管及球 面區域一鑄鋼節點在管球相交區域的應力較大，局部有應 力集中，遠離匯交區域的鋼管與球體的應力水平較低。

焊接管(圖示直徑較小的鋼管)與球交界處由于沒 有倒角，管球連接區域處的應力相對管端施加應力，其值 增大明顯，即有嚴重的應力集中現象;而鑄鋼管在管球相 交處存在倒角，減緩了該處的應力集中，改善了節點的應 力分布C，

該節點在設計荷載作用下，最大應力為295MPa, 雖然應力峰值已超過材料的屈服強度，但屈服區域很少， 只是集中在個別點處，絕大部分區域的應力都在彈性范 圍之內。

7鑄鋼節點的試驗研究

目前，我國還沒有一套成熟的有關鑄鋼節點的設計 方法，為了確保節點的安全，對那些受力大、構造復雜的 鑄鋼節點在有限元分析的基礎上有必要做試驗研究，這