鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協(xié)會
建筑鋼結構分會主辦
中國建筑金屬結構協(xié)會
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摘要：鑄鋼節(jié)點已在大跨度空間結構中得到了廣泛應用。本文結合鄂爾多斯機場航站樓工程，提出帶肋鑄鋼球節(jié)點的構造和設計方法；運用非線性有限元分析方法，分析帶肋鑄鋼球節(jié)點在復雜受力狀態(tài)下的承載力和變形能力，確定帶肋鑄鋼球節(jié)點的受力性能；并詳細闡述了鑄鋼球節(jié)點的的制造工藝和技術標準。
關鍵詞：鑄鋼節(jié)點 帶肋鑄鋼球節(jié)點 非線性有限元分析 設計方法 制造工藝及技術標準
1 鑄鋼節(jié)點概述
1.1 鑄鋼節(jié)點的特點
鑄鋼節(jié)點是近幾年來隨著大跨桁架結構體系發(fā)展起來的新型結構節(jié)點形式 ，鑄鋼節(jié)點受力明確 、直接、承載力大 ，減少了節(jié)點板、節(jié)點球 的次應力對結構內力的影響，因其特有的性能 ，已經(jīng)廣泛應用于大跨度空間桁架鋼結構中的重要節(jié)點。鑄鋼節(jié)點相對焊接空心球節(jié)點、螺栓球節(jié)點、鋼管相貫節(jié)點、焊接鋼板節(jié)點等在建筑鋼結構中常用的節(jié)點而言，有其獨特的性能，其主要特點為：
（1）鑄鋼節(jié)點在廠內整體澆鑄，工序的最后還要進行正火和調質處理，相對焊接球節(jié)點與鋼管相貫節(jié)點而言，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(jié)點造型設計自由度大，可根據(jù)受力狀況和澆鑄工藝合理調節(jié)壁厚和倒角，避免因相貫夾角過小造成的連接困難和應力集中。
（3）由于鑄鋼節(jié)點壁厚比焊接節(jié)點大并且可以在相貫線處導角，所以鑄鋼節(jié)點承載力大，也可以因此減小其外部尺寸。
（4）鑄鋼節(jié)點的應用范圍廣，不受節(jié)點位置、形狀、尺寸的限制，既可用于結構中部節(jié)點，也可用于支座節(jié)點。
1.2 鑄鋼節(jié)點的分類
通過對實際工程中采用的鑄鋼節(jié)點的研究，我們可以發(fā)現(xiàn)，建筑結構中鑄鋼節(jié)點的形狀雖然千差萬別，但根據(jù)內部構造或節(jié)點形式可將其進行分類。鑄鋼節(jié)點根據(jù)節(jié)點形式可分為鑄鋼空心球管節(jié)點、鑄鋼相貫節(jié)點、鑄鋼支座節(jié)點三類。
（1）鑄鋼空心球管節(jié)點在我國普遍采用的焊接空心球節(jié)點有很多相似之處，焊接空心球節(jié)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，鑄鋼空心球管節(jié)點由于鋼管根部與球整體澆鑄在一起，焊縫位于鑄鋼管上。為了改善節(jié)點應力分布以及保證鑄鋼件的清理，鑄鋼球管節(jié)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。
（2）鑄鋼相貫節(jié)點是根據(jù)節(jié)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。空心鑄鋼相貫節(jié)點與鋼管相貫節(jié)點有相似之處，但兩者之間存在根本區(qū)別。鋼管相貫節(jié)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(jié)點可根據(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(jié)點的強度與剛度，在節(jié)點內部可設置鑄鋼加勁肋。
（3）鑄鋼支座是一種特殊的節(jié)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(wǎng)架、網(wǎng)殼與下部結構的結合處、張弦桁架端部、梁柱結合處等。
2 鑄鋼節(jié)點選形與設計
2.1 工程概況
鄂爾多斯機場新建航站樓整體建筑造型酷似一只展翅的雄鷹（圖1），全部采用大跨度鋼結構屋蓋，總建筑面積約為10萬?。出港、到港大廳為直徑108米的大型穹頂，由中心球殼、內環(huán)桁架、24榀主桁架以及主桁架之間扇形區(qū)域網(wǎng)殼、外環(huán)桁架組成。穹頂主桁架通過Y型鋼支撐與混凝土柱相連接，主桁架與Y型鋼支撐直接通過鑄鋼球節(jié)點進行連接。登機長廊兩翼翼展為490米，為空間大跨度網(wǎng)架結構，網(wǎng)架支座采用鑄鋼支座節(jié)點。
圖1 鄂爾多斯機場航站樓鋼結構屋蓋示意圖
限于篇幅 ，本文選取穹頂主桁架與Y型鋼支撐連接的鑄鋼球節(jié)點進行分析 ，節(jié)點位置見圖2。
圖2 鄂爾多斯機場航站樓主桁架鑄鋼節(jié)點
2．2 鑄鋼節(jié)點選型與尺寸初步設計
該項目穹頂主桁架與Y型鋼支撐連接節(jié)點1共匯交8根桿件，節(jié)點2共匯交9根桿件，Y型鋼支撐為矩形截面，其他桿件為圓管截面，選擇帶肋空心球鑄鋼相貫節(jié)點比較適宜，節(jié)點模型如圖3。
圖3 鄂爾多斯機場航站樓 鑄鋼相貫節(jié)點模型圖
鑄鋼節(jié)點的尺寸設計要考慮以下幾個方面：
(1)滿足承載力要求。根據(jù)鑄鋼的力學性能指標以及桿件的截面尺寸可以初步計算出各桿件的壁厚。
(2)滿足鑄造工藝的要求。為了保證鋼液均勻平穩(wěn)地進入內腔、鋼水凝固速度不能太快，鑄鋼節(jié)點的壁厚不宜過薄。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。為了避免出現(xiàn)尖角及有利于清砂，鑄鋼節(jié)點的各鑄件之間的內外壁都應圓滑過渡，即設計倒角。從受力來看，倒角可以減小應力集中的和度，同時還能提高節(jié)點的剛度。
(3)滿足焊接工藝要求。鑄鋼節(jié)點中的鑄鋼管壁厚比相應鋼管的要大，厚壁鑄鋼管口通常要預留焊接槽口，這樣與薄壁鋼管焊接時，就可以避免產(chǎn)生較大的焊接應力。焊接槽口的具體尺寸根據(jù)鑄鋼管壁厚與相連鋼管壁厚確定。
(4)滿足構造要求。即通過三維空間建模輔助設計，保證桿件安裝時有足夠的空間以方便焊接操作。
綜合以上因素，經(jīng)過尺寸設計的鑄鋼節(jié)點1、鑄鋼節(jié)點2尺寸取值見下表。
表2-1 鑄鋼節(jié)點1尺寸
表2-2 鑄鋼節(jié)點2尺寸
2．3鑄鋼節(jié)點材料
目前鑄造材料主要采用低合金鋼，其主要的合金元素為錳Mn、硅Si、鉻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。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(jié)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標準，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S、P的含量，C的含量控制在0.15%-0.2%范圍內， S、P含量控制在0.025%以下。
穹頂主桁架與Y型鋼支撐連接的球節(jié)點鑄鋼件材料選用德國標準 DIN EN10293、DIN EN10213-1:1996、DIN EN10213-3:1996中的Gs20Mn5(調質)，其化學成分和機械性能如下：
表2-1 Gs20Mn5化學成分（%）表
表2-2 Gs20Mn5力學性能表
3節(jié)點有限元分析
3．1計算軟件及設計標準
對節(jié)點的有限元分析采用的是ANSYS程序單元庫中的三維實體單元SOLID95。每個SOLID95單元有20個節(jié)點，每個節(jié)點有3個自由度，單元位移模式為二階。該單元能考慮結構的大變形、大應變以及應力剛化的影響。在有限元分析時采用的材料性能參數(shù)，彈性模量E=2.06 ×105N/mm2 ，泊松比υ=0.3。
網(wǎng)格劃分時只要采用的是ANSYS程序的單元劃分器中的自由網(wǎng)格劃分技術，自由網(wǎng)格劃分技術會根據(jù)計算模型的實際外形情況自動地決定網(wǎng)格劃分的疏密（圖4）。
圖4-1 鄂爾多斯機場航站樓節(jié)點1模型（網(wǎng)格劃分）
圖4-2 鄂爾多斯機場航站樓節(jié)點2模型（網(wǎng)格劃分）
節(jié)點分析時的邊界約束的模擬主要根據(jù)節(jié)點在整個結構的傳力順序以及節(jié)點桿支的剛度，具體而言就是以主要受力構件及即節(jié)點中傳力最接近支承柱的桿支作為約束端，該約束桿件即為節(jié)點中貫通的主受力構件，考慮到整體節(jié)點的平衡，約束端采用面約束的形式，約束該管端各節(jié)點的三向位移及轉角變形。
分析荷載采用從SAP2000計算模型中導出的桿件內力，考慮取支柱端壓彎應力最大和樹形柱壓彎應力最大的工況，選取較不利的一種進行分析。
3．2 鑄鋼節(jié)點1有限元分析
外環(huán)鑄鋼件共計24個，選取其中桿件受力較大的荷載組合進行計算分析。
（1）荷載選取
表3-1 節(jié)點1荷載數(shù)據(jù)
（2） 計算分析
圖5-1 鄂爾多斯機場航站樓荷載加載示意圖
圖5-2 鄂爾多斯機場航站樓節(jié)點變形圖
圖5-3 鄂爾多斯機場航站樓 Von－Mises應力云圖
該鑄鋼節(jié)點最大位移為0.88mm，最大應力為129.665 <240 。從鑄鋼節(jié)點的主應力云圖以及等效應力云圖可以看出，最大應力遠小于鑄鋼件的屈服應力，鑄鋼節(jié)點應力分布均勻，強度和剛度能夠滿足設計要求。
3．3鑄鋼節(jié)點2有限元分析
（1） 荷載選取
表3-2 節(jié)點2荷載數(shù)據(jù)
（2） 計算分析
圖6-1 鄂爾多斯機場航站樓 荷載加載示意圖
圖6-2 鄂爾多斯機場航站樓節(jié)點變形圖
圖6-3 鄂爾多斯機場航站樓Von－Mises應力云圖
該鑄鋼件節(jié)點最大位移為3.923mm，節(jié)點大部分應力均小于200N/?2，局部區(qū)域出現(xiàn)應力集中，應力云圖符合客觀規(guī)律，鑄鋼節(jié)點應力分布均勻，強度和剛度能夠滿足設計要求。
4 鑄鋼節(jié)點的生產(chǎn)工藝
鑄鋼節(jié)點的生產(chǎn)工藝主要包括鑄鋼件的鑄造、熱處理、后處理三個方面。
4．1鑄鋼節(jié)點的鑄造工藝
鑄造工藝的基本過程為制模→造型→冶煉→澆注。
模型的設計與制作是節(jié)點鑄造的關鍵步驟。在模型的制作過程中，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(wěn)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(chǎn)生粘砂，對鑄型表面應涂刷合適的涂料。
目前鑄鋼件的材質牌號通常參照德國標準，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，采用優(yōu)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(wěn)，有合適的上升速度，不出現(xiàn)渦流現(xiàn)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(xiàn)空洞，嚴重影響節(jié)點的受力性能。
4．2鑄鋼節(jié)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。
4. 3鑄鋼節(jié)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→打磨→拋丸→防銹處理等。
5 鑄鋼節(jié)點的質量控制與焊接
5. 1鑄鋼節(jié)點的質量控制
質量控制是生產(chǎn)合格鑄件的基本保證。為確保鑄鋼節(jié)點的質量，在節(jié)點的生產(chǎn)及安裝過程中主要進行以下幾方面的檢測。
(1)目前，我國選用鑄鋼材質時所遵循的標準為德國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)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)對鑄件進行無損探傷檢測，方法主要為磁粉探傷與射線探傷。
(4)用二維坐標儀對鑄鋼節(jié)點的幾何尺寸及空間位置進行檢測，并根據(jù)測量結果在鑄鋼件上標出定位線，以利十節(jié)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。
5．2鑄鋼節(jié)點的焊接
鑄鋼節(jié)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(jù)鑄鋼節(jié)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。
6 、結語
鑄鋼節(jié)點的諸多優(yōu)勢已為國內外的大量工程實踐所證實。該節(jié)點由于在廠內整體澆鑄，不僅可根據(jù)建筑與結構的需求鑄造出各種復雜的外形，而且可免去相貫線切割及重疊焊縫焊接引起的應力集中，因此節(jié)點在不同結構形式、不同跨度的空間結構中得到了前所未有的發(fā)展。
本文結合鄂爾多斯機場航站樓工程，提出帶肋鑄鋼球節(jié)點的構造和設計方法；運用非線性有限元分析方法，分析帶肋鑄鋼球節(jié)點在復雜受力狀態(tài)下的承載力和變形能力，確定帶肋鑄鋼球節(jié)點的受力性能；并詳細闡述了鑄鋼球節(jié)點的的制造工藝和技術標準。
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作者簡介：張玉蘭，1964.10河北建設集團有限公司建筑設計院，高級工程師，現(xiàn)在天津大學結構工程專業(yè)攻讀博士。
聯(lián)系地址：河北省保定市向陽南大街859號中誠商務中心四樓建筑設計院（071051）。
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