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摘要：鑄鋼節(jié)點(diǎn)已在大跨度空間結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)航站樓工程，提出帶肋鑄鋼球節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造和設(shè)計(jì)方法；運(yùn)用非線性有限元分析方法，分析帶肋鑄鋼球節(jié)點(diǎn)在復(fù)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(diǎn)的受力性能；并詳細(xì)闡述了鑄鋼球節(jié)點(diǎn)的的制造工藝和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞：鑄鋼節(jié)點(diǎn)  帶肋鑄鋼球節(jié)點(diǎn)   非線性有限元分析  設(shè)計(jì)方法 制造工藝及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
      1 鑄鋼節(jié)點(diǎn)概述
      1.1 鑄鋼節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)
      鑄鋼節(jié)點(diǎn)是近幾年來(lái)隨著大跨桁架結(jié)構(gòu)體系發(fā)展起來(lái)的新型結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)形式 ，鑄鋼節(jié)點(diǎn)受力明確 、直接、承載力大 ，減少了節(jié)點(diǎn)板、節(jié)點(diǎn)球 的次應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，因其特有的性能 ，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大跨度空間桁架鋼結(jié)構(gòu)中的重要節(jié)點(diǎn)。鑄鋼節(jié)點(diǎn)相對(duì)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)等在建筑鋼結(jié)構(gòu)中常用的節(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)在廠內(nèi)整體澆鑄，工序的最后還要進(jìn)行正火和調(diào)質(zhì)處理，相對(duì)焊接球節(jié)點(diǎn)與鋼管相貫節(jié)點(diǎn)而言，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)造型設(shè)計(jì)自由度大，可根據(jù)受力狀況和澆鑄工藝合理調(diào)節(jié)壁厚和倒角，避免因相貫夾角過(guò)小造成的連接困難和應(yīng)力集中。
      （3）由于鑄鋼節(jié)點(diǎn)壁厚比焊接節(jié)點(diǎn)大并且可以在相貫線處導(dǎo)角，所以鑄鋼節(jié)點(diǎn)承載力大，也可以因此減小其外部尺寸。
      （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)的分類(lèi)
      通過(guò)對(duì)實(shí)際工程中采用的鑄鋼節(jié)點(diǎn)的研究，我們可以發(fā)現(xiàn)，建筑結(jié)構(gòu)中鑄鋼節(jié)點(diǎn)的形狀雖然千差萬(wàn)別，但根據(jù)內(nèi)部構(gòu)造或節(jié)點(diǎn)形式可將其進(jìn)行分類(lèi)。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(lèi)。
      （1）鑄鋼空心球管節(jié)點(diǎn)在我國(guó)普遍采用的焊接空心球節(jié)點(diǎn)有很多相似之處，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摴苓M(jìn)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(diǎn)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(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(guò)渡，即存在倒角。
      （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。空心鑄鋼相貫節(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。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(wú)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。
      （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。
      2 鑄鋼節(jié)點(diǎn)選形與設(shè)計(jì)
      2.1 工程概況
      鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)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(jié)構(gòu)屋蓋，總建筑面積約為10萬(wàn)?。出港、到港大廳為直徑108米的大型穹頂，由中心球殼、內(nèi)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(guò)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(guò)鑄鋼球節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。登機(jī)長(zhǎng)廊兩翼翼展為490米，為空間大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架支座采用鑄鋼支座節(jié)點(diǎn)。
 

圖1  鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)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(diǎn)進(jìn)行分析 ，節(jié)點(diǎn)位置見(jiàn)圖2。
 

圖2  鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)航站樓主桁架鑄鋼節(jié)點(diǎn)

      2．2 鑄鋼節(jié)點(diǎn)選型與尺寸初步設(shè)計(jì)
      該項(xiàng)目穹頂主桁架與Y型鋼支撐連接節(jié)點(diǎn)1共匯交8根桿件，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)比較適宜，節(jié)點(diǎn)模型如圖3。
 

  
圖3  鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)航站樓 鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)模型圖
 

鑄鋼節(jié)點(diǎn)的尺寸設(shè)計(jì)要考慮以下幾個(gè)方面：
      (1)滿足承載力要求。根據(jù)鑄鋼的力學(xué)性能指標(biāo)以及桿件的截面尺寸可以初步計(jì)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(jìn)入內(nèi)腔、鋼水凝固速度不能太快，鑄鋼節(jié)點(diǎn)的壁厚不宜過(guò)薄。對(duì)空心鑄鋼管來(lái)說(shuō)，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(diǎn)的各鑄件之間的內(nèi)外壁都應(yīng)圓滑過(guò)渡，即設(shè)計(jì)倒角。從受力來(lái)看，倒角可以減小應(yīng)力集中的和度，同時(shí)還能提高節(jié)點(diǎn)的剛度。
      (3)滿足焊接工藝要求。鑄鋼節(jié)點(diǎn)中的鑄鋼管壁厚比相應(yīng)鋼管的要大，厚壁鑄鋼管口通常要預(yù)留焊接槽口，這樣與薄壁鋼管焊接時(shí)，就可以避免產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)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(gòu)造要求。即通過(guò)三維空間建模輔助設(shè)計(jì)，保證桿件安裝時(shí)有足夠的空間以方便焊接操作。
綜合以上因素，經(jīng)過(guò)尺寸設(shè)計(jì)的鑄鋼節(jié)點(diǎn)1、鑄鋼節(jié)點(diǎn)2尺寸取值見(jiàn)下表。

表2-1         鑄鋼節(jié)點(diǎn)1尺寸



表2-2         鑄鋼節(jié)點(diǎn)2尺寸

      2．3鑄鋼節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度，而且大大改善了鑄鋼的塑性、韌性及可焊性。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(wèn)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)標(biāo)準(zhǔn)，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S、P的含量，C的含量控制在0.15%-0.2%范圍內(nèi)， 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(diǎn)鑄鋼件材料選用德國(guó)標(biāo)準(zhǔn) DIN EN10293、DIN EN10213-1:1996、DIN EN10213-3:1996中的Gs20Mn5(調(diào)質(zhì))，其化學(xué)成分和機(jī)械性能如下：
 

表2-1         Gs20Mn5化學(xué)成分（%）表



表2-2         Gs20Mn5力學(xué)性能表


 

3節(jié)點(diǎn)有限元分析
      3．1計(jì)算軟件及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
      對(duì)節(jié)點(diǎn)的有限元分析采用的是ANSYS程序單元庫(kù)中的三維實(shí)體單元SOLID95。每個(gè)SOLID95單元有20個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，單元位移模式為二階。該單元能考慮結(jié)構(gòu)的大變形、大應(yīng)變以及應(yīng)力剛化的影響。在有限元分析時(shí)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(shí)只要采用的是ANSYS程序的單元?jiǎng)澐制髦械淖杂删W(wǎng)格劃分技術(shù)，自由網(wǎng)格劃分技術(shù)會(huì)根據(jù)計(jì)算模型的實(shí)際外形情況自動(dòng)地決定網(wǎng)格劃分的疏密（圖4）。
 

圖4-1  鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)航站樓節(jié)點(diǎn)1模型（網(wǎng)格劃分）

 
圖4-2  鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)航站樓節(jié)點(diǎn)2模型（網(wǎng)格劃分）
 

節(jié)點(diǎn)分析時(shí)的邊界約束的模擬主要根據(jù)節(jié)點(diǎn)在整個(gè)結(jié)構(gòu)的傳力順序以及節(jié)點(diǎn)桿支的剛度，具體而言就是以主要受力構(gòu)件及即節(jié)點(diǎn)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(diǎn)中貫通的主受力構(gòu)件，考慮到整體節(jié)點(diǎn)的平衡，約束端采用面約束的形式，約束該管端各節(jié)點(diǎn)的三向位移及轉(zhuǎn)角變形。
      分析荷載采用從SAP2000計(jì)算模型中導(dǎo)出的桿件內(nèi)力，考慮取支柱端壓彎應(yīng)力最大和樹(shù)形柱壓彎應(yīng)力最大的工況，選取較不利的一種進(jìn)行分析。
      3．2 鑄鋼節(jié)點(diǎn)1有限元分析
      外環(huán)鑄鋼件共計(jì)24個(gè)，選取其中桿件受力較大的荷載組合進(jìn)行計(jì)算分析。
        （1）荷載選取
 

表3-1   節(jié)點(diǎn)1荷載數(shù)據(jù)

（2）  計(jì)算分析

 
圖5-1     鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)航站樓荷載加載示意圖

 
圖5-2    鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)航站樓節(jié)點(diǎn)變形圖
 

圖5-3   鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)航站樓 Von－Mises應(yīng)力云圖
 

該鑄鋼節(jié)點(diǎn)最大位移為0.88mm，最大應(yīng)力為129.665 <240 。從鑄鋼節(jié)點(diǎn)的主應(yīng)力云圖以及等效應(yīng)力云圖可以看出，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于鑄鋼件的屈服應(yīng)力，鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布均勻，強(qiáng)度和剛度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
      3．3鑄鋼節(jié)點(diǎn)2有限元分析
      （1）  荷載選取
 

表3-2   節(jié)點(diǎn)2荷載數(shù)據(jù)

（2） 計(jì)算分析
 

圖6-1  鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)航站樓 荷載加載示意圖
 

圖6-2   鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)航站樓節(jié)點(diǎn)變形圖
 

圖6-3   鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)航站樓Von－Mises應(yīng)力云圖

      該鑄鋼件節(jié)點(diǎn)最大位移為3.923mm，節(jié)點(diǎn)大部分應(yīng)力均小于200N/?2，局部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力云圖符合客觀規(guī)律，鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布均勻，強(qiáng)度和剛度能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
      4  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。
      4．1鑄鋼節(jié)點(diǎn)的鑄造工藝
      鑄造工藝的基本過(guò)程為制模→造型→冶煉→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。在模型的制作過(guò)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)牌號(hào)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(guò)程中不僅需控制煉鋼原料的質(zhì)量，采用優(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。
      4．2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(guò)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。
      4. 3鑄鋼節(jié)點(diǎn)的后處理
      鑄鋼件的后處理過(guò)程主要包括：清砂→切割澆冒口→補(bǔ)焊→打磨→拋丸→防銹處理等。
      5 鑄鋼節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量控制與焊接
      5. 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(guò)程中主要進(jìn)行以下幾方面的檢測(cè)。
      (1)目前，我國(guó)選用鑄鋼材質(zhì)時(shí)所遵循的標(biāo)準(zhǔn)為德國(guó)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)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)對(duì)鑄件進(jìn)行無(wú)損探傷檢測(cè)，方法主要為磁粉探傷與射線探傷。
      (4)用二維坐標(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，以利十節(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)。
      5．2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。
      6 、結(jié)語(yǔ)
       鑄鋼節(jié)點(diǎn)的諸多優(yōu)勢(shì)已為國(guó)內(nèi)外的大量工程實(shí)踐所證實(shí)。該節(jié)點(diǎn)由于在廠內(nèi)整體澆鑄，不僅可根據(jù)建筑與結(jié)構(gòu)的需求鑄造出各種復(fù)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(yīng)力集中，因此節(jié)點(diǎn)在不同結(jié)構(gòu)形式、不同跨度的空間結(jié)構(gòu)中得到了前所未有的發(fā)展。
      本文結(jié)合鄂爾多斯機(jī)場(chǎng)航站樓工程，提出帶肋鑄鋼球節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造和設(shè)計(jì)方法；運(yùn)用非線性有限元分析方法，分析帶肋鑄鋼球節(jié)點(diǎn)在復(fù)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(diǎn)的受力性能；并詳細(xì)闡述了鑄鋼球節(jié)點(diǎn)的的制造工藝和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
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      ［2］林彥 劉錫良.鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)以及在工程中的應(yīng)用［Ｊ］.工業(yè)建筑，2005，35(11) 
      ［3］劉錫良 林彥.鑄鋼節(jié)點(diǎn)的工程應(yīng)用與研究［Ｊ］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2004，6(1) 
      ［4］卞若寧，陳以一等．空間結(jié)構(gòu)大型鑄鋼節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究．建筑結(jié)構(gòu)，2002，32（12）
      ［5］陳瑞麟．多角度鋼結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的研制．鋼結(jié)構(gòu)，2003（4），Vol.18，No.66
      ［6］GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003年
      作者簡(jiǎn)介：張玉蘭，1964.10河北建設(shè)集團(tuán)有限公司建筑設(shè)計(jì)院，高級(jí)工程師，現(xiàn)在天津大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專(zhuān)業(yè)攻讀博士。
      聯(lián)系地址：河北省保定市向陽(yáng)南大街859號(hào)中誠(chéng)商務(wù)中心四樓建筑設(shè)計(jì)院（071051）。