鑄鋼節(jié)點的研究及在大跨度空間結構中的應用

鑄鋼節(jié)點以其眾多的優(yōu)異性能，已在國內外各類結構工程中得到廣泛的應用。在總結鑄鋼節(jié)點的特點、 質量控制和焊接技術、設計原則以及有限元及試驗研究的基礎上，對鑄鋼節(jié)點有待進一步解決的問題提出幾點建 議，以供研究人員參考，并為今后大型現(xiàn)代化場館選用鑄鋼節(jié)點提供借鑒。

鑄鋼節(jié)點在現(xiàn)代大跨鋼管結構中表現(xiàn)出造型 美觀、可塑性強、受力安全合理等優(yōu)點，正在逐漸被 工程設計人員應用于工程實際之中。但是，與工程 應用相比，對鑄鋼節(jié)點的力學性能和承載力研究還 較少。文獻口］進行了廣州會展中心張弦梁端 部大型鑄鋼節(jié)點足尺試驗,結合有限元分析認為，節(jié) 點在設計荷載作用下是安全的。在實際工程設計 中，大型鑄鋼節(jié)點的承載安全性需通過足尺試驗和 有限元分析來判斷。由于目前鑄鋼件的制作質量還 有待提高,某些技術指標有時難以滿足，甚至空心鑄 鋼球和鑄管的壁厚與設計值相比有時相差甚遠，在 上海新博覽中心、蘇州體育場、深圳游泳跳水館 工程就出現(xiàn)過因鑄鋼件質量問題而返爐重新澆鑄的 現(xiàn)象。從我國近幾年鑄鋼節(jié)點在大型結構體系中 應用來看，目前國內還沒有一套成熟的鑄鋼節(jié)點設 計方法和產(chǎn)品標準。本文從鑄鋼節(jié)點的特點、類型 與應用、有限元及試驗研究概況、設計、質量控制和 焊接等方面進行系統(tǒng)的分析，不僅為該種節(jié)點在工 程中的推廣應用提供指導，而且為今后規(guī)范的編制 提供參考。

題。

1鑄鋼節(jié)點的特點、類型及工程應用

1.1鑄鋼節(jié)點的特點

鑄鋼節(jié)點相對鋼結構建筑中的其他節(jié)點，有其 *的性能，其主要特點為：

1） 鑄鋼節(jié)點在廠內整體澆鑄，相對焊接球節(jié)點 與鋼管相貫節(jié)點，可免去相貫線切割及重疊焊縫焊 接引起的應力集中「3】。

2） 在局部高應力區(qū)釆用圓形倒角和過渡圓滑的 截面，使節(jié)點的應力分布更為合理。

3） 管壁比普通鋼管或鋼板厚，因此鑄鋼節(jié)點剛 度大、承載力高、抗變形能力強。

4） 建筑結構用鑄鋼的化學成分要求嚴格限制 C、S、P的含量，使得鑄鋼材料具有良好的延性和可 焊性「旳。

5） 鑄鋼節(jié)點具有良好的適應性，節(jié)點設計自由 度大，可根據(jù)建筑需要生產(chǎn)出具有復雜外形和內腔 的節(jié)點；可按受力狀況釆用的截面形狀，從而 改善節(jié)點的應力分布⑶。

6） 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⑵。

1.2鑄鋼節(jié)點的類型及應用

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)點形式可將其分類。

根據(jù)節(jié)點的內部構造可分為實心鑄鋼節(jié)點、半 空心半實心鑄鋼節(jié)點、空心鑄鋼節(jié)點三類⑶:

1） 實心鑄鋼節(jié)點。該節(jié)點承載力大，但需要大 量的鑄鋼材料，導致節(jié)點的自重過大,對結構整體受 力產(chǎn)生不利影響的同時也提高了工程造價。因此， 在工程中使用較少。

2） 半空心半實心鑄鋼節(jié)點。該節(jié)點在實心鑄鋼 節(jié)點的基礎上對某些部位設置減重孔。為了避免尖 角，孔的內表面通常為光滑曲面，如拋物面、橢球面 等。另外，減重孔應避開桿件的匯交處。工程采用了這種節(jié)點。

3）空心鑄鋼節(jié)點。該節(jié)點是在實心鑄鋼節(jié)點 的基礎上將節(jié)點和桿件掏空，大大減小節(jié)點自重、降 低造價，在工程中使用較多。

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。該節(jié)點把鋼管根部與球 整體澆鑄在一起，將焊縫設置在鑄鋼管上，從而提供 了更多的施焊空間。如重慶奧林匹克體育中心工 程⑶（圖3）采用了這種節(jié)點。

2）鑄鋼相貫節(jié)點。該節(jié)點適合于多根桿件匯 交的空間結構，除了具有較高的承載能力外還具有美觀的外形。如哈爾濱會展中心西采用 了這種節(jié)點。

3）鑄鋼支座節(jié)點。該節(jié)點主要應用在網(wǎng)架、網(wǎng) 殼和管桁架結構與下部結構的連接處：如張弦桁架 端部與梁柱結合處等結構中受力較大的部位。如廣州會展中心街采用了這種節(jié)點。常見的 有單弧支座板節(jié)點、雙弧支座板節(jié)點、球餃支座節(jié)點 三類。

2鑄鋼節(jié)點的試驗研究

在實際荷載作用下，鑄鋼節(jié)點應力狀況十分復 雜，直接制約到它的推廣及應用。目前，國內只是對 大型的、形狀復雜的鑄鋼節(jié)點進行設計、制作及相關 的試驗研究，從而積累經(jīng)驗。

同濟大學建筑工程系⑹對廣州會展中心張 弦梁端部鑄鋼節(jié)點進行的足尺模型靜力試驗得到了 鑄鋼節(jié)點表面的應力測試值，然后利用有限元軟件 進行建模和分析，得到測點位置的應力'分析值。在 試驗值與有限元分析值一致的情況下，以有限元分 析的結果推斷出了整個鑄鋼節(jié)點的內部應力狀況， 對節(jié)點的安全承載作出判斷，并給出了設計強度的 建議值和強度判別式。該試驗分析研究為今后的鑄 鋼節(jié)點模型試驗和理論分析提供了技術路線方面的 探討和借鑒。

西南交通大學土木工程學院李俊、衛(wèi)星、李小 珍㈤對重慶奧林匹克體育中心體育場鋼網(wǎng)殼結構鑄 鋼節(jié)點進行足尺試驗。根據(jù)有限元分析結果，布置 了應變測點，得到測點應力值。結合試驗和有限元 計算，分析了節(jié)點的應力分布規(guī)律，按照Von Mises 屈服強度準則評估了節(jié)點的承載安全性。

西南交通大學土木工程學院任偉平、衛(wèi)星停】通 過對重慶奧林匹克中心體育場鋼網(wǎng)殼罩棚大型鑄鋼 節(jié)點足尺模型整體受力試驗，得到鑄鋼節(jié)點及匯交 桿件的應力大小測試值；通過理論分析及空間仿真 計算，得到測點位置的應力分析值。將試驗結果與 有限元分析值對比分析，了解鑄鋼節(jié)點的應 力大小及分布情況；評價鋼網(wǎng)殼節(jié)點的強度是否滿 足設計要求；對鋼網(wǎng)殼節(jié)點的設計和施工工藝提出 建議。

西南交通大學土木工程學院衛(wèi)星、李俊、強士 中口口等通過對重慶奧林匹克體育中心體育場網(wǎng)殼 結構鑄鋼球節(jié)點結構的實體試驗，獲得了球節(jié)點表 面各測點應力值。結合理論計算和實體試驗，對鑄 鋼球節(jié)點的受力特點及傳力路徑進行了分析，指出 其應力從管身到球體的變化規(guī)律。根據(jù)試驗得到的 鑄鋼球節(jié)點實際應力分布情況，按Mises強度理論 對其承載能力進行了評價。將鑄鋼球節(jié)點管身應力 與管腳應力的比值作為反映應力集中程度的重要指 標,對此比值進行了分析并指出，大型鑄鋼球節(jié)點設 計時，可以通過控制該應力比值優(yōu)化應力傳遞路徑。

由上述文獻及資料可以看出，我國對鑄鋼節(jié)點 的試驗研究僅僅局限于某一具體工程或者節(jié)點的某 一方面，還沒有相關文獻系統(tǒng)地研究鑄鋼節(jié)點的試 驗方法、生產(chǎn)工藝、受力性能以及設計準則。因此為 了適應鑄鋼節(jié)點的飛速發(fā)展，對其開展大量、全面、 深入的試驗研究具有重要的意義。

3鑄鋼節(jié)點的有限元研究

國內目前的研究主要是對已設計的結構體系進 行整體驗算或者對結構體系的重要節(jié)點進行試驗和 有限元分析,分析結構體系是否滿足受力要求。

對鑄鋼空心球節(jié)點，當鋼管壁厚與鋼管直徑及 桿件長度相比較小時，垂直于中面的應力可以忽略 不計，即作為平面應力問題考慮。所以對于焊接鋼 管（包括焊接主鋼管及支鋼管在內）以及相貫焊接鋼 管節(jié)點有限元分析時可以采用平.面四節(jié)點Shell〔辺 單元進行彈塑性大變形分析。如果球管節(jié)點的幾何 形狀具有平面對檢性，彎矩作用也具有平面對稱性， 因此選擇平面對稱部分進行有限元分析以節(jié)約機 時。也可釆用具有軸對稱性能及有塑性、大變形和 大應變等特性的平面單元（plane[13]單元）建立節(jié)點 截面有限元模型。

但當鑄鋼節(jié)點管壁較厚，其徑厚比超出工程中 的薄殼范圍，且通常存在倒角和實心區(qū)域時，三向應 力均應考慮在內，應力情況較為復雜，因此，對鑄鋼 節(jié)點進行非線性分析時采用Solid實體單元。由于 鑄鋼節(jié)點具有實心填充區(qū)域，各個方向的正應力和 剪應力均不能忽略，因此采用Solid實體單元適合 計算鑄鋼節(jié)點模型的應力、應變問題,對其受力狀態(tài) 的模擬是合理的。

通常釆用的Solid單元有：Solid 73口電，Solid 92C15] , Solid 187® , Solid 45隊及 Solid 95E13'17]等。 Solid 73單元是具有8個結點的3D單元，每個結點 有6個自由度，可以較好地描述鑄鋼節(jié)點的變形和 受力情況。Solid 92單元具有二次位移特性，很適 合構建不規(guī)則的實體單元劃分（比如從CAD/CAM 導入的模型）。Solid 92單元是具有10個結點的四 面體單元,每個結點具有3個自由度（分別為X、Y、 Z三方向的位移）。此單元也可用于計算塑性、蠕 變、應力硬化、大變形和大應變問題。Solid 92’單元 和二維情況的三角形單元類似，插值函數(shù)是在三維 坐標內的各次*多項式，從而保證了單元之間的 協(xié)調性。Solid 187單元具有塑性、蠕變、大變形、大 應變性質。Solid 45單元具有塑性、蠕變、應力剛 化、大變形、大應變的特點。在模型比較規(guī)則可以方 便采用映射分網(wǎng)的部位，選用8結點Solid 45單元； 在模型中不規(guī)則的過渡段或者無法映射分網(wǎng)的部位 采用Solid 95單元。20結點的Solid 95單元，每個 結點有3個自由度，它是Solid 45的高階形式，該單 元由于結點數(shù)多，變形性能好，能夠保證計算精度。

經(jīng)對廣州歌劇院典型復雜非規(guī)則鑄鋼節(jié)點研究 分析表明：1）Solid 92單元、Solid 95單元很適合構 建不規(guī)則的單元，而Solid 95單元由于結點數(shù)多，對 計算機性能要求更高，因此一般如用Solid 92單元 即可保證計算精度的情況下，則不用Solid 95,這樣 可以節(jié)省計算時間和空間。2）在對鑄鋼節(jié)點進行有 限元分析計算時，采用線性強化塑性材料本構模型 比通常采用的理想彈塑性材料本構模型更符合實 際。

4鑄鋼節(jié)點的設計

鑄鋼節(jié)點設計時，在滿足鑄造工藝要求的同時 必須充分考慮鋼結構在安裝施工過程中與節(jié)點相關 的每一環(huán)節(jié)，并根據(jù)項目技術要求確定鑄造節(jié)點基 本設計原則。由于鑄鋼節(jié)點的軸線為空間任意方 向，因此必須釆用有關軟件進行節(jié)點的三維實體設 計，主要基本原則如下：

1） 鑄鋼節(jié)點必須具有可焊性〔口旳；

2） 節(jié)點中各肢桿、拉索套管、筒身等各自中心線 宜相交于空間坐標原點，避免產(chǎn)生偏心扭矩割一洞.

3） 肢桿外徑應與相應桁架桿件相同，其主要受 力肢桿端面的壁厚宜為相接桁架桿件的1. 5倍?3 倍，次要受力的肢桿端面壁厚可與相接桁架桿件壁 厚相同如；

4） 節(jié)點肢桿與桁架桿件間應為對接熔透焊縫， 節(jié)點各肢桿在端面應做成適當坡口

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

6） 將設計提供的鑄鋼節(jié)點荷載作用在支座節(jié)點 各肢桿的端面上，進行鑄鋼節(jié)點分析和優(yōu)化設計，并 保證有足夠的安全度“mm。

鑄鋼節(jié)點在設計時應對鑄鋼件進行實際使用條 件下的承載模擬試驗，在條件容許的情況下,應進行 

5鑄鋼節(jié)點的質量控制和焊接

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 德國焊接結構鑄鋼標準DIN 17182,制作時采用國 內鋼材，因此對其化學成分應進行嚴格檢驗,并提供 相應的化學成分報告皿5。

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 探傷和射線探傷弘眼」。

4） 用三維坐標儀對鑄鋼節(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，以利于節(jié)點的安裝

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 行嚴格評定房/焊條主要根據(jù)鑄鋼節(jié)點和鋼管的材 質性能選擇，焊條在使用前應進行烘干處理。焊接 工藝主要對試件組對、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。

重型鋼結構鑄鋼節(jié)點

 建成的2008奧運會羽毛球館釆用的是振弦傳感器, 對其施工和服役期進行了全面的監(jiān)控。由于鋼索上 無法布置振弦傳感器，所以采用了在鋼拉桿上布置傳 感器的方法，如圖7所示,然后間接求得索力的大小。 只對索力和重要構件的內力變化進行了健康監(jiān)控。

重型鋼結構鑄鋼節(jié)點

預應力技術可以使鋼結構向更大、更輕、更好、 更省方向發(fā)展已成為不爭的事實，國內外眾多工程 實例就是有力證明。以北京2008奧運會工程為例， 釆用傳統(tǒng)鋼結構的“鳥巢"用鋼量大于450 kg/m2, 而釆用了預力技術的羽毛球館及國家體育館用鋼 量在100 kg/m2^以下。所以，預應力鋼結構學科的 方向是*的、科學的和現(xiàn)實的。因此，在預應力鋼 結構學科創(chuàng)新領域中進行探索開發(fā)，在實踐領域中 進行開拓擴展是必須的和現(xiàn)實的。零強度、零穩(wěn)度、 零剛度結構體系的設想是依據(jù)預應力技術及其載體 的特點，參照已經(jīng)實踐的結構體系和天體理論而提出 的，相信隨著科技進步、工業(yè)發(fā)展和科技工作者的不 懈努力，預應力鋼結構學科一定會有突破性的創(chuàng)新。

6結論與展望

近年來鑄鋼節(jié)點在我國雖然得到了飛速的發(fā) 展，但仍屬于起步階段，進國家相比還存在 著明顯差距，而且對鑄鋼節(jié)點的研究也有很多問題 有待進一步解決，根據(jù)鑄鋼節(jié)點的應用現(xiàn)狀及對該 類型節(jié)點的研究提出了以下幾點建議，以供參考。

1） 對鑄鋼節(jié)點需做進一步理論分析和大量、全 面的試驗研究（目前的試驗大都是基于某一個具體 的工程）；同時，歸納和總結目前已有的鑄鋼節(jié)點試 驗及理論研究成果。

2） 有些鑄鋼節(jié)點可以看成由一些殼體曲面組成 的結構，可應用平面單元對節(jié)點進行模擬，這樣做使 分析問題大大簡化,但卻不可避免地帶來誤差。因 此,為了盡可能減小誤差，真實地模擬節(jié)點受力狀 態(tài)，宜采用Solid實體單元。

3） 鑄造工藝還不夠成熟，因此鑄鋼節(jié)點的壁相 對較厚，從而增加了節(jié)點的重量，這不僅對結構的受 力產(chǎn)生不利影響，而且還提高了工程造價。

4） 鑄鋼節(jié)點的設計主要考慮材質選擇、節(jié)點強 度、鑄造工藝、焊接工藝四方面要求。鑄鋼材料需嚴 格控制C、S、P的含量，確保節(jié)點具有良好的延性、 韌性及可焊性。鑄鋼節(jié)點設計在保證節(jié)點強度下， 要充分考慮鑄造工藝和焊接工藝，達到三者完美的 組合o

5） 目前對鑄鋼節(jié)點抗震性能的研究還較少，鑄 鋼節(jié)點具有較大的軸向和彎曲剛度，鑄鋼節(jié)點在軸 向和彎曲荷載下的抗震性能研究是今后需要重點研 究的一個課