重型钢结构铸钢节点

铸钢节点的研究及在大跨度空间结构中的应用

铸钢节点以其众多的优异性能，已在国内外各类结构工程中得到广泛的应用。在总结铸钢节点的特点、 质量控制和焊接技术、设计原则以及有限元及试验研究的基础上，对铸钢节点有待进一步解决的问题提出几点建 议，以供研究人员参考，并为今后大型现代化场馆选用铸钢节点提供借鉴。

铸钢节点在现代大跨钢管结构中表现出造型 美观、可塑性强、受力安全合理等优点，正在逐渐被 工程设计人员应用于工程实际之中。但是，与工程 应用相比，对铸钢节点的力学性能和承载力研究还 较少。文献口］进行了广州会展中心张弦梁端 部大型铸钢节点足尺试验,结合有限元分析认为，节 点在设计荷载作用下是安全的。在实际工程设计 中，大型铸钢节点的承载安全性需通过足尺试验和 有限元分析来判断。由于目前铸钢件的制作质量还 有待提高,某些技术指标有时难以满足，甚至空心铸 钢球和铸管的壁厚与设计值相比有时相差甚远，在 上海新博览中心、苏州体育场、深圳游泳跳水馆 工程就出现过因铸钢件质量问题而返炉重新浇铸的 现象。从我国近几年铸钢节点在大型结构体系中 应用来看，目前国内还没有一套成熟的铸钢节点设 计方法和产品标准。本文从铸钢节点的特点、类型 与应用、有限元及试验研究概况、设计、质量控制和 焊接等方面进行系统的分析，不仅为该种节点在工 程中的推广应用提供指导，而且为今后规范的编制 提供参考。

题。

1铸钢节点的特点、类型及工程应用

1.1铸钢节点的特点

铸钢节点相对钢结构建筑中的其他节点，有其 *的性能，其主要特点为：

1） 铸钢节点在厂内整体浇铸，相对焊接球节点 与钢管相贯节点，可免去相贯线切割及重叠焊缝焊 接引起的应力集中「3】。

2） 在局部高应力区釆用圆形倒角和过渡圆滑的 截面，使节点的应力分布更为合理。

3） 管壁比普通钢管或钢板厚，因此铸钢节点刚 度大、承载力高、抗变形能力强。

4） 建筑结构用铸钢的化学成分要求严格限制 C、S、P的含量，使得铸钢材料具有良好的延性和可 焊性「旳。

5） 铸钢节点具有良好的适应性，节点设计自由 度大，可根据建筑需要生产出具有复杂外形和内腔 的节点；可按受力状况釆用的截面形状，从而 改善节点的应力分布⑶。

6） 铸钢节点的应用范围广，不受节点位置、形 状、尺寸的限制，既可用于结构中部节点，也可用于 支座节点⑵。

1.2铸钢节点的类型及应用

建筑结构中铸钢节点的形状虽然千差万别，但 根据内部构造或节点形式可将其分类。

根据节点的内部构造可分为实心铸钢节点、半 空心半实心铸钢节点、空心铸钢节点三类⑶:

1） 实心铸钢节点。该节点承载力大，但需要大 量的铸钢材料，导致节点的自重过大,对结构整体受 力产生不利影响的同时也提高了工程造价。因此， 在工程中使用较少。

2） 半空心半实心铸钢节点。该节点在实心铸钢 节点的基础上对某些部位设置减重孔。为了避免尖 角，孔的内表面通常为光滑曲面，如抛物面、椭球面 等。另外，减重孔应避开杆件的汇交处。工程采用了这种节点。

3）空心铸钢节点。该节点是在实心铸钢节点 的基础上将节点和杆件掏空，大大减小节点自重、降 低造价，在工程中使用较多。

根据节点形式可分为铸钢空心球管节点、铸钢 相贯节点、铸钢支座节点三类.

1）铸钢空心球管节点。该节点把钢管根部与球 整体浇铸在一起，将焊缝设置在铸钢管上，从而提供 了更多的施焊空间。如重庆奥林匹克体育中心工 程⑶（图3）采用了这种节点。

2）铸钢相贯节点。该节点适合于多根杆件汇 交的空间结构，除了具有较高的承载能力外还具有美观的外形。如哈尔滨会展中心西采用 了这种节点。

3）铸钢支座节点。该节点主要应用在网架、网 壳和管桁架结构与下部结构的连接处：如张弦桁架 端部与梁柱结合处等结构中受力较大的部位。如广州会展中心街采用了这种节点。常见的 有单弧支座板节点、双弧支座板节点、球饺支座节点 三类。

2铸钢节点的试验研究

在实际荷载作用下，铸钢节点应力状况十分复 杂，直接制约到它的推广及应用。目前，国内只是对 大型的、形状复杂的铸钢节点进行设计、制作及相关 的试验研究，从而积累经验。

同济大学建筑工程系⑹对广州会展中心张 弦梁端部铸钢节点进行的足尺模型静力试验得到了 铸钢节点表面的应力测试值，然后利用有限元软件 进行建模和分析，得到测点位置的应力'分析值。在 试验值与有限元分析值一致的情况下，以有限元分 析的结果推断出了整个铸钢节点的内部应力状况， 对节点的安全承载作出判断，并给出了设计强度的 建议值和强度判别式。该试验分析研究为今后的铸 钢节点模型试验和理论分析提供了技术路线方面的 探讨和借鉴。

西南交通大学土木工程学院李俊、卫星、李小 珍㈤对重庆奥林匹克体育中心体育场钢网壳结构铸 钢节点进行足尺试验。根据有限元分析结果，布置 了应变测点，得到测点应力值。结合试验和有限元 计算，分析了节点的应力分布规律，按照Von Mises 屈服强度准则评估了节点的承载安全性。

西南交通大学土木工程学院任伟平、卫星停】通 过对重庆奥林匹克中心体育场钢网壳罩棚大型铸钢 节点足尺模型整体受力试验，得到铸钢节点及汇交 杆件的应力大小测试值；通过理论分析及空间仿真 计算，得到测点位置的应力分析值。将试验结果与 有限元分析值对比分析，了解铸钢节点的应 力大小及分布情况；评价钢网壳节点的强度是否满 足设计要求；对钢网壳节点的设计和施工工艺提出 建议。

西南交通大学土木工程学院卫星、李俊、强士 中口口等通过对重庆奥林匹克体育中心体育场网壳 结构铸钢球节点结构的实体试验，获得了球节点表 面各测点应力值。结合理论计算和实体试验，对铸 钢球节点的受力特点及传力路径进行了分析，指出 其应力从管身到球体的变化规律。根据试验得到的 铸钢球节点实际应力分布情况，按Mises强度理论 对其承载能力进行了评价。将铸钢球节点管身应力 与管脚应力的比值作为反映应力集中程度的重要指 标,对此比值进行了分析并指出，大型铸钢球节点设 计时，可以通过控制该应力比值优化应力传递路径。

由上述文献及资料可以看出，我国对铸钢节点 的试验研究仅仅局限于某一具体工程或者节点的某 一方面，还没有相关文献系统地研究铸钢节点的试 验方法、生产工艺、受力性能以及设计准则。因此为 了适应铸钢节点的飞速发展，对其开展大量、全面、 深入的试验研究具有重要的意义。

3铸钢节点的有限元研究

国内目前的研究主要是对已设计的结构体系进 行整体验算或者对结构体系的重要节点进行试验和 有限元分析,分析结构体系是否满足受力要求。

对铸钢空心球节点，当钢管壁厚与钢管直径及 杆件长度相比较小时，垂直于中面的应力可以忽略 不计，即作为平面应力问题考虑。所以对于焊接钢 管（包括焊接主钢管及支钢管在内）以及相贯焊接钢 管节点有限元分析时可以采用平.面四节点Shell〔辺 单元进行弹塑性大变形分析。如果球管节点的几何 形状具有平面对檢性，弯矩作用也具有平面对称性， 因此选择平面对称部分进行有限元分析以节约机 时。也可釆用具有轴对称性能及有塑性、大变形和 大应变等特性的平面单元（plane[13]单元）建立节点 截面有限元模型。

但当铸钢节点管壁较厚，其径厚比超出工程中 的薄壳范围，且通常存在倒角和实心区域时，三向应 力均应考虑在内，应力情况较为复杂，因此，对铸钢 节点进行非线性分析时采用Solid实体单元。由于 铸钢节点具有实心填充区域，各个方向的正应力和 剪应力均不能忽略，因此采用Solid实体单元适合 计算铸钢节点模型的应力、应变问题,对其受力状态 的模拟是合理的。

通常釆用的Solid单元有：Solid 73口电，Solid 92C15] , Solid 187® , Solid 45队及 Solid 95E13'17]等。 Solid 73单元是具有8个结点的3D单元，每个结点 有6个自由度，可以较好地描述铸钢节点的变形和 受力情况。Solid 92单元具有二次位移特性，很适 合构建不规则的实体单元划分（比如从CAD/CAM 导入的模型）。Solid 92单元是具有10个结点的四 面体单元,每个结点具有3个自由度（分别为X、Y、 Z三方向的位移）。此单元也可用于计算塑性、蠕 变、应力硬化、大变形和大应变问题。Solid 92’单元 和二维情况的三角形单元类似，插值函数是在三维 坐标内的各次*多项式，从而保证了单元之间的 协调性。Solid 187单元具有塑性、蠕变、大变形、大 应变性质。Solid 45单元具有塑性、蠕变、应力刚 化、大变形、大应变的特点。在模型比较规则可以方 便采用映射分网的部位，选用8结点Solid 45单元； 在模型中不规则的过渡段或者无法映射分网的部位 采用Solid 95单元。20结点的Solid 95单元，每个 结点有3个自由度，它是Solid 45的高阶形式，该单 元由于结点数多，变形性能好，能够保证计算精度。

经对广州歌剧院典型复杂非规则铸钢节点研究 分析表明：1）Solid 92单元、Solid 95单元很适合构 建不规则的单元，而Solid 95单元由于结点数多，对 计算机性能要求更高，因此一般如用Solid 92单元 即可保证计算精度的情况下，则不用Solid 95,这样 可以节省计算时间和空间。2）在对铸钢节点进行有 限元分析计算时，采用线性强化塑性材料本构模型 比通常采用的理想弹塑性材料本构模型更符合实 际。

4铸钢节点的设计

铸钢节点设计时，在满足铸造工艺要求的同时 必须充分考虑钢结构在安装施工过程中与节点相关 的每一环节，并根据项目技术要求确定铸造节点基 本设计原则。由于铸钢节点的轴线为空间任意方 向，因此必须釆用有关软件进行节点的三维实体设 计，主要基本原则如下：

1） 铸钢节点必须具有可焊性〔口旳；

2） 节点中各肢杆、拉索套管、筒身等各自中心线 宜相交于空间坐标原点，避免产生偏心扭矩割一洞.

3） 肢杆外径应与相应桁架杆件相同，其主要受 力肢杆端面的壁厚宜为相接桁架杆件的1. 5倍〜3 倍，次要受力的肢杆端面壁厚可与相接桁架杆件壁 厚相同如；

4） 节点肢杆与桁架杆件间应为对接熔透焊缝， 节点各肢杆在端面应做成适当坡口

5） 为避免节点模型在断面突变处产生过大的应 力集中，在断面变化处宜采用圆滑曲面过渡；

6） 将设计提供的铸钢节点荷载作用在支座节点 各肢杆的端面上，进行铸钢节点分析和优化设计，并 保证有足够的安全度“mm。

铸钢节点在设计时应对铸钢件进行实际使用条 件下的承载模拟试验，在条件容许的情况下,应进行 

5铸钢节点的质量控制和焊接

5.1 铸钢节点的质量控制

质量控制是生产合格铸件的基本保证。为确保 铸钢节点的质量，在节点的生产及安装过程中主要 进行以下几方面的检测：

1） 目前，我国选用铸钢材质时所遵循的标准为 德国焊接结构铸钢标准DIN 17182,制作时采用国 内钢材，因此对其化学成分应进行严格检验,并提供 相应的化学成分报告皿5。

2） 将浇铸钢件的同炉铁水制成标准试件，进行 力学性能检验，提供机械性能报告

3） 对铸件进行无损探伤检测，方法主要为磁粉 探伤和射线探伤弘眼」。

4） 用三维坐标仪对铸钢节点的几何尺寸及空间 位置进行检测，并根据测量结果在铸钢件上标出定 位线，以利于节点的安装

5.2铸钢节点的焊接

铸钢节点与钢管的焊接为两种不同材质的焊 接，为了确保焊接质量，不仅要严格控制铸钢材质中 C、S、P的含量，而且对焊条选择、焊接工艺都要进 行严格评定房/焊条主要根据铸钢节点和钢管的材 质性能选择，焊条在使用前应进行烘干处理。焊接 工艺主要对试件组对、试件校正、预留焊接收缩量、 焊接定位、焊前防护、清理、预热、焊接、保温、检验等 工序进行严格控制。

重型钢结构铸钢节点

 建成的2008奥运会羽毛球馆釆用的是振弦传感器, 对其施工和服役期进行了全面的监控。由于钢索上 无法布置振弦传感器，所以采用了在钢拉杆上布置传 感器的方法，如图7所示,然后间接求得索力的大小。 只对索力和重要构件的内力变化进行了健康监控。

重型钢结构铸钢节点

预应力技术可以使钢结构向更大、更轻、更好、 更省方向发展已成为不争的事实，国内外众多工程 实例就是有力证明。以北京2008奥运会工程为例， 釆用传统钢结构的“鸟巢"用钢量大于450 kg/m2, 而釆用了预力技术的羽毛球馆及国家体育馆用钢 量在100 kg/m2^以下。所以，预应力钢结构学科的 方向是*的、科学的和现实的。因此，在预应力钢 结构学科创新领域中进行探索开发，在实践领域中 进行开拓扩展是必须的和现实的。零强度、零稳度、 零刚度结构体系的设想是依据预应力技术及其载体 的特点，参照已经实践的结构体系和天体理论而提出 的，相信随着科技进步、工业发展和科技工作者的不 懈努力，预应力钢结构学科一定会有突破性的创新。

6结论与展望

近年来铸钢节点在我国虽然得到了飞速的发 展，但仍属于起步阶段，进国家相比还存在 着明显差距，而且对铸钢节点的研究也有很多问题 有待进一步解决，根据铸钢节点的应用现状及对该 类型节点的研究提出了以下几点建议，以供参考。

1） 对铸钢节点需做进一步理论分析和大量、全 面的试验研究（目前的试验大都是基于某一个具体 的工程）；同时，归纳和总结目前已有的铸钢节点试 验及理论研究成果。

2） 有些铸钢节点可以看成由一些壳体曲面组成 的结构，可应用平面单元对节点进行模拟，这样做使 分析问题大大简化,但却不可避免地带来误差。因 此,为了尽可能减小误差，真实地模拟节点受力状 态，宜采用Solid实体单元。

3） 铸造工艺还不够成熟，因此铸钢节点的壁相 对较厚，从而增加了节点的重量，这不仅对结构的受 力产生不利影响，而且还提高了工程造价。

4） 铸钢节点的设计主要考虑材质选择、节点强 度、铸造工艺、焊接工艺四方面要求。铸钢材料需严 格控制C、S、P的含量，确保节点具有良好的延性、 韧性及可焊性。铸钢节点设计在保证节点强度下， 要充分考虑铸造工艺和焊接工艺，达到三者完美的 组合o

5） 目前对铸钢节点抗震性能的研究还较少，铸 钢节点具有较大的轴向和弯曲刚度，铸钢节点在轴 向和弯曲荷载下的抗震性能研究是今后需要重点研 究的一个课