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摘要：鑄鋼節點(diǎn)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(chǎng)航站樓工程，提出帶肋鑄鋼球節點(diǎn)的構造和設計方法；運用非線(xiàn)性有限元分析方法，分析帶肋鑄鋼球節點(diǎn)在復雜受力狀態(tài)下的承載力和變形能力，確定帶肋鑄鋼球節點(diǎn)的受力性能；并詳細闡述了鑄鋼球節點(diǎn)的的制造工藝和技術(shù)標準。
關(guān)鍵詞：鑄鋼節點(diǎn)  帶肋鑄鋼球節點(diǎn)   非線(xiàn)性有限元分析  設計方法 制造工藝及技術(shù)標準
      1 鑄鋼節點(diǎn)概述
      1.1 鑄鋼節點(diǎn)的特點(diǎn)
      鑄鋼節點(diǎn)是近幾年來(lái)隨著(zhù)大跨桁架結構體系發(fā)展起來(lái)的新型結構節點(diǎn)形式 ，鑄鋼節點(diǎn)受力明確 、直接、承載力大 ，減少了節點(diǎn)板、節點(diǎn)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點(diǎn)。鑄鋼節點(diǎn)相對焊接空心球節點(diǎn)、螺栓球節點(diǎn)、鋼管相貫節點(diǎn)、焊接鋼板節點(diǎn)等在建筑鋼結構中常用的節點(diǎn)而言，有其獨特的性能，其主要特點(diǎn)為：
      （1）鑄鋼節點(diǎn)在廠(chǎng)內整體澆鑄，工序的最后還要進(jìn)行正火和調質(zhì)處理，相對焊接球節點(diǎn)與鋼管相貫節點(diǎn)而言，可免去相貫線(xiàn)切割及重疊焊縫焊接引起的應力集中。
      （2）鑄鋼節點(diǎn)造型設計自由度大，可根據受力狀況和澆鑄工藝合理調節壁厚和倒角，避免因相貫夾角過(guò)小造成的連接困難和應力集中。
      （3）由于鑄鋼節點(diǎn)壁厚比焊接節點(diǎn)大并且可以在相貫線(xiàn)處導角，所以鑄鋼節點(diǎn)承載力大，也可以因此減小其外部尺寸。
      （4）鑄鋼節點(diǎn)的應用范圍廣，不受節點(diǎn)位置、形狀、尺寸的限制，既可用于結構中部節點(diǎn)，也可用于支座節點(diǎn)。
      1.2 鑄鋼節點(diǎn)的分類(lèi)
      通過(guò)對實(shí)際工程中采用的鑄鋼節點(diǎn)的研究，我們可以發(fā)現，建筑結構中鑄鋼節點(diǎn)的形狀雖然千差萬(wàn)別，但根據內部構造或節點(diǎn)形式可將其進(jìn)行分類(lèi)。鑄鋼節點(diǎn)根據節點(diǎn)形式可分為鑄鋼空心球管節點(diǎn)、鑄鋼相貫節點(diǎn)、鑄鋼支座節點(diǎn)三類(lèi)。
      （1）鑄鋼空心球管節點(diǎn)在我國普遍采用的焊接空心球節點(diǎn)有很多相似之處，焊接空心球節點(diǎn)是先將兩個(gè)半球對焊而成空心球，然后將鋼管進(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。為了改善節點(diǎn)應力分布以及保證鑄鋼件的清理，鑄鋼球管節點(diǎn)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(guò)渡，即存在倒角。
      （2）鑄鋼相貫節點(diǎn)是根據節點(diǎn)外形將多根桿件的匯交處在廠(chǎng)內澆鑄而成，內腔可以是空心，也可以是半空心、半實(shí)心?？招蔫T鋼相貫節點(diǎn)與鋼管相貫節點(diǎn)有相似之處，但兩者之間存在根本區別。鋼管相貫節點(diǎn)是主管直通，支管加工成相貫面后，直接與主管焊接。而鑄鋼相貫節點(diǎn)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(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，為了提高節點(diǎn)的強度與剛度，在節點(diǎn)內部可設置鑄鋼加勁肋。
      （3）鑄鋼支座是一種特殊的節點(diǎn)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(guān)系到整個(gè)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 鑄鋼節點(diǎn)選形與設計
      2.1 工程概況
      鄂爾多斯機場(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構屋蓋，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、內環(huán)桁架、24榀主桁架以及主桁架之間扇形區域網(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)鑄鋼球節點(diǎn)進(jìn)行連接。登機長(cháng)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點(diǎn)。
 

圖1  鄂爾多斯機場(chǎng)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點(diǎn)進(jìn)行分析 ，節點(diǎn)位置見(jiàn)圖2。
 

圖2  鄂爾多斯機場(chǎng)航站樓主桁架鑄鋼節點(diǎn)

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

  
圖3  鄂爾多斯機場(chǎng)航站樓 鑄鋼相貫節點(diǎn)模型圖
 

鑄鋼節點(diǎn)的尺寸設計要考慮以下幾個(gè)方面：
      (1)滿(mǎn)足承載力要求。根據鑄鋼的力學(xué)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(mǎn)足鑄造工藝的要求。為了保證鋼液均勻平穩地進(jìn)入內腔、鋼水凝固速度不能太快，鑄鋼節點(diǎn)的壁厚不宜過(guò)薄。對空心鑄鋼管來(lái)說(shuō)，其壁厚通常是與之相連鋼管壁厚的1.5—3倍。為了避免出現尖角及有利于清砂，鑄鋼節點(diǎn)的各鑄件之間的內外壁都應圓滑過(guò)渡，即設計倒角。從受力來(lái)看，倒角可以減小應力集中的和度，同時(shí)還能提高節點(diǎn)的剛度。
      (3)滿(mǎn)足焊接工藝要求。鑄鋼節點(diǎn)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(shí)，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鑄鋼管壁厚與相連鋼管壁厚確定。
      (4)滿(mǎn)足構造要求。即通過(guò)三維空間建模輔助設計，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)尺寸設計的鑄鋼節點(diǎn)1、鑄鋼節點(diǎn)2尺寸取值見(jiàn)下表。

表2-1         鑄鋼節點(diǎn)1尺寸



表2-2         鑄鋼節點(diǎn)2尺寸

      2．3鑄鋼節點(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，而且確保了節點(diǎn)的可焊性，以滿(mǎn)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(mǎn)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(zhì)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(xué)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點(diǎn)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(zhì))，其化學(xué)成分和機械性能如下：
 

表2-1         Gs20Mn5化學(xué)成分（%）表



表2-2         Gs20Mn5力學(xué)性能表


 

3節點(diǎn)有限元分析
      3．1計算軟件及設計標準
      對節點(diǎn)的有限元分析采用的是ANSYS程序單元庫中的三維實(shí)體單元SOLID95。每個(gè)SOLID95單元有20個(gè)節點(diǎn)，每個(gè)節點(diǎn)有3個(gè)自由度，單元位移模式為二階。該單元能考慮結構的大變形、大應變以及應力剛化的影響。在有限元分析時(shí)采用的材料性能參數，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程序的單元劃分器中的自由網(wǎng)格劃分技術(shù)，自由網(wǎng)格劃分技術(shù)會(huì )根據計算模型的實(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  鄂爾多斯機場(chǎng)航站樓節點(diǎn)1模型（網(wǎng)格劃分）

 
圖4-2  鄂爾多斯機場(chǎng)航站樓節點(diǎn)2模型（網(wǎng)格劃分）
 

節點(diǎn)分析時(shí)的邊界約束的模擬主要根據節點(diǎn)在整個(gè)結構的傳力順序以及節點(diǎn)桿支的剛度，具體而言就是以主要受力構件及即節點(diǎn)中傳力最接近支承柱的桿支作為約束端，該約束桿件即為節點(diǎn)中貫通的主受力構件，考慮到整體節點(diǎn)的平衡，約束端采用面約束的形式，約束該管端各節點(diǎn)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(shù)形柱壓彎應力最大的工況，選取較不利的一種進(jìn)行分析。
      3．2 鑄鋼節點(diǎn)1有限元分析
      外環(huán)鑄鋼件共計24個(gè)，選取其中桿件受力較大的荷載組合進(jìn)行計算分析。
        （1）荷載選取
 

表3-1   節點(diǎn)1荷載數據

（2）  計算分析

 
圖5-1     鄂爾多斯機場(chǎng)航站樓荷載加載示意圖

 
圖5-2    鄂爾多斯機場(chǎng)航站樓節點(diǎn)變形圖
 

圖5-3   鄂爾多斯機場(chǎng)航站樓 Von－Mises應力云圖
 

該鑄鋼節點(diǎn)最大位移為0.88mm，最大應力為129.665 <240 。從鑄鋼節點(diǎn)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，鑄鋼節點(diǎn)應力分布均勻，強度和剛度能夠滿(mǎn)足設計要求。
      3．3鑄鋼節點(diǎn)2有限元分析
      （1）  荷載選取
 

表3-2   節點(diǎn)2荷載數據

（2） 計算分析
 

圖6-1  鄂爾多斯機場(chǎng)航站樓 荷載加載示意圖
 

圖6-2   鄂爾多斯機場(chǎng)航站樓節點(diǎn)變形圖
 

圖6-3   鄂爾多斯機場(chǎng)航站樓Von－Mises應力云圖

      該鑄鋼件節點(diǎn)最大位移為3.923mm，節點(diǎn)大部分應力均小于200N/?2，局部區域出現應力集中，應力云圖符合客觀(guān)規律，鑄鋼節點(diǎn)應力分布均勻，強度和剛度能夠滿(mǎn)足設計要求。
      4  鑄鋼節點(diǎn)的生產(chǎn)工藝
      鑄鋼節點(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。
      模型的設計與制作是節點(diǎn)鑄造的關(guān)鍵步驟。在模型的制作過(guò)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(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，對鑄型表面應涂刷合適的涂料。
      目前鑄鋼件的材質(zhì)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(zhì)的化學(xué)成份符合設計要求，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，應抓緊造渣、流渣，以利于低溫去磷；同時(shí)需加強還原期的脫S操作。
      鋼水的澆注要確保進(jìn)入型腔的鋼液平穩，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(diǎn)的受力性能。
      4．2鑄鋼節點(diǎn)的熱處理
      為了提高鑄鋼件的機械性能以及消除鑄造過(guò)程中引起的鑄造應力，對鑄鋼件應進(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→補焊→打磨→拋丸→防銹處理等。
      5 鑄鋼節點(diǎn)的質(zhì)量控制與焊接
      5. 1鑄鋼節點(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。為確保鑄鋼節點(diǎn)的質(zhì)量，在節點(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。
      (1)目前，我國選用鑄鋼材質(zhì)時(shí)所遵循的標準為德國DIN17182，制作時(shí)采用國內鋼材，因此對其化學(xué)成份應進(jìn)行嚴格檢驗，并提供相應的化學(xué)成份報告。
      (2)將澆鑄鋼件的同爐鐵水制成標準試件，進(jìn)行力學(xué)性能檢驗，提供機械性能報告。
      (3)對鑄件進(jìn)行無(wú)損探傷檢測，方法主要為磁粉探傷與射線(xiàn)探傷。
      (4)用二維坐標儀對鑄鋼節點(diǎn)的幾何尺寸及空間位置進(jìn)行檢測，并根據測量結果在鑄鋼件上標出定位線(xiàn)，以利十節點(diǎn)的安裝。
      (5)對鑄鋼件的鑄造內外側倒角、表面粗糙度進(jìn)行檢測。
      5．2鑄鋼節點(diǎn)的焊接
      鑄鋼節點(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，不僅要嚴格控制鑄鋼材質(zhì)中C、S、P的含量，而且對焊條選擇、焊接工藝都要進(jìn)行嚴格評定。焊條主要根據鑄鋼節點(diǎn)與鋼管的材質(zhì)性能選擇，焊條在使用前應進(jìn)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(jìn)行嚴格控制。
      6 、結語(yǔ)
       鑄鋼節點(diǎn)的諸多優(yōu)勢已為國內外的大量工程實(shí)踐所證實(shí)。該節點(diǎn)由于在廠(chǎng)內整體澆鑄，不僅可根據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(xiàn)切割及重疊焊縫焊接引起的應力集中，因此節點(diǎn)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(chǎng)航站樓工程，提出帶肋鑄鋼球節點(diǎn)的構造和設計方法；運用非線(xiàn)性有限元分析方法，分析帶肋鑄鋼球節點(diǎn)在復雜受力狀態(tài)下的承載力和變形能力，確定帶肋鑄鋼球節點(diǎn)的受力性能；并詳細闡述了鑄鋼球節點(diǎn)的的制造工藝和技術(shù)標準。
      ［1］韓慶華 王開(kāi)強 劉錫良等.鑄鋼空心球管節點(diǎn)受壓極限承載力數值分析［Ｊ］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，38(8) 
      ［2］林彥 劉錫良.鑄鋼節點(diǎn)的設計以及在工程中的應用［Ｊ］.工業(yè)建筑，2005，35(11) 
      ［3］劉錫良 林彥.鑄鋼節點(diǎn)的工程應用與研究［Ｊ］.建筑鋼結構進(jìn)展，2004，6(1) 
      ［4］卞若寧，陳以一等．空間結構大型鑄鋼節點(diǎn)試驗研究．建筑結構，2002，32（12）
      ［5］陳瑞麟．多角度鋼結構鑄鋼節點(diǎn)的研制．鋼結構，2003（4），Vol.18，No.66
      ［6］GB50017-2003，鋼結構設計規范，北京：中國計劃出版社，2003年
      作者簡(jiǎn)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，現在天津大學(xué)結構工程專(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號中誠商務(wù)中心四樓建筑設計院（071051）。