建筑结构铸钢节点设计

引言随着建筑业的飞速发展，为了满足建筑造型及功能要求，新型结构体系不断出现，特别是近几年来，随着空间结构的不断发展，结构跨度愈来愈大，使结构中构件与构件之间的连接变的越来越复杂，连接各构件的节点构造也日趋复杂，使得传统的焊接球节点、相贯节点已不能满足现代钢结构的发展需要；铸钢节点作为我国新兴的节点形式，具有结构多样化、外形美观等特点以及良好的受力性能和适应性以其特有的合理性和实用性而越来越受到工程界的青睐。不仅解决了焊接球节点由于结构跨度的增大使球径过大的困难，而且可解决钢管相贯节点由于进行相贯线的切割导致施工不便的问题。铸钢节点正逐渐应用于大跨度空间钢结构，大型钢结构建筑、桥梁等工程中。铸钢节点在国外，特别是在德国、日本等发达国家，铸钢件节点已得到非常广泛的应用。国内铸钢节点在实际工程中应用逐渐也越来越多。如哈尔滨国际会展中心、郑州国际会展中心、上海新国际博览中心、合肥体育场、广州歌剧院等工程中关键部位均采用铸钢节点。铸钢节点的发展前景然而、目前我国对铸钢节点的研究还比较缺乏，没有一套成熟的设计方法、产品标准和相关规范。还没有相关文献从结构设计方面系统研究铸钢节点。且在实际荷载作用下铸钢节点的应力状况十分复杂，因此对形状复杂的大型铸钢节点大多通过试验(主要是模型试验)研究来取得必要的设计参数。直接制约了其推广应用，因此对大型或形状复杂的铸钢节点有必要进行一系列的设计、制作和试验研究分析。为了适应铸钢节点的快速发展，我国正在编制铸钢节点规范，届时铸钢节点的设计、铸造、施工将有据可依，同时会进一步推动铸钢节点的发展与此同时，随着国内铸造工艺的提高，铸造成本的下降，以及国内大型会展中心、体育场、飞机场等公共建筑的大量修建，大型空间结构发展迅猛。铸钢节点将更广泛受到工程界的关注。铸钢节点以其可设计为大尺寸，承载能力高，可以铸造成任意形状，适应多方向的传力，预留连接端口与工地杆件连接，工地施焊方便，因此可以很好地满足结构受力、构造、施工的需要。可以预见的是，铸钢节点将成为建筑业尤其是大型空间结构关键部位节点的主要形式之一。铸钢材料及标准铸钢材料按照钢的化学成份分为可分为碳素铸钢，低合金铸钢和高合金铸钢。建筑结构一般主要采用碳素铸钢，低合金铸钢，只有少量在高温，腐蚀环境严重才采用特殊性能的高合金铸钢。由于铸造碳钢的淬透性与力学性能较差以及对大截面构件无法通过热处理进行强化，因此铸造材料主要采用低合金钢，其主要的合金元素为锰（Mn）、硅（Si）、铬（Cr）等，这些元素不仅提高了材料的强度，而且大大改善了铸钢的塑性、韧性及可焊性。目前广泛应用于工程界的铸钢件标准有很多，主要有国际标准ISO3755、中国标准《一般工程用铸造碳钢件》（GB11352－89）和德国标准的《高焊接性能和韧性的通用铸钢件》（DIN17182－1992）以及日本的《溶接构造用铸钢品》（JISG5102）和美国的ASTMA216等。目前铸钢件设计中主要采用德国标准，牌号通常为GS－20Mn5，这种材料的C、S、P含量限制较严格。C：0.17～0.23％S：《0.015％P《0.02％，保证其可焊性，材料的延伸率》22％，有良好的塑性。铸钢节点类型及特点可根据实际建筑、结构需要设计出复杂的结构外观和内部构造的节点形式，造型美观，可塑性强。可根据实际的受力状况设计出合理的截面形状，进一步改善节点的应力分布状况。铸钢节点在工厂整体浇筑，与相贯节点相比，可以避免相贯线切割和隐蔽焊缝及焊缝交叉重叠引起的应力集中，大大减少焊接量。铸钢管厚度可根据实际受力需要设计出不同的壁厚，承载力高，抵抗变形能力大。在建筑领域中铸钢节点中化学成分要求比其他领域内铸钢件中的化学成分要求高，对C、P、S的含量严格限制，因此材质有具有较好的塑性、韧性和可焊性。铸钢节点适应性较强，不受节点位置限制。既可以用于支座节点，又可以用于中部节点铸钢件中铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此，铸件的力学性能，低于同种材料的锻件。铸件质量不够稳定。铸钢节点类型实心铸钢节点实心铸钢节点虽然承载力比较大，但由于其在铸造时需要大量钢水，不仅浪费材料，而且使其造价大大提高；此外，实心的铸钢节点由于其本身的自重很大，对结构整体承载力非常不利，故在实际工程中很少采用。半实心半空心铸钢节点半实心半空心铸钢节点是在实心节点的基础上在某些部位设置减重孔的铸钢节点。为了避免应力集中现象，减重孔的内壁均为光滑的曲面（平面与平面相交处均应圆滑过度，即设倒角），减重孔的位置应避免在各杆件的交汇处，节点在杆件的交汇处是实心的，该节点的承载力和重量均介于实心铸钢件和空心铸钢件之间，此种铸钢件在建筑结构中应用最广。下图为郑州国际会议展览中心的铸钢支座节点图半实心半空心铸钢节点实体模型空心铸钢节点空心铸钢节点是在实心铸钢节点的基础上，将所有的杆件内部掏空制作成的铸钢节点。下图为郑州国际会议展览中心的空心铸钢节点。该节点的承载力虽然较低，但可大大减少节点重量、降低造价，在满足节点强度和铸造工艺的前提下应该优先采用空心铸钢节点实体模型重庆奥林匹克体育场铸钢空心球管节点铸钢节点按节点形式分类铸钢节点根据节点的形式可以分为铸钢空心球管节点、铸钢相贯节点、铸钢支座节点三类。铸钢空心球管节点铸钢空心球管节点与以前普遍采用的焊接空心球节点有很多相似之处。铸钢空心球管节点是将球与钢管根部整体浇注在一起，在管与球相交处圆滑过度，即设置倒角，焊缝位置位于铸钢管上，下图为重庆奥林匹克体育场铸钢球管节点图。铸钢空心球管节点实体模型铸钢相贯节点铸钢相贯节点是根据节点外形将多根杆件的汇交处在厂内浇铸而成，内腔可以是空心，也可以是半空心半实心。空心铸钢相贯节点与钢管相贯节点有很多相似之处但两者有根本区别。钢管相贯节点是主管直通，支管加工成相贯面后，直接与主管焊接。而铸钢相贯节点可根据各汇交杆件的空间位置铸造成各种形式，不受主管直通的限制。与铸钢球管节点一样，在主管与次管的相交处圆滑过度，即设置倒角，见下图铸钢相贯节点实体模型哈尔滨国际会展中心铸钢相贯节点湖南省政府张弦钢屋盖节点铸钢支座节点铸钢支座是一种特殊的节点形式，是将上部荷载传给下部结构的重要受力节点，因此节点设计的是否合理直接关系到整个结构的安全，但由于其形式差别很大，故很难统一而论，视具体要求而定，见下图。铸钢支座节点郑州会展展览大厅铸钢支座节点广州歌剧院铸钢支座节点铸钢节点的设计铸钢节点设计时，在满足铸造工艺构造及强度要求的同时，还应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。由于铸造节点的轴线为空间任意方向，因此必须采用有关软件进行节点的三维实体设计，其主要基本原则如下：铸钢节点的设计原则1）铸钢节点必须具有可焊性；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；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1.5~3倍，次要受力的肢杆端面壁厚可与相接桁架杆件壁厚相同；4）节点肢杆和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铸钢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。铸钢节点构造设计铸件的工艺构造，对铸件的质量和铸造生产的过程有很大的影响。钢水有流动性差、熔化时吸气多、浇注温度高、在铸型中凝固冷却时的线收缩和体收缩大等特点，浇铸钢件时就容易产生浇不足、缩孔、裂纹、变形、枯砂和气孔等缺陷。铸件结构设计不合理，不但增加铸造的困难，提高铸件成本，甚至会导致铸件报废。所谓工艺性好的铸件结构，主要应满足两方面的要求：一方面铸件结构应尽可能简化．方便铸件造型和清砂的工艺过程，另一方面在钢水充填铸型及其随后的凝固冷却过程中，要尽量减少在铸件上出现各种缺陷的可能性。因此铸件设计考虑以下几方面：铸钢节点构造设计(1)为使造型(芯)容易，铸件的外形和内腔要尽可能由直面构成，减少突出部分，相邻的凸台要合并，避免在铸件上出现尺寸窄小的内腔和尖角区。简单的铸件外形，还要考虑使铸件在凝固冷却收缩时少受阻碍，以减少产生裂纹变形的可能性。(2)壁上和筋上要适当开孔。对具有封闭形状的铸件来说，为便于治理和防止裂纹，开孔的数量和大小要足够。箱形封闭结构的断面要尽量改成开放形，如“I”形和“]”形。（3)为使钢水能很好地充填铸型，铸件壁应有一定的厚度，以免出现浇不足、冷隔等缺陷。(4)为使铸件避免缩孔、缩松的缺陷，铸件结构要具有同时凝固成顺序凝固的条件，尽量减少热节的尺寸和数目。(5)为防止在铸件壁的交接处和不同厚度壁的过渡处产生裂纹或严重粘砂，铸件壁厚应力求均匀，壁的交接处应做出圆角。厚薄相差大的连接部分，应使壁厚逐步过渡。(6)大而复杂的铸件可分成两个或更多的铸件来生产，然后焊接成整体。铸钢件的最小壁厚和合理最小壁厚铸件的最小壁厚是指一定轮廓尺寸的铸件，经过采取各种工艺措施(如提高模型和其它工艺装备的精确度及表面光洁度）；仔细操作，采用分散的内浇口和提高浇注速度；控制适宜的浇注温度等，所能浇注成合格铸件的大多数壁厚。生产过程中所能获得的碳素钢铸件的最小壁厚可参见下表，由此表可见，铸件轮廓尺寸(长度)越大．金属越难充填型腔，铸件的最小壁厚就越大。但是表中所列的铸钢件最小壁厚度，在一般情况下不宜为大型铸钢件设计的选用。因为大型铸钢件模型的尺寸精确度和表面光洁度较低，工艺装备比较租糙；钢水浇注温度—般难以控制。这给生产薄壁铸件带来一定困难。所以只有在特殊情况下（如对铸件重量有限制等)才允许选用表2—1的最小壁厚数值。在一般情况下，大型铸钢件合理最小壁厚的数值可参见表2-2。铸钢件最小壁厚大型铸钢件合理最小壁厚铸件壁的连接过渡设计铸钢件时，要注意壁的连接问题。在壁的连接处形成拐角，而拐角处型秒由于散热条件不好，很易粘在铸件上形成粘砂。此外，凝固时铸件的收缩受到阻碍，在铸件壁的连接尖角处会产生应力集中，甚至在该处产生裂纹；在尖角处的型砂也可能在钢水充填铸型的过程中被冲坏，使铸件产生砂跟。因此，在设计铸钢件结构时，应尽可能使铸件壁厚均匀，两连接壁的壁厚之比不应超过一比三(包括壁的加工余量)，如果超过一比—点五．两壁之间就应做出壁厚的过渡区。此外，设计时应尽量避免使铸件的连接壁之间呈锐角形状，当连接壁之间的夹角小于七十五度时，为避免该处形成尖角砂，在壁的交接处也要做出过渡区。铸造圆角防止铸件壁的连接尖角处产生裂纹、粘砂等缺陷的主要措施之一，就是把尖角改成圆角(通称为铸造圆角)。铸造圆角的大小根据连接壁的厚度、连接形式及铸件的材质来确定,如果铸造圆角半径太小，则不足以防止裂纹、粘砂；如果圆角半径太大，又会使该处形成较大的热节，引起缩孔和缩松。为肪止铸造圆角处出现缩孔、缩松、粘砂等缺陷，生产时常在铸造圆角处设置外冷铁。这时的铸造圆角半径值应符合外冷铁标准。大型铸钢件生产中，铸造圆角处外冷铁的脚角半径有；R（r)＝10，15，20，25，30，40，50，60，80，100，120〔毫米)R（r)为10毫米的外冷铁只适用于机器造型。手工造型时，外半径一般不应15毫米。铸造工艺孔设计铸钢件时，壁上要开铸造工艺孔，这对封闭形状的箱体铸件尤为重要。铸造工艺孔不仅能减轻铸件重量；有利于清砂；还有利于分散和减小铸造应力，防止产生裂纹。在实际生产中经常遇到一些铸件，由于工艺孔尺寸小，数量不够，分布不合理，使铸造生产过程遇到较多的困难；铸件如因受力很大和使用条件不允许壁上有孔，可在清砂后用钢板堵死焊牢。铸件工艺孔的尺寸；数量和位置需视实际情况决定。一般来说，箱体铸件在不影响强度的情况下，开孔的面积应不小于开孔壁总面积的百分之二十五，孔的尺寸、数量和位置要满足清砂、出气、支撑泥芯和防止裂纹等铸造工艺的要求。铸件壁上开工艺孔的形状最好为圆形或椭圆形。构造加筋板为了保证铸件的强度和