大型鑄鋼節(jié)點的設(shè)計與分析
陳榮毅
（浙江大學空間結(jié)構(gòu)研究中心杭州310027）
摘要：結(jié)合廣州國際會展中心工程鋼結(jié)構(gòu)中的鑄鋼節(jié)點設(shè)計實例，對大型鑄鋼節(jié)點的設(shè)計基本原則及受力進 行初步研究與分析，并通過有關(guān)試驗研究和分析對節(jié)點的承載安全性作出判斷，給出建議的鑄鋼節(jié)點設(shè)計強度 取值和強度判別式準則，為制定相應技術(shù)標準和推廣應用提供可靠的依據(jù)。
關(guān)鍵詞：鑄鋼節(jié)點；設(shè)計；節(jié)點試驗；有限元分析；強度準則
1前言
鑄鋼節(jié)點由于具有結(jié)構(gòu)多樣化、外形美觀、施工 工期短等特點以及良好的適用性，近年在我國大型 鋼結(jié)構(gòu)建筑、橋梁等工程中逐漸得到推廣應用⑴。然 而目前尚未有一套成熟的鑄鋼節(jié)點設(shè)計方法與產(chǎn)品 標準，且在實際荷載作用下鑄鋼節(jié)點的應力狀況十 分復雜，直接制約了其推廣應用，因此對大型或形狀 復雜的鑄鋼節(jié)點有必要進行一系列的設(shè)計、制作和 試驗研究分析。
本文結(jié)合廣州國際會展中心工程鋼結(jié)構(gòu)中的鑄 鋼節(jié)點設(shè)計實例，對大型鑄鋼節(jié)點的設(shè)計基本原則 及受力進行了初步研究與分析。通過鑄鋼節(jié)點的試 驗研究和分析，對其承載安全性作出判斷，并給出建 議的鑄鋼節(jié)點設(shè)計強度準則，為制定相應技術(shù)標準 和推廣應用提供可靠的依據(jù)。
2鑄鋼節(jié)點設(shè)計基本原則
鑄鋼節(jié)點設(shè)計時，在滿足鑄造工藝要求的同時， 必須充分考慮鋼結(jié)構(gòu)在安裝施工過程中與節(jié)點相關(guān) 的每一環(huán)節(jié)，并根據(jù)項目技術(shù)要求確定鑄造節(jié)點基本 設(shè)計原則。由于鑄造節(jié)點的軸線為空間任意方向，因 此必須采用有關(guān)軟件進行節(jié)點的三維實體設(shè)計，其 主要基本原則如下：
（1）鑄鋼節(jié)點必須具有可焊性；
（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；
（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2倍，次要 受力的肢桿端面壁厚可與相接桁架桿件壁厚相同；
（4）節(jié)點肢桿和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(shè)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(shè)計, 并保證有足夠的安全度。
3工程實例
廣州國際會議展覽中心展覽大廳屋蓋鋼結(jié)構(gòu)釆 用預應力張弦立體桁架結(jié)構(gòu)，跨度126.6m,是目前 國內(nèi)跨度zuida和zuixin應用的結(jié)構(gòu)形式⑵。該張弦桁 架兩端分別擱置在柱頂上，擱置處既是拉索的錨固 點，也是下弦桿、腹桿的交匯點，因此該節(jié)點受力復 雜，節(jié)點受力分析和設(shè)計顯得十分重要。設(shè)計要求節(jié) 點為鑄鋼節(jié)點，材料為ZG200-400鑄鋼，質(zhì)量執(zhí)行 《一般工程用鑄造碳鋼XGB11352）標準中的有關(guān)規(guī) 定,詳見表lo
表1鑄造碳鋼件的機械性能表
本工程鑄鋼節(jié)點由多根鋼管以不同的空間角度 匯聚于一點，具有形狀復雜、尺寸和重量大等特點， 加工制作難度極大。同時,鑄鋼節(jié)點極具觀賞性，既 是一件精密的機械零件，又是一件藝術(shù)品。
根據(jù)設(shè)計方案和拉索張拉構(gòu)造要求進行鑄鋼 支座的節(jié)點設(shè)計，如圖1所示。本工程設(shè)計的鑄鋼節(jié)
點規(guī)格大（在2x2mxlm以上），重量大（張弦梁兩端 節(jié)點重量分別為4.5t和6.5t）,采用國產(chǎn)制品，是國 內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)中首次采用的超大型鑄鋼節(jié)點。
為了保證鑄鋼節(jié)點的鑄造質(zhì)量，對該鑄鋼節(jié)點 進行了超聲波探傷檢測和磁粉探傷檢測，結(jié)果表明 全部合格,滿足本工程設(shè)計要求胡。
4試驗研究與分析
鑄鋼節(jié)點在荷載作用下能否確保安全，是張弦鋼 屋架整體安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本次試驗的目的是 確認大跨度張弦桁架結(jié)構(gòu)鑄鋼支座節(jié)點在zuida試驗 荷載作用下的承載安全性，如圖2~3,因篇幅有限， 本文只列出其試驗過程和主要結(jié)果。
4.1試驗設(shè)計
（1）加載方案
本試驗的難點在于大噸位加載的實施，實際節(jié) 點受到張弦索設(shè)計拉力約51OOkN,試驗中設(shè)計加載 至6000kN,為此采用圖4所示的加載裝置。
圖中L型反力架用于平衡錨桿拉力，豎向荷載 則通過豎向反力架予以平衡。
⑵測試方案
鑄鋼節(jié)點上共布置三向應變片79點，共計237 個應變分量,分別測試節(jié)點內(nèi)外表面的應變值。錨桿 的實心圓鋼段上分2個截面布置單向應變片,各截面 沿圓周均布4片，用以反算張拉千斤頂?shù)膶嶋H拉力， 另外布置6個位移計測試鑄鋼節(jié)點受荷后的空間變 位情況。通過應變采集儀和計算機系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，在 每級荷載施加后初次采集，間隔Imin后再次采集。 4.2試驗結(jié)果
⑵材性試驗
鑄鋼參照德國DIN標準制作，共7根試件，材 性試驗結(jié)果平均值見表2。
衰2材料性能試驗結(jié)果
（2）應變測試結(jié)果
通過對試驗數(shù)據(jù)進行整理，發(fā)現(xiàn)直至zuida加載 水平,節(jié)點所有測點的應變都保持在彈性范圍內(nèi)，因 此可根據(jù)彈性理論將測得的應變換算成應力（彈性 模量 ETSxltFMPa）。
（3）位移計測試結(jié)果
共布置6個位移計，測試鑄鋼節(jié)點受荷后的空 間變位情況，結(jié)果表明鑄鋼節(jié)點的空間變位均很小, 對節(jié)點的測試結(jié)果影響很小。
4.3結(jié)果分析
在zuida試驗荷載作用下，鑄鋼節(jié)點試件測點中 的zuidaMises應力出現(xiàn)在錨盤內(nèi)側(cè)，約為278MPa, 其原因是錨盤處鑄鋼節(jié)點承載面反側(cè)沒有支承，相
其原因是錨盤處鑄鋼節(jié)點承載面反側(cè)沒有支承，相 當于中央開口圓板只約束外圓周，而開口邊有較大 分布荷載，但所有測點的應力值均小于材料的屈服 強度，節(jié)點其它部位應力較小。
6.5鑄鋼節(jié)點焊接性能好，給施工安裝帶來了極大 的方便；
6.6根據(jù)試驗結(jié)果與有限元分析，對鑄鋼節(jié)點的設(shè) 計強度取值和強度判別式提出了建議。
5建議的鑄鋼節(jié)點設(shè)計強度準則
從材性試驗結(jié)果看出，鑄鋼材料強度指標較穩(wěn) 定，屈服點平均值為3O6MPa,均方差為8.4MPa,以 屈服點作為設(shè)計強度依據(jù)，設(shè)材料屈服點服從正態(tài) 分布，則按97.73%保證率，強度標準值可取 289MPa,取Q235鋼材的抗力分項系數(shù)1.087,由此 確定節(jié)點鑄鋼的強度設(shè)計值。
鋼材伸長率遠超出22%,故具有良好的塑性，即 使節(jié)點內(nèi)部有局部區(qū)域發(fā)展塑性，也應能通過應力 重分布有效防止節(jié)點破壞。鑒于材料的良好塑性，鑄 鋼節(jié)點的強度判別可以采用塑性條件，即： b,=V[(bi-b2)2+(b2-b3)2+(b3-bi)2]W1.1 丄彌其中b,為Mises應力；亦可按1.087取值。
對本工程鑄鋼節(jié)點進行建模計算，得到zuida設(shè) 計荷載下的節(jié)點zuida Mises應力b,g=28OMPa,由 上述強度判別式得：
o，或=280 <1.1x(289/1.087)
可以認為節(jié)點在設(shè)計荷載下是安全的。
6結(jié)束語
根據(jù)設(shè)計要求和鑄鋼節(jié)點設(shè)計的基本原則制作 本工程鑄鋼節(jié)點，并進行試驗研究與分析，該節(jié)點經(jīng) 同濟大學材料性能和模擬加載試驗及現(xiàn)場安裝施 工，可得出以下結(jié)論：
6.1鑄鋼節(jié)點制作外形美觀，尺寸準確；
6.2鑄鋼材料強度指標穩(wěn)定,試件得到的屈服點均 方差為8.4MPa；
6.3鑄鋼材料伸長率遠超出22%,具有良好的塑性， 能有效防止節(jié)點破壞；
6.4在模擬加載試驗時，試件的加載大于設(shè)計荷載 產(chǎn)生的內(nèi)力，有限元分析表明，鑄鋼節(jié)點在zuida試驗 荷載作用下及zuida設(shè)計內(nèi)力作用下均是安全的；
