鑄鋼節(jié)點(diǎn)的工程應(yīng)用與研究
摘要隨著空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展，鑄造工藝的提高，鑄鋼節(jié)點(diǎn)在我國得到了日益廣泛的應(yīng)用.本文介紹了鑄鋼節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用概況，研 究了該類型節(jié)點(diǎn)的特性、分類以及鑄造工藝、并時(shí)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提出幾點(diǎn)注意事項(xiàng)，同時(shí)還介紹了鑄鋼節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)概況
隨著空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)的跨度愈來愈大，形式也 相應(yīng)增多。特別是近幾年來，新型結(jié)構(gòu)體系不斷出現(xiàn)，使 結(jié)構(gòu)中構(gòu)件與構(gòu)件之間節(jié)點(diǎn)的連接方式日趨復(fù)雜，傳統(tǒng) 的焊接球節(jié)點(diǎn)、鋼管相貫節(jié)點(diǎn)等各種節(jié)點(diǎn)形式已不能適 應(yīng)現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。眾所周知，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的好壞對結(jié) 構(gòu)的傳力性能、制作安裝、工程進(jìn)度及工程造價(jià)都有相當(dāng) 大的影響，因此尋找受力合理、施工簡便、造價(jià)低的節(jié)點(diǎn) 形式已實(shí)際地?cái)[在廣大工程技術(shù)人員面前°隨著鑄造工 藝的提高，鑄鋼節(jié)點(diǎn)以其合理性與實(shí)用性越來越受到工 程界的關(guān)注。在國外，特別是日本、德國等發(fā)達(dá)國家，鑄 鋼節(jié)點(diǎn)已得到非常普遍的采用；國內(nèi)鑄鋼件的應(yīng)用剛剛 興起，近幾年來，在一些大跨度結(jié)構(gòu)中，對受力復(fù)雜的節(jié) 點(diǎn)釆用了該種節(jié)點(diǎn)形式并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益目 前，我國對鑄鋼節(jié)點(diǎn)的研究還很缺乏，因此為了適應(yīng)該種 節(jié)點(diǎn)的發(fā)展,對其進(jìn)行理論分析與試驗(yàn)研究已成為當(dāng)務(wù) 之急。近期我國正準(zhǔn)備編制有關(guān)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的規(guī)范，屆時(shí) 鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、鑄造及施工將有據(jù)可依,進(jìn)一步推動了 鑄鋼節(jié)點(diǎn)在我國的發(fā)展。
1鑄鋼節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)及類型
1.1鑄鋼節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)
在建筑鋼結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)形式很多，如焊接空心球節(jié) 點(diǎn)、螺栓球節(jié)點(diǎn)、鋼管相貫節(jié)點(diǎn)、焊接鋼板節(jié)點(diǎn)等：鑄鋼 節(jié)點(diǎn)相對這些節(jié)點(diǎn)而言，有其獨(dú)特的性能，其主要特點(diǎn) 為：
1） 鑄鋼節(jié)點(diǎn)在工廠內(nèi)整體澆鑄，相對于焊接球節(jié)點(diǎn) 與鋼管相貫節(jié)點(diǎn)，可免去相貫線切割及重疊焊縫焊接引 起的應(yīng)力集中；
2） 鑄鋼節(jié)點(diǎn)具有良好的適應(yīng)性，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)自由度大: 可根據(jù)建筑需要生產(chǎn)出具有復(fù)雜外形和內(nèi)腔的節(jié)點(diǎn)；可 按受力狀況采用合理的截面形狀，從而改善節(jié)點(diǎn)的應(yīng) 力分布；
3） 建筑結(jié)構(gòu)中鑄鋼節(jié)點(diǎn)的化學(xué)成份要求比其它領(lǐng) 域中的鑄鋼件要高，嚴(yán)格限制C、S、P的含量，使材質(zhì)具有 良好的塑性、韌性及可焊性；
4） 鑄鋼節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用范圍廣，不受節(jié)點(diǎn)位置、形狀、尺 寸的限制，既可用于結(jié)構(gòu)中部節(jié)點(diǎn)，也可用于支座節(jié)點(diǎn)：
1.2鑄鋼節(jié)點(diǎn)的類型
建筑結(jié)構(gòu)中鑄鋼節(jié)點(diǎn)的形狀雖然千差萬別，但根據(jù) 內(nèi)部構(gòu)造或節(jié)點(diǎn)形式可將其分類：
鑄鋼節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部構(gòu)造可分為實(shí)心鑄鋼節(jié) 點(diǎn)、空心鑄鋼節(jié)點(diǎn)、半空心半實(shí)心鑄鋼節(jié)點(diǎn)三類：
1） .實(shí)心鑄鋼節(jié)點(diǎn)雖然承載力比較大,但由于節(jié)點(diǎn)在 冶煉時(shí)需要大量鋼水，不僅造成材料的浪費(fèi)，而且導(dǎo)致工 程造價(jià)的提高。除此之外，該節(jié)點(diǎn)自重大，對整個(gè)結(jié)構(gòu)的 受力將產(chǎn)生極其不利的影響。因此實(shí)心鑄鋼節(jié)點(diǎn)在工程 中很少被采用；
2） 半空心半實(shí)心鑄鋼節(jié)點(diǎn)是在實(shí)心節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上， 在某些部位設(shè)置減重孔。為了避免出現(xiàn)尖角，減重孔的 內(nèi)表面通常為光滑的曲面，如拋物面、橢球面等；減重孔 位置應(yīng)避開各桿件的匯交處，節(jié)點(diǎn)在桿件的匯交處是實(shí) 心的：該節(jié)點(diǎn)的重量與承載力均介于實(shí)心鑄鋼節(jié)點(diǎn)和空 心鑄鋼節(jié)點(diǎn)之間；
3）空心鑄鋼節(jié)點(diǎn)是在實(shí)心節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將所有桿 件掏空。該節(jié)點(diǎn)的承載力雖然相對較低，但可大大減少
節(jié)點(diǎn)重量、降低造價(jià)。在選擇鑄鋼節(jié)點(diǎn)的類型時(shí)，若空心 鑄鋼節(jié)點(diǎn)可滿足強(qiáng)度以及鑄造工藝的要求，應(yīng)優(yōu)先考慮 采用該種節(jié)點(diǎn)形式。
鑄鋼節(jié)點(diǎn)根據(jù)節(jié)點(diǎn)形式可分為鑄鋼空心球管節(jié)點(diǎn)、 鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)、鑄鋼支座節(jié)點(diǎn)三類匚
1）鑄鋼空心球管節(jié)點(diǎn)與我國普遍采用的焊接空心 球節(jié)點(diǎn)有很多相似之處，我們將通過對這兩種冇點(diǎn)的比 較,分析鑄鋼球管節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)。鑄鋼空心球管節(jié)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：焊 接空心球節(jié)點(diǎn)是先將兩個(gè)半球?qū)付煽招那�，然后�?鋼管進(jìn)行加工后，直接焊在球上，焊縫位于管、球相交處。 為了改善節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布以及保證鑄鋼件的清理，鑄鋼球 管節(jié)點(diǎn)在鑄鋼管與球交界處、鑄鋼管與鑄鋼管搭接處的 內(nèi)外側(cè)都有圓滑過渡，即存在倒角:圖1為重慶奧林匹 克體育中心的某一鑄鋼球管節(jié)點(diǎn)的剖面圖。
圖1鑄鋼球管節(jié)點(diǎn)的剖面圖
圖2鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)的示意圖
2）鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)是根據(jù)節(jié)點(diǎn)外形將多根桿件的匯 交處在廠內(nèi)澆鑄而成，內(nèi)腔可以是空心，也可以是半空心 半實(shí)心�？招蔫T鋼相貫節(jié)點(diǎn)與鋼管相貫節(jié)點(diǎn)有相似之處， 但兩者之間存在根本區(qū)別c鋼管相貫節(jié)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(jié) 點(diǎn)可根據(jù)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(jié)點(diǎn)無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(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度與剛度，在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部可設(shè)置鑄鋼加勁 肋：圖2為重慶奧林匹克體育中心鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)的軸測 圖。
3）鑄鋼支座是一種特殊的節(jié)點(diǎn)形式.是將上部荷載 傳遞給下部結(jié)構(gòu)的重要傳力構(gòu)件，其設(shè)計(jì)是否合理關(guān)系 到整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全。鑄鋼支座主要應(yīng)用在網(wǎng)架、網(wǎng)殼與 下部結(jié)構(gòu)的結(jié)合處、張弦桁架端部、梁柱結(jié)合處等，其形 式差別較大，很難一概而論，視具體的結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行設(shè) 計(jì)。
2鑄鋼節(jié)點(diǎn)的材料
鑄造材料按照鋼的化學(xué)成份分為鑄造碳鋼和鑄造低 合金鋼。由于鑄造碳鋼的淬透性與力學(xué)性能較差以及對 大截面構(gòu)件無法通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化，因此鑄造材料主 要采用低合金鋼，其主要的合金元素為錠Mn、硅Si、銘Cr 等，這些元素不僅提高了材料的強(qiáng)度，而且大大改善了鑄 鋼的塑性、韌性及可焊性。鑄鋼件材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)很多：如1987 年我國制定的焊接鋼結(jié)構(gòu)用碳素鋼鑄件的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T7659、國際標(biāo)準(zhǔn)ISO3755、日本標(biāo)準(zhǔn)JISG5102、美國標(biāo)準(zhǔn) ASTM A216、德國標(biāo)準(zhǔn)DIN17182。通過對各國標(biāo)準(zhǔn)的比 較.我們發(fā)現(xiàn)德國標(biāo)準(zhǔn)（歐盟標(biāo)準(zhǔn)）中的鑄鋼件化學(xué)成份 含量與機(jī)械性能指標(biāo)要求嚴(yán)格。該標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格控制C及 有害元素S、P的含量:C的含量控制在0.15%0.2%范圍 內(nèi)，比其它各國標(biāo)準(zhǔn)低0.05%左右；S、P含量控制在0. 020%以下，而其它各國標(biāo)準(zhǔn)均控制在0.045%以下。嚴(yán) 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(jié)點(diǎn)的可焊性，以滿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 需考慮兩方面問題:滿足結(jié)構(gòu)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DIN17182標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對材質(zhì)的化學(xué)成 份及機(jī)械性能要求見表1、表2所示：
3鑄鋼節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)工藝
鑄鋼節(jié)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。
3.1鑄鋼節(jié)點(diǎn)的鑄造工藝
鑄造工藝的基本過程為:制模一造型-冶煉一澆注。
模型的設(shè)計(jì)與制作是節(jié)點(diǎn)鑄造的關(guān)鍵步驟：在模型 制作過程中，應(yīng)嚴(yán)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(wěn)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(yīng)涂刷合適的涂料。
目前鑄鋼件的材質(zhì)通常參照德國標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對S. P的含量限制非常嚴(yán)格。為確保材質(zhì)的化學(xué)成份符合設(shè) 計(jì)要求，在冶煉過程中不僅需控制煉鋼原料的質(zhì)量.釆用 優(yōu)質(zhì)中小廢鋼，而且煉鋼熔清后，應(yīng)抓緊造渣、流渣.以利 于低溫去磷；同時(shí)需加強(qiáng)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(wěn)，有合適的 上升速度，不出現(xiàn)渦流現(xiàn)象。對于鑄件中厚度較薄部位， 應(yīng)將鋼水澆遍，以防鋼水凝固后出現(xiàn)空洞，嚴(yán)重影響節(jié)點(diǎn) 的受力性能。
3.2鑄鋼節(jié)點(diǎn)的熱處理
為了提高鑄鋼件的機(jī)械性能以及消除鑄造過程中引 起的鑄造應(yīng)力，對鑄鋼件應(yīng)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 壁厚及裝爐堆料情況。
3.3鑄鋼節(jié)點(diǎn)的后處理
鑄鋼件的后處理過程主要包括：清砂-切割澆冒口 -補(bǔ)焊一打磨-拋丸一防銹處理等。
4鑄鋼節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量控制與焊接
重慶奧林匹克體育中心的屋蓋采用了跨度為312m 的雙向平行弦鋼管網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)跨度大，在距網(wǎng) 殼兩著地點(diǎn)及中間不動餃支座斜撐附近的個(gè)別節(jié)點(diǎn)處， 其匯交桿件數(shù)量多、桿件截面大，采用常規(guī)節(jié)點(diǎn)均無法滿 足設(shè)計(jì)要求，因此結(jié)合工程實(shí)際在網(wǎng)殼下弦的端部采用 了鼓形鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)，與支座斜撐相連的下弦節(jié)點(diǎn)采用 鑄鋼空心球管節(jié)點(diǎn)，除此之外在網(wǎng)殼的支座處也采用了 鑄鋼連接件。整個(gè)工程兩片對稱的網(wǎng)殼中鑄鋼件的數(shù)目 為28個(gè)，節(jié)點(diǎn)的材質(zhì)牌號為GS20Mn5o鑄鋼節(jié)點(diǎn)的形狀 如圖7所示。
南京奧林匹克體育中心的屋頂結(jié)構(gòu)為平行鋼空腹箱 梁和環(huán)向支撐桿件組成的馬鞍形屋面，支承在跨度為 360m,與水平面成45°傾斜的鋼拱和體育場周邊的“V“形 支撐上。由于曲拱的跨度大，拱中三根主管直徑均達(dá)到 1000mm,采用鋼管相貫節(jié)點(diǎn)無法滿足設(shè)計(jì)要求，為此三 根主管上的節(jié)點(diǎn)采用了鑄鋼相貫節(jié)點(diǎn)，除此之外馬鞍形 屋面的箱形梁與外圓周邊的環(huán)形邊梁和V形支撐的節(jié)點(diǎn) 采用了鑄鋼空心球管節(jié)點(diǎn)。
深圳游泳跳水館、蘇州體育館、鄭州會展中心、重慶 江北機(jī)場、新疆體育中心等工程在關(guān)鍵部位也都采用了 鑄鋼連接件，在此不再詳細(xì)敘述C
6鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
