铸钢节点的工程应用与研究

摘要随着空间结构的发展，铸造工艺的提高，铸钢节点在我国得到了日益广泛的应用.本文介绍了铸钢节点的应用概况，研 究了该类型节点的特性、分类以及铸造工艺、并时铸钢节点的设计提出几点注意事项，同时还介绍了铸钢节点的试验概况

关键词 铸钢节点；铸钢空心球管节点；铸钢相贯节点；张弦桁架

随着空间结构的发展，结构的跨度愈来愈大，形式也 相应增多。特别是近几年来，新型结构体系不断出现，使 结构中构件与构件之间节点的连接方式日趋复杂，传统 的焊接球节点、钢管相贯节点等各种节点形式已不能适 应现代钢结构的发展。众所周知，节点构造的好坏对结 构的传力性能、制作安装、工程进度及工程造价都有相当 大的影响，因此寻找受力合理、施工简便、造价低的节点 形式已实际地摆在广大工程技术人员面前°随着铸造工 艺的提高，铸钢节点以其合理性与实用性越来越受到工 程界的关注。在国外，特别是日本、德国等发达国家，铸 钢节点已得到非常普遍的采用；国内铸钢件的应用刚刚 兴起，近几年来，在一些大跨度结构中，对受力复杂的节 点釆用了该种节点形式并取得了很好的经济效益目 前，我国对铸钢节点的研究还很缺乏，因此为了适应该种 节点的发展,对其进行理论分析与试验研究已成为当务 之急。近期我国正准备编制有关铸钢节点的规范，届时 铸钢节点的设计、铸造及施工将有据可依,进一步推动了 铸钢节点在我国的发展。

1铸钢节点的特点及类型

1.1铸钢节点的特点

在建筑钢结构中，节点形式很多，如焊接空心球节 点、螺栓球节点、钢管相贯节点、焊接钢板节点等：铸钢 节点相对这些节点而言，有其独特的性能，其主要特点 为：

1） 铸钢节点在工厂内整体浇铸，相对于焊接球节点 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；

2） 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 按受力状况采用最合理的截面形状，从而改善节点的应 力分布；

3） 建筑结构中铸钢节点的化学成份要求比其它领 域中的铸钢件要高，严格限制C、S、P的含量，使材质具有 良好的塑性、韧性及可焊性；

4） 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：

1.2铸钢节点的类型

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：

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

1） .实心铸钢节点虽然承载力比较大,但由于节点在 冶炼时需要大量钢水，不仅造成材料的浪费，而且导致工 程造价的提高。除此之外，该节点自重大，对整个结构的 受力将产生极其不利的影响。因此实心铸钢节点在工程 中很少被采用；

2） 半空心半实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。为了避免出现尖角，减重孔的 内表面通常为光滑的曲面，如抛物面、椭球面等；减重孔 位置应避开各杆件的汇交处，节点在杆件的汇交处是实 心的：该节点的重量与承载力均介于实心铸钢节点和空 心铸钢节点之间；

3）空心铸钢节点是在实心节点的基础上，将所有杆 件掏空。该节点的承载力虽然相对较低，但可大大减少

节点重量、降低造价。在选择铸钢节点的类型时，若空心 铸钢节点可满足强度以及铸造工艺的要求，应优先考虑 采用该种节点形式。

铸钢节点根据节点形式可分为铸钢空心球管节点、 铸钢相贯节点、铸钢支座节点三类匚

1）铸钢空心球管节点与我国普遍采用的焊接空心 球节点有很多相似之处，我们将通过对这两种冇点的比 较,分析铸钢球管节点的特点。铸钢空心球管节点由于 钢管根部与球整体浇铸在一起，焊缝位于铸钢管上：焊 接空心球节点是先将两个半球对焊而成空心球，然后将 钢管进行加工后，直接焊在球上，焊缝位于管、球相交处。 为了改善节点应力分布以及保证铸钢件的清理，铸钢球 管节点在铸钢管与球交界处、铸钢管与铸钢管搭接处的 内外侧都有圆滑过渡，即存在倒角:图1为重庆奥林匹 克体育中心的某一铸钢球管节点的剖面图。

图1铸钢球管节点的剖面图

图2铸钢相贯节点的示意图

2）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相似之处， 但两者之间存在根本区别c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状，不受 主管直通的限制。该节点无论是空心还是半空心半实 心，焊缝都位于铸钢管上,在管管相交处都存在倒角。为 了提高节点的强度与刚度，在节点内部可设置铸钢加劲 肋：图2为重庆奥林匹克体育中心铸钢相贯节点的轴测 图。

3）铸钢支座是一种特殊的节点形式.是将上部荷载 传递给下部结构的重要传力构件，其设计是否合理关系 到整个结构的安全。铸钢支座主要应用在网架、网壳与 下部结构的结合处、张弦桁架端部、梁柱结合处等，其形 式差别较大，很难一概而论，视具体的结构要求进行设 计。

2铸钢节点的材料

铸造材料按照钢的化学成份分为铸造碳钢和铸造低 合金钢。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锭Mn、硅Si、铭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。铸钢件材质标准很多：如1987 年我国制定的焊接钢结构用碳素钢铸件的国家标准GB/ T7659、国际标准ISO3755、日本标准JISG5102、美国标准 ASTM A216、德国标准DIN17182。通过对各国标准的比 较.我们发现德国标准（欧盟标准）中的铸钢件化学成份 含量与机械性能指标要求最严格。该标准严格控制C及 有害元素S、P的含量:C的含量控制在0.15%0.2%范围 内，比其它各国标准低0.05%左右；S、P含量控制在0. 020%以下，而其它各国标准均控制在0.045%以下。严 格限制C、S、P的含量不仅使铸钢件具有良好的塑性与韧 性，而且确保了节点的可焊性，以满足铸钢件与钢管两种 不同材质的焊接要求。建筑用铸钢件在材料选取上主要 需考虑两方面问题:满足结构的受力性能；材料具有良好 的塑性、韧性与可焊性。目前，我国建筑用铸钢材质的选 取主要参照德国DIN17182标准，该标准对材质的化学成 份及机械性能要求见表1、表2所示：

3铸钢节点的生产工艺

铸钢节点的生产工艺主要包括铸钢件的铸造、热处 理、后处理三个方面。

3.1铸钢节点的铸造工艺

铸造工艺的基本过程为:制模一造型-冶炼一浇注。

模型的设计与制作是节点铸造的关键步骤：在模型 制作过程中，应严格控制模型各部分的尺寸、角度及表面 光洁度。

为提高铸件的尺寸精度及易于清理，通常采用表面 稳定性较高的型砂造型工艺。同时为了增加型砂抵抗金 属液的冲刷和侵蚀作用，防止铸件表面产生粘砂，对铸型 表面应涂刷合适的涂料。

目前铸钢件的材质通常参照德国标准，该标准对S. P的含量限制非常严格。为确保材质的化学成份符合设 计要求，在冶炼过程中不仅需控制炼钢原料的质量.釆用 优质中小废钢，而且炼钢熔清后，应抓紧造渣、流渣.以利 于低温去磷；同时需加强还原期的脱S操作:

钢水的浇注要确保进入型腔的钢液平稳，有合适的 上升速度，不出现涡流现象。对于铸件中厚度较薄部位， 应将钢水浇遍，以防钢水凝固后出现空洞，严重影响节点 的受力性能。

3.2铸钢节点的热处理

为了提高铸钢件的机械性能以及消除铸造过程中引 起的铸造应力，对铸钢件应进行热处理。铸钢件的热处 理主要受温度和时间的影响，其加热速度取决于钢的化 学成份、铸件的形状与断面大小;保温时间取决于铸件的 最大壁厚及装炉堆料情况。

3.3铸钢节点的后处理

铸钢件的后处理过程主要包括：清砂-切割浇冒口 -补焊一打磨-抛丸一防锈处理等。

4铸钢节点的质量控制与焊接

4.1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） 化学成份的检验：目前，我国选用铸钢材质时遵循 德国标准DIN17182,制作时采用国内钢材，因此对其化 学成份应进行严格检验，并提供相应的化学成份报告；

2） 力学性能检验: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） 无损探伤检测：对铸件进行无损探伤检测的方法 主要为磁粉探伤与射线探伤；

4） 几何尺寸及空间位置检测：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） 对铸钢件的铸造内外侧倒角、表面粗糙度进行检 测。

4.2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。焊 条主要根据铸钢节点与钢管的材质性能选择，焊条在使 用前应进行烘干处理。焊接工艺主要从试件组对、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：

5铸钢节点在国内外工程中的应用

在国外，特别是日本、欧盟等国家，铸钢节点在实际 工程中已得到广泛应用。如日本名古屋体育馆的单层球 面网壳，其节点形式采用了带加劲肋的圆柱状铸钢节点； 德国斯图加特机场航站楼的树状结构采用了铸钢相贯节
点。近几年我国在一些大跨度结构中也采用了铸钢节 点，下面根据收集到的实际工程资料，说明铸钢节点在我 国的应用。

上海新国际博览中心的结构体系为钢管桁架柔性支 撑体系。单福桁架跨度72m,宽度12m,支座采用球形铸 钢节点支承在下部钢柱上。除悬臂端外，桁架全部节点均 采用铸钢连接件,其中一期工程的铸钢节点数目达到6022 个，节点重量2166吨。铸钢件的材质参照德国标准，牌号 为GS20Mn5,节点类型为半空心半实心的铸钢相贯节点， 图3为I：海新|耶，|柚览中心所采用的传钢狱

图3上海新国际博览中心的铸钢节点

深圳文化中心展览厅采用了典型的树状结构，高度 为39.6m。该结构的许多节点由多根杆件以不同角度汇 集而成，形状复杂，因此在这些节点处釆用了铸钢连接件| 该工程的树状结构中铸钢节点数目67个，材质牌号 GS20Mn5,节点类型为半空心半实心的铸钢相贯节点，如 图4所示c.

哈尔滨国际会展中心的主馆屋盖采用了跨度为128m 的张弦立体桁架。张弦桁架的一端被支承在钢筋混凝土 柱上，另一端支承在人字形钢柱上张弦桁架两端与索的 连接节点、索与桁架杆件相交节点及两端支座节点处均采 用了铸钢连接件，其中索与桁架下弦杆件相交处的铸钢节 点类型为鼓形的空心铸钢相贯节点，节点形状如图5所 示。该工程中铸钢节点的材质牌号为GS20Mn5c

广州国际会展中心主体钢结构屋盖采用跨度为126m 的张弦桁架，张弦桁架端部既要穿索，又有多根钢管同时 汇交，同时又要考虑索的张拉与锚固，因此其端部的节点 采用了铸钢连接件，节点材质牌号为GS20Mn5,形状如图 6所示：

图6广州国际会展中心铸钢节点

重庆奥林匹克体育中心的屋盖采用了跨度为312m 的双向平行弦钢管网壳结构。由于结构跨度大，在距网 壳两着地点及中间不动饺支座斜撑附近的个别节点处， 其汇交杆件数量多、杆件截面大，采用常规节点均无法满 足设计要求，因此结合工程实际在网壳下弦的端部采用 了鼓形铸钢相贯节点，与支座斜撑相连的下弦节点采用 铸钢空心球管节点，除此之外在网壳的支座处也采用了 铸钢连接件。整个工程两片对称的网壳中铸钢件的数目 为28个，节点的材质牌号为GS20Mn5o铸钢节点的形状 如图7所示。

南京奥林匹克体育中心的屋顶结构为平行钢空腹箱 梁和环向支撑杆件组成的马鞍形屋面，支承在跨度为 360m,与水平面成45°倾斜的钢拱和体育场周边的“V“形 支撑上。由于曲拱的跨度大，拱中三根主管直径均达到 1000mm,采用钢管相贯节点无法满足设计要求，为此三 根主管上的节点采用了铸钢相贯节点，除此之外马鞍形 屋面的箱形梁与外圆周边的环形边梁和V形支撑的节点 采用了铸钢空心球管节点。

深圳游泳跳水馆、苏州体育馆、郑州会展中心、重庆 江北机场、新疆体育中心等工程在关键部位也都采用了 铸钢连接件，在此不再详细叙述C

6铸钢节点的设计

6.1铸钢节点的设计注意事项

铸钢节点有多种类型，不同类型的节点有不同的设 计方法。为了使铸钢节点满足各方面的需要，作者通过 对结构设计、铸造与焊接工艺的研究，对铸钢节点的设计 提出了以下几点注意事项。

1)铸钢节点的设计要满足铸造工艺的要求

在保证节点具有足够强度的条件下，要充分考虑铸 造工艺。设计时主要注意以下几个方面：i)为了保证钢 液均匀平稳地进入内腔、确保钢水凝固速度，铸钢节点的 壁厚不易过薄。对空心铸钢管来说，其壁厚通常是与之 相连钢管壁厚的1.5-3倍。ii)为了避免出现尖角及有 利于清砂，铸钢节点的各铸件之间的内外壁都应圆滑过 渡，即设计倒角。根据倒角半径的允许范围，在不影响结 构功能的条件下，可适当加大倒角半径：

2)铸钢节点的焊接接口形式

由于铸钢节点与钢管要进行焊接，而且铸钢节点中 的铸钢管壁厚比相应钢管的要大，若将钢管与铸钢件直 接焊接，势必在此处产生较大的焊接应力，因此在设计节 点时，应考虑节点与钢管的焊接接口形式。铸钢节点与 钢管的焊接为对接焊，在铸钢节点与钢管的焊接处通常 要做焊接槽口，即在焊口部位处，铸钢管壁厚应平滑过渡 到与钢管相当的壁厚，槽口尺寸根据铸钢管壁厚与相连 钢管壁厚确定。图8为铸钢节点中常用的焊接接口形 式：

铸钢节点的受力分析

随着计算机技术的快速发展，铸钢节点的计算方法 主要采用有限元法，利用大型通用有限元程序ANSYS、 NASTRAN、COSMOS等进行受力分析：在进行有限元 分析时，由于铸钢节点的壁相对较厚，单元类型通常选实 体单元，根据铸钢材质的屈服强度进行弹性或塑性分析。 对那些受力较大、构造复杂的铸钢节点有必要进行足尺 试件或缩尺模型的试验研究。由于铸钢具有较好的塑 性，铸钢节点的强度准则釆用Von Mises屈服准则，即当 计算点的Mises应力超过材料强度,认为该点进入塑性。

6.2重庆奥林匹克体育中心铸钢空心球管节点 的设计与计算结果分析

6.2.1铸钢空心球管节点的设计

重庆奥林匹克体育中心工程中的两片网壳共采用了 16个铸钢球管节点,节点形式为4种.各节点的设计与分 析方法都是相同的。本文以受力最大的铸钢球管节点为 例，说明其设计与有限元分析方法一节点的几何形状如图 9所示。由图9可知，该节点汇交1()根杆件，杆件数量多、 直径大，其中最大杆的直径为720mm,若采用焊接球节点， 不仅使球径超过Im,而且由于2、4、6、7、8、9、10号杆的多 向交汇，导致相贯线错综复杂，大大增加了加工的困难以 及焊接工作量，因此将上述几号杆与球整体浇铸在一起， 形成铸钢节点。铸钢节点的材质参照德国DIN17182标准 中的GS20Mn5，其机械性能指标为：屈服强度230MPa，极 限强度450MPa、延伸率22%、D级冲击功37J该铸钢球 管节点的球径D取为900mm,球壁厚t为70mm,综合考 虑安全、经济以及铸造工艺等方面的因素，铸钢管上部(与 钢管连接处)的厚度取为与之相连钢管厚度的1.5倍，铸 钢管下部(与球连接处)的厚度取为钢管厚度的2.5倍匚 各铸钢管由球面上的伸出长度结合由满足施焊构造要求 所需的最小长度并考虑铸造尺寸的统一，取为650mm-铸 钢节点在铸钢管与球相交处的内外侧以及铸钢管与铸钢 管搭接处的倒角半径都取为5()mn\对于1、3号杆因钢 管管径较小、管与管之间的夹角较大，直径9()()nun的铸钢 球可满足焊接空间的要求，因此将钢管直接焊在铸钢节点 上：该节点的球体直径较大，在球内设置十字形加劲肋以 提高节点强度一上述几何尺寸初步确定后，采用大型.通用 有限元软件ANSYS对节点进行有限元分析：对于3根焊 接杆件为了避免或消除边缘效应对节点力学性能的影响， 分析时将焊接钢管的根部与铸钢节点作为整体参与计算， 焊接钢管材质为Q345钢。由于节点与多根空间汇交杆件 相连，而且在铸钢管与球、铸钢管与铸钢管相交处都存在 倒角，而ANSYS的前处理器无法对体进行倒角，因此为了 使计算结果符合节点的真实受力状态,我们用AutoCAD建 立节点的实体模型，然后将其存为SAI'文件，直接输人到 ANSYS中。节点建模采用十节点的四面体单元.单元类型 为SOLID187,网格划分控制单元边长，采用自由网格划 分，划分精度为6。节点荷载主要根据结构整体计算的各 种工况，从中选取最不利工况下的杆件内力而得到，荷载 的施加是将轴向集中力转换成面荷载加在铸钢管及焊接 管的端部。铸钢球管节点是网壳结构中的非支座节点，虽 然节点汇交各杆的轴力是自身平衡力系，但用ANSYS分 析时，若不施加约束,程序会认为节点不平衡导致计算无 法进行。为此在刚度最大杆件的端部施加三方向约束.以 使结果反映节点的真实受力状态;同时为了校核约束杆的 轴向力是否与所受实际荷载相符,Z方向的约束沿杆轴：

6.2.2计算结果分析

图1()给出了铸钢球管节点在设计荷载作用下弹性 计算的Von Mises应力分布图：

图9铸钢空心球管节点的轴测图

图10铸钢球管节点的Von Mises应力分布图

由应力图可知，节点的应力分布具有以下规律：

铸钢球管节点的应力分布主要划分为两类区域: 铸钢管与球面相交的圆环区域;远离汇交区的铸钢管及球 面区域一铸钢节点在管球相交区域的应力较大，局部有应 力集中，远离汇交区域的钢管与球体的应力水平较低。

焊接管(图示直径较小的钢管)与球交界处由于没 有倒角，管球连接区域处的应力相对管端施加应力，其值 增大明显，即有严重的应力集中现象;而铸钢管在管球相 交处存在倒角，减缓了该处的应力集中，改善了节点的应 力分布C，

该节点在设计荷载作用下，最大应力为295MPa, 虽然应力峰值已超过材料的屈服强度，但屈服区域很少， 只是集中在个别点处，绝大部分区域的应力都在弹性范 围之内。

7铸钢节点的试验研究

目前，我国还没有一套成熟的有关铸钢节点的设计 方法，为了确保节点的安全，对那些受力大、构造复杂的 铸钢节点在有限元分析的基础上有必要做试验研究，这