摘要：铸钢节点已在大跨度空间结构中得到了广泛应用。本文结合鄂尔多斯机场航站楼工程，提出带肋铸钢球节点的构造和设计方法；运用非线性有限元分析方法，分析带肋铸钢球节点在复杂受力状态下的承载力和变形能力，确定带肋铸钢球节点的受力性能；并详细阐述了铸钢球节点的的制造工艺和技术标准。
关键词：铸钢节点  带肋铸钢球节点   非线性有限元分析  设计方法 制造工艺及技术标准
      1 铸钢节点概述
      1.1 铸钢节点的特点
      铸钢节点是近几年来随着大跨桁架结构体系发展起来的新型结构节点形式 ，铸钢节点受力明确 、直接、承载力大 ，减少了节点板、节点球 的次应力对结构内力的影响，因其特有的性能 ，已经广泛应用于大跨度空间桁架钢结构中的重要节点。铸钢节点相对焊接空心球节点、螺栓球节点、钢管相贯节点、焊接钢板节点等在建筑钢结构中常用的节点而言，有其独特的性能，其主要特点为：
      （1）铸钢节点在厂内整体浇铸，工序的最后还要进行正火和调质处理，相对焊接球节点与钢管相贯节点而言，可免去相贯线切割及重叠焊缝焊接引起的应力集中。
      （2）铸钢节点造型设计自由度大，可根据受力状况和浇铸工艺合理调节壁厚和倒角，避免因相贯夹角过小造成的连接困难和应力集中。
      （3）由于铸钢节点壁厚比焊接节点大并且可以在相贯线处导角，所以铸钢节点承载力大，也可以因此减小其外部尺寸。
      （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 铸钢节点的分类
      通过对实际工程中采用的铸钢节点的研究，我们可以发现，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进行分类。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。
      （1）铸钢空心球管节点在我国普遍采用的焊接空心球节点有很多相似之处，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，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。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。
      （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。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。
      （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。
      2 铸钢节点选形与设计
      2.1 工程概况
      鄂尔多斯机场新建航站楼整体建筑造型酷似一只展翅的雄鹰（图1），全部采用大跨度钢结构屋盖，总建筑面积约为10万?。出港、到港大厅为直径108米的大型穹顶，由中心球壳、内环桁架、24榀主桁架以及主桁架之间扇形区域网壳、外环桁架组成。穹顶主桁架通过Y型钢支撑与混凝土柱相连接，主桁架与Y型钢支撑直接通过铸钢球节点进行连接。登机长廊两翼翼展为490米，为空间大跨度网架结构，网架支座采用铸钢支座节点。
 

图1  鄂尔多斯机场航站楼钢结构屋盖示意图
 

限于篇幅 ，本文选取穹顶主桁架与Y型钢支撑连接的铸钢球节点进行分析 ，节点位置见图2。
 

图2  鄂尔多斯机场航站楼主桁架铸钢节点

      2．2 铸钢节点选型与尺寸初步设计
      该项目穹顶主桁架与Y型钢支撑连接节点1共汇交8根杆件，节点2共汇交9根杆件，Y型钢支撑为矩形截面，其他杆件为圆管截面，选择带肋空心球铸钢相贯节点比较适宜，节点模型如图3。
 

  
图3  鄂尔多斯机场航站楼 铸钢相贯节点模型图
 

铸钢节点的尺寸设计要考虑以下几个方面：
      (1)满足承载力要求。根据铸钢的力学性能指标以及杆件的截面尺寸可以初步计算出各杆件的壁厚。
      (2)满足铸造工艺的要求。为了保证钢液均匀平稳地进入内腔、钢水凝固速度不能太快，铸钢节点的壁厚不宜过薄。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。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。从受力来看，倒角可以减小应力集中的和度，同时还能提高节点的刚度。
      (3)满足焊接工艺要求。铸钢节点中的铸钢管壁厚比相应钢管的要大，厚壁铸钢管口通常要预留焊接槽口，这样与薄壁钢管焊接时，就可以避免产生较大的焊接应力。焊接槽口的具体尺寸根据铸钢管壁厚与相连钢管壁厚确定。
      (4)满足构造要求。即通过三维空间建模辅助设计，保证杆件安装时有足够的空间以方便焊接操作。
综合以上因素，经过尺寸设计的铸钢节点1、铸钢节点2尺寸取值见下表。

表2-1         铸钢节点1尺寸



表2-2         铸钢节点2尺寸

      2．3铸钢节点材料
      目前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。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标准，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S、P的含量，C的含量控制在0.15%-0.2%范围内， S、P含量控制在0.025%以下。
      穹顶主桁架与Y型钢支撑连接的球节点铸钢件材料选用德国标准 DIN EN10293、DIN EN10213-1:1996、DIN EN10213-3:1996中的Gs20Mn5(调质)，其化学成分和机械性能如下：
 

表2-1         Gs20Mn5化学成分（%）表



表2-2         Gs20Mn5力学性能表


 

3节点有限元分析
      3．1计算软件及设计标准
      对节点的有限元分析采用的是ANSYS程序单元库中的三维实体单元SOLID95。每个SOLID95单元有20个节点，每个节点有3个自由度，单元位移模式为二阶。该单元能考虑结构的大变形、大应变以及应力刚化的影响。在有限元分析时采用的材料性能参数，弹性模量E=2.06 ×105N/mm2 ，泊松比υ=0.3。
      网格划分时只要采用的是ANSYS程序的单元划分器中的自由网格划分技术，自由网格划分技术会根据计算模型的实际外形情况自动地决定网格划分的疏密（图4）。
 

图4-1  鄂尔多斯机场航站楼节点1模型（网格划分）

 
图4-2  鄂尔多斯机场航站楼节点2模型（网格划分）
 

节点分析时的边界约束的模拟主要根据节点在整个结构的传力顺序以及节点杆支的刚度，具体而言就是以主要受力构件及即节点中传力最接近支承柱的杆支作为约束端，该约束杆件即为节点中贯通的主受力构件，考虑到整体节点的平衡，约束端采用面约束的形式，约束该管端各节点的三向位移及转角变形。
      分析荷载采用从SAP2000计算模型中导出的杆件内力，考虑取支柱端压弯应力最大和树形柱压弯应力最大的工况，选取较不利的一种进行分析。
      3．2 铸钢节点1有限元分析
      外环铸钢件共计24个，选取其中杆件受力较大的荷载组合进行计算分析。
        （1）荷载选取
 

表3-1   节点1荷载数据

（2）  计算分析

 
图5-1     鄂尔多斯机场航站楼荷载加载示意图

 
图5-2    鄂尔多斯机场航站楼节点变形图
 

图5-3   鄂尔多斯机场航站楼 Von－Mises应力云图
 

该铸钢节点最大位移为0.88mm，最大应力为129.665 <240 。从铸钢节点的主应力云图以及等效应力云图可以看出，最大应力远小于铸钢件的屈服应力，铸钢节点应力分布均匀，强度和刚度能够满足设计要求。
      3．3铸钢节点2有限元分析
      （1）  荷载选取
 

表3-2   节点2荷载数据

（2） 计算分析
 

图6-1  鄂尔多斯机场航站楼 荷载加载示意图
 

图6-2   鄂尔多斯机场航站楼节点变形图
 

图6-3   鄂尔多斯机场航站楼Von－Mises应力云图

      该铸钢件节点最大位移为3.923mm，节点大部分应力均小于200N/?2，局部区域出现应力集中，应力云图符合客观规律，铸钢节点应力分布均匀，强度和刚度能够满足设计要求。
      4  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。
      4．1铸钢节点的铸造工艺
      铸造工艺的基本过程为制模→造型→冶炼→浇注。
      模型的设计与制作是节点铸造的关键步骤。在模型的制作过程中，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。
      目前铸钢件的材质牌号通常参照德国标准，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，采用优质中小废钢，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。
      4．2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。
      4. 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→打磨→抛丸→防锈处理等。
      5 铸钢节点的质量控制与焊接
      5. 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)目前，我国选用铸钢材质时所遵循的标准为德国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)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)对铸件进行无损探伤检测，方法主要为磁粉探伤与射线探伤。
      (4)用二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，以利十节点的安装。
      (5)对铸钢件的铸造内外侧倒角、表面粗糙度进行检测。
      5．2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。
      6 、结语
       铸钢节点的诸多优势已为国内外的大量工程实践所证实。该节点由于在厂内整体浇铸，不仅可根据建筑与结构的需求铸造出各种复杂的外形，而且可免去相贯线切割及重叠焊缝焊接引起的应力集中，因此节点在不同结构形式、不同跨度的空间结构中得到了前所未有的发展。
      本文结合鄂尔多斯机场航站楼工程，提出带肋铸钢球节点的构造和设计方法；运用非线性有限元分析方法，分析带肋铸钢球节点在复杂受力状态下的承载力和变形能力，确定带肋铸钢球节点的受力性能；并详细阐述了铸钢球节点的的制造工艺和技术标准。
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      作者简介：张玉兰，1964.10河北建设集团有限公司建筑设计院，高级工程师，现在天津大学结构工程专业攻读博士。
      联系地址：河北省保定市向阳南大街859号中诚商务中心四楼建筑设计院（071051）。