鑄鋼節點由于具有結構多樣化、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 鋼結構建筑、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點設計方法與產品 標準，且在實際荷載作用下鑄鋼節點的應力狀況十 分復雜，直接制約了其推廣應用，因此對大型或形狀 復雜的鑄鋼節點有必要進行一系列的設計、制作和 試驗研究分析。

本文結合廣州國際會展中心工程鋼結構中的鑄 鋼節點設計實例，對大型鑄鋼節點的設計基本原則 及受力進行了初步研究與分析。通過鑄鋼節點的試 驗研究和分析，對其承載安全性作出判斷，并給出建 議的鑄鋼節點設計強度準則，為制定相應技術標準 和推廣應用提供可靠的依據。

鑄鋼節點設計基本原則

鑄鋼節點設計時，在滿足鑄造工藝要求的同時， 必須充分考慮鋼結構在安裝施工過程中與節點相關 的每一環節，并根據項目技術要求確定鑄造節點基本 設計原則。由于鑄造節點的軸線為空間任意方向，因 此必須采用有關軟件進行節點的三維實體設計，其 主要基本原則如下：

（1）鑄鋼節點必須具有可焊性；

（2）節點中各肢桿、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）節點肢桿和桁架桿件間應為對接熔透焊縫， 節點各肢桿在端面應做成適當坡口；

（5）為避免節點模型在斷面突變處產生過大的 應力集中，在斷面變化處宜采用圓滑曲面過渡；

（6）將設計提供的鑄鋼節點荷載作用在支座節 點各肢桿的端面上，進行鑄鋼節點分析和優化設計, 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構釆 用預應力張弦立體桁架結構，跨度126.6m,是目前 國內跨度最大和最新應用的結構形式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，因此該節點受力復 雜，節點受力分析和設計顯得十分重要。設計要求節 點為鑄鋼節點，材料為ZG200-400鑄鋼，質量執行 《一般工程用鑄造碳鋼XGB11352）標準中的有關規 定,詳見表lo

表1鑄造碳鋼件的機械性能表

 

本工程鑄鋼節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,鑄鋼節點極具觀賞性，既 是一件精密的機械零件，又是一件藝術品。

根據設計方案和拉索張拉構造要求進行鑄鋼 支座的節點設計，如圖1所示。本工程設計的鑄鋼節

點規格大（在2x2mxlm以上），重量大（張弦梁兩端 節點重量分別為4.5t和6.5t）,采用國產制品，是國 內建筑結構中首次采用的超大型鑄鋼節點。

為了保證鑄鋼節點的鑄造質量，對該鑄鋼節點 進行了超聲波探傷檢測和磁粉探傷檢測，結果表明 全部合格,滿足本工程設計要求胡。

4試驗研究與分析

鑄鋼節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鍵環節之一。本次試驗的目的是 確認大跨度張弦桁架結構鑄鋼支座節點在最大試驗 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果。

4.1試驗設計

（1）加載方案

本試驗的難點在于大噸位加載的實施，實際節 點受到張弦索設計拉力約51OOkN,試驗中設計加載 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,分別測試節點內外表面的應變值。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的實際拉力， 另外布置6個位移計測試鑄鋼節點受荷后的空間變 位情況。通過應變采集儀和計算機系統采集數據，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 性試驗結果平均值見表2。

衰2材料性能試驗結果

 

（2）應變測試結果

通過對試驗數據進行整理，發現直至最大加載 水平,節點所有測點的應變都保持在彈性范圍內，因 此可根據彈性理論將測得的應變換算成應力（彈性 模量 ETSxltFMPa）。

（3）位移計測試結果

共布置6個位移計，測試鑄鋼節點受荷后的空 間變位情況，結果表明鑄鋼節點的空間變位均很小, 對節點的測試結果影響很小。

4.3結果分析

在最大試驗荷載作用下，鑄鋼節點試件測點中 的最大Mises應力出現在錨盤內側，約為278MPa, 其原因是錨盤處鑄鋼節點承載面反側沒有支承，相

 

其原因是錨盤處鑄鋼節點承載面反側沒有支承，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，節點其它部位應力較小。

6.5鑄鋼節點焊接性能好，給施工安裝帶來了極大 的方便；

6.6根據試驗結果與有限元分析，對鑄鋼節點的設 計強度取值和強度判別式提出了建議。

 

 

5建議的鑄鋼節點設計強度準則

 

從材性試驗結果看出，鑄鋼材料強度指標較穩 定，屈服點平均值為3O6MPa,均方差為8.4MPa,以 屈服點作為設計強度依據，設材料屈服點服從正態 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1.087,由此 確定節點鑄鋼的強度設計值。

鋼材伸長率遠超出22%,故具有良好的塑性，即 使節點內部有局部區域發展塑性，也應能通過應力 重分布有效防止節點破壞。鑒于材料的良好塑性，鑄 鋼節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。

對本工程鑄鋼節點進行建模計算，得到最大設 計荷載下的節點最大Mises應力b,g=28OMPa,由 上述強度判別式得：

o■，或=280 <1.1x(289/1.087)

可以認為節點在設計荷載下是安全的。