河北鑄鋼廠家供應(yīng)復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點

鑄鋼節(jié)點的工程應(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)點在我國得到了日益廣泛的應(yīng)用.本文介紹了鑄鋼節(jié)點的應(yīng)用概況，研 究了該類型節(jié)點的特性、分類以及鑄造工藝、并時鑄鋼節(jié)點的設(shè)計提出幾點注意事項，同時還介紹了鑄鋼節(jié)點的試驗概況

關(guān)鍵詞 鑄鋼節(jié)點；鑄鋼空心球管節(jié)點；鑄鋼相貫節(jié)點；張弦桁架

 

 

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)點的連接方式日趨復(fù)雜，傳統(tǒng) 的焊接球節(jié)點、鋼管相貫節(jié)點等各種節(jié)點形式已不能適 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)度及工程造價都有相當(dāng) 大的影響，因此尋找受力合理、施工簡便、造價低的節(jié)點 形式已實際地擺在廣大工程技術(shù)人員面前°隨著鑄造工 藝的提高，鑄鋼節(jié)點以其合理性與實用性越來越受到工 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) 點釆用了該種節(jié)點形式并取得了很好的經(jīng)濟效益目 前，我國對鑄鋼節(jié)點的研究還很缺乏，因此為了適應(yīng)該種 節(jié)點的發(fā)展,對其進(jìn)行理論分析與試驗研究已成為當(dāng)務(wù) 之急。近期我國正準(zhǔn)備編制有關(guān)鑄鋼節(jié)點的規(guī)范，屆時 鑄鋼節(jié)點的設(shè)計、鑄造及施工將有據(jù)可依,進(jìn)一步推動了 鑄鋼節(jié)點在我國的發(fā)展。

1鑄鋼節(jié)點的特點及類型

1.1鑄鋼節(jié)點的特點

在建筑鋼結(jié)構(gòu)中，節(jié)點形式很多，如焊接空心球節(jié) 點、螺栓球節(jié)點、鋼管相貫節(jié)點、焊接鋼板節(jié)點等：鑄鋼 節(jié)點相對這些節(jié)點而言，有其獨特的性能，其主要特點 為：

1） 鑄鋼節(jié)點在工廠內(nèi)整體澆鑄，相對于焊接球節(jié)點 與鋼管相貫節(jié)點，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)點具有良好的適應(yīng)性，節(jié)點設(shè)計自由度大: 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；可 按受力狀況采用最合理的截面形狀，從而改善節(jié)點的應(yīng) 力分布；

3） 建筑結(jié)構(gòu)中鑄鋼節(jié)點的化學(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)點的應(yīng)用范圍廣，不受節(jié)點位置、形狀、尺 寸的限制，既可用于結(jié)構(gòu)中部節(jié)點，也可用于支座節(jié)點：

1.2鑄鋼節(jié)點的類型

建筑結(jié)構(gòu)中鑄鋼節(jié)點的形狀雖然千差萬別，但根據(jù) 內(nèi)部構(gòu)造或節(jié)點形式可將其分類：

鑄鋼節(jié)點根據(jù)節(jié)點的內(nèi)部構(gòu)造可分為實心鑄鋼節(jié) 點、空心鑄鋼節(jié)點、半空心半實心鑄鋼節(jié)點三類：

1） .實心鑄鋼節(jié)點雖然承載力比較大,但由于節(jié)點在 冶煉時需要大量鋼水，不僅造成材料的浪費，而且導(dǎo)致工 程造價的提高。除此之外，該節(jié)點自重大，對整個結(jié)構(gòu)的 受力將產(chǎn)生極其不利的影響。因此實心鑄鋼節(jié)點在工程 中很少被采用；

2） 半空心半實心鑄鋼節(jié)點是在實心節(jié)點的基礎(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)點在桿件的匯交處是實 心的：該節(jié)點的重量與承載力均介于實心鑄鋼節(jié)點和空 心鑄鋼節(jié)點之間；

3）空心鑄鋼節(jié)點是在實心節(jié)點的基礎(chǔ)上，將所有桿 件掏空。該節(jié)點的承載力雖然相對較低，但可大大減少

節(jié)點重量、降低造價。在選擇鑄鋼節(jié)點的類型時，若空心 鑄鋼節(jié)點可滿足強度以及鑄造工藝的要求，應(yīng)優(yōu)先考慮 采用該種節(jié)點形式。

鑄鋼節(jié)點根據(jù)節(jié)點形式可分為鑄鋼空心球管節(jié)點、 鑄鋼相貫節(jié)點、鑄鋼支座節(jié)點三類匚

1）鑄鋼空心球管節(jié)點與我國普遍采用的焊接空心 球節(jié)點有很多相似之處，我們將通過對這兩種冇點的比 較,分析鑄鋼球管節(jié)點的特點。鑄鋼空心球管節(jié)點由于 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)點是先將兩個半球?qū)付煽招那颍缓髮?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)點應(yīng)力分布以及保證鑄鋼件的清理，鑄鋼球 管節(jié)點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)點的剖面圖。

 

圖1鑄鋼球管節(jié)點的剖面圖

 

 

 

圖2鑄鋼相貫節(jié)點的示意圖

 

2）鑄鋼相貫節(jié)點是根據(jù)節(jié)點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 半實心。空心鑄鋼相貫節(jié)點與鋼管相貫節(jié)點有相似之處， 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)點無論是空心還是半空心半實 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)點的強度與剛度，在節(jié)點內(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)點的軸測 圖。

3）鑄鋼支座是一種特殊的節(jié)點形式.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)計是否合理關(guān)系 到整個結(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。

2鑄鋼節(jié)點的材料

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 含量與機械性能指標(biāo)要求最嚴(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 份及機械性能要求見表1、表2所示：

3鑄鋼節(jié)點的生產(chǎn)工藝

鑄鋼節(jié)點的生產(chǎn)工藝主要包括鑄鋼件的鑄造、熱處 理、后處理三個方面。

3.1鑄鋼節(jié)點的鑄造工藝

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)計與制作是節(jié)點鑄造的關(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；同時需加強還原期的脫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 的受力性能。

3.2鑄鋼節(jié)點的熱處理

為了提高鑄鋼件的機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;保溫時間取決于鑄件的 最大壁厚及裝爐堆料情況。

3.3鑄鋼節(jié)點的后處理

鑄鋼件的后處理過程主要包括：清砂-切割澆冒口 -補焊一打磨-拋丸一防銹處理等。

 

4鑄鋼節(jié)點的質(zhì)量控制與焊接

4.1鑄鋼節(jié)點的質(zhì)量控制

質(zhì)量控制是生產(chǎn)合格鑄件的基本保證。為確保鑄鋼 節(jié)點的質(zhì)量,在節(jié)點的生產(chǎn)及安裝過程中主要進(jìn)行以下 幾方面的檢測：

1） 化學(xué)成份的檢驗：目前，我國選用鑄鋼材質(zhì)時遵循 德國標(biāo)準(zhǔn)DIN17182,制作時采用國內(nèi)鋼材，因此對其化 學(xué)成份應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格檢驗，并提供相應(yīng)的化學(xué)成份報告；

2） 力學(xué)性能檢驗:將澆鑄鋼件的同爐鐵水制成標(biāo)準(zhǔn) 試件，進(jìn)行力學(xué)性能檢驗，提供機械性能報告；

3） 無損探傷檢測：對鑄件進(jìn)行無損探傷檢測的方法 主要為磁粉探傷與射線探傷；

4） 幾何尺寸及空間位置檢測：用三維坐標(biāo)儀對鑄鋼 節(jié)點的幾何尺寸及空間位置進(jìn)行檢測，并根據(jù)測量結(jié)果 在鑄鋼件上標(biāo)出定位線，以利于節(jié)點的安裝；

5） 對鑄鋼件的鑄造內(nèi)外側(cè)倒角、表面粗糙度進(jìn)行檢 測。

4.2鑄鋼節(jié)點的焊接

鑄鋼節(jié)點與鋼管的焊接為兩種不同材質(zhì)的焊接，為 了確保焊接質(zhì)量,不僅要嚴(yán)格控制鑄鋼材質(zhì)中C、S、P的 含量，而且對焊條選擇、焊接工藝都要進(jìn)行嚴(yán)格評定。焊 條主要根據(jù)鑄鋼節(jié)點與鋼管的材質(zhì)性能選擇，焊條在使 用前應(yīng)進(jìn)行烘干處理。焊接工藝主要從試件組對、試件 校正、預(yù)留焊接收縮量、焊接定位、焊前防護(hù)、清理、預(yù)熱、 焊接、保溫、檢驗等工序進(jìn)行嚴(yán)格控制：

5鑄鋼節(jié)點在國內(nèi)外工程中的應(yīng)用

在國外，特別是日本、歐盟等國家，鑄鋼節(jié)點在實際 工程中已得到廣泛應(yīng)用。如日本名古屋體育館的單層球 面網(wǎng)殼，其節(jié)點形式采用了帶加勁肋的圓柱狀鑄鋼節(jié)點； 德國斯圖加特機場航站樓的樹狀結(jié)構(gòu)采用了鑄鋼相貫節(jié)
點。近幾年我國在一些大跨度結(jié)構(gòu)中也采用了鑄鋼節(jié) 點，下面根據(jù)收集到的實際工程資料，說明鑄鋼節(jié)點在我 國的應(yīng)用。

上海新國際博覽中心的結(jié)構(gòu)體系為鋼管桁架柔性支 撐體系。單福桁架跨度72m,寬度12m,支座采用球形鑄 鋼節(jié)點支承在下部鋼柱上。除懸臂端外，桁架全部節(jié)點均 采用鑄鋼連接件,其中一期工程的鑄鋼節(jié)點數(shù)目達(dá)到6022 個，節(jié)點重量2166噸。鑄鋼件的材質(zhì)參照德國標(biāo)準(zhǔn)，牌號 為GS20Mn5,節(jié)點類型為半空心半實心的鑄鋼相貫節(jié)點， 圖3為I：海新|耶，|柚覽中心所采用的傳鋼獄

 

圖3上海新國際博覽中心的鑄鋼節(jié)點

 

深圳文化中心展覽廳采用了典型的樹狀結(jié)構(gòu)，高度 為39.6m。該結(jié)構(gòu)的許多節(jié)點由多根桿件以不同角度匯 集而成，形狀復(fù)雜，因此在這些節(jié)點處釆用了鑄鋼連接件| 該工程的樹狀結(jié)構(gòu)中鑄鋼節(jié)點數(shù)目67個，材質(zhì)牌號 GS20Mn5,節(jié)點類型為半空心半實心的鑄鋼相貫節(jié)點，如 圖4所示c.

哈爾濱國際會展中心的主館屋蓋采用了跨度為128m 的張弦立體桁架。張弦桁架的一端被支承在鋼筋混凝土 柱上，另一端支承在人字形鋼柱上張弦桁架兩端與索的 連接節(jié)點、索與桁架桿件相交節(jié)點及兩端支座節(jié)點處均采 用了鑄鋼連接件，其中索與桁架下弦桿件相交處的鑄鋼節(jié) 點類型為鼓形的空心鑄鋼相貫節(jié)點，節(jié)點形狀如圖5所 示。該工程中鑄鋼節(jié)點的材質(zhì)牌號為GS20Mn5c

廣州國際會展中心主體鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用跨度為126m 的張弦桁架，張弦桁架端部既要穿索，又有多根鋼管同時 匯交，同時又要考慮索的張拉與錨固，因此其端部的節(jié)點 采用了鑄鋼連接件，節(jié)點材質(zhì)牌號為GS20Mn5,形狀如圖 6所示：

 

圖6廣州國際會展中心鑄鋼節(jié)點

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) 殼兩著地點及中間不動餃支座斜撐附近的個別節(jié)點處， 其匯交桿件數(shù)量多、桿件截面大，采用常規(guī)節(jié)點均無法滿 足設(shè)計要求，因此結(jié)合工程實際在網(wǎng)殼下弦的端部采用 了鼓形鑄鋼相貫節(jié)點，與支座斜撐相連的下弦節(jié)點采用 鑄鋼空心球管節(jié)點，除此之外在網(wǎng)殼的支座處也采用了 鑄鋼連接件。整個工程兩片對稱的網(wǎng)殼中鑄鋼件的數(shù)目 為28個，節(jié)點的材質(zhì)牌號為GS20Mn5o鑄鋼節(jié)點的形狀 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)點無法滿足設(shè)計要求，為此三 根主管上的節(jié)點采用了鑄鋼相貫節(jié)點，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 采用了鑄鋼空心球管節(jié)點。

深圳游泳跳水館、蘇州體育館、鄭州會展中心、重慶 江北機場、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)點的設(shè)計

6.1鑄鋼節(jié)點的設(shè)計注意事項

鑄鋼節(jié)點有多種類型，不同類型的節(jié)點有不同的設(shè) 計方法。為了使鑄鋼節(jié)點滿足各方面的需要，作者通過 對結(jié)構(gòu)設(shè)計、鑄造與焊接工藝的研究，對鑄鋼節(jié)點的設(shè)計 提出了以下幾點注意事項。

1)鑄鋼節(jié)點的設(shè)計要滿足鑄造工藝的要求

在保證節(jié)點具有足夠強度的條件下，要充分考慮鑄 造工藝。設(shè)計時主要注意以下幾個方面：i)為了保證鋼 液均勻平穩(wěn)地進(jìn)入內(nèi)腔、確保鋼水凝固速度，鑄鋼節(jié)點的 壁厚不易過薄。對空心鑄鋼管來說，其壁厚通常是與之 相連鋼管壁厚的1.5-3倍。ii)為了避免出現(xiàn)尖角及有 利于清砂，鑄鋼節(jié)點的各鑄件之間的內(nèi)外壁都應(yīng)圓滑過 渡，即設(shè)計倒角。根據(jù)倒角半徑的允許范圍，在不影響結(jié) 構(gòu)功能的條件下，可適當(dāng)加大倒角半徑：

2)鑄鋼節(jié)點的焊接接口形式

由于鑄鋼節(jié)點與鋼管要進(jìn)行焊接，而且鑄鋼節(jié)點中 的鑄鋼管壁厚比相應(yīng)鋼管的要大，若將鋼管與鑄鋼件直 接焊接，勢必在此處產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，因此在設(shè)計節(jié) 點時，應(yīng)考慮節(jié)點與鋼管的焊接接口形式。鑄鋼節(jié)點與 鋼管的焊接為對接焊，在鑄鋼節(jié)點與鋼管的焊接處通常 要做焊接槽口，即在焊口部位處，鑄鋼管壁厚應(yīng)平滑過渡 到與鋼管相當(dāng)?shù)谋诤?，槽口尺寸根?jù)鑄鋼管壁厚與相連 鋼管壁厚確定。圖8為鑄鋼節(jié)點中常用的焊接接口形 式：

 

 

鑄鋼節(jié)點的受力分析

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，鑄鋼節(jié)點的計算方法 主要采用有限元法，利用大型通用有限元程序ANSYS、 NASTRAN、COSMOS等進(jìn)行受力分析：在進(jìn)行有限元 分析時，由于鑄鋼節(jié)點的壁相對較厚，單元類型通常選實 體單元，根據(jù)鑄鋼材質(zhì)的屈服強度進(jìn)行彈性或塑性分析。 對那些受力較大、構(gòu)造復(fù)雜的鑄鋼節(jié)點有必要進(jìn)行足尺 試件或縮尺模型的試驗研究。由于鑄鋼具有較好的塑 性，鑄鋼節(jié)點的強度準(zhǔn)則釆用Von Mises屈服準(zhǔn)則，即當(dāng) 計算點的Mises應(yīng)力超過材料強度,認(rèn)為該點進(jìn)入塑性。

 

 

6.2重慶奧林匹克體育中心鑄鋼空心球管節(jié)點 的設(shè)計與計算結(jié)果分析

6.2.1鑄鋼空心球管節(jié)點的設(shè)計

重慶奧林匹克體育中心工程中的兩片網(wǎng)殼共采用了 16個鑄鋼球管節(jié)點,節(jié)點形式為4種.各節(jié)點的設(shè)計與分 析方法都是相同的。本文以受力最大的鑄鋼球管節(jié)點為 例，說明其設(shè)計與有限元分析方法一節(jié)點的幾何形狀如圖 9所示。由圖9可知，該節(jié)點匯交1()根桿件，桿件數(shù)量多、 直徑大，其中最大桿的直徑為720mm,若采用焊接球節(jié)點， 不僅使球徑超過Im,而且由于2、4、6、7、8、9、10號桿的多 向交匯，導(dǎo)致相貫線錯綜復(fù)雜，大大增加了加工的困難以 及焊接工作量，因此將上述幾號桿與球整體澆鑄在一起， 形成鑄鋼節(jié)點。鑄鋼節(jié)點的材質(zhì)參照德國DIN17182標(biāo)準(zhǔn) 中的GS20Mn5，其機械性能指標(biāo)為：屈服強度230MPa，極 限強度450MPa、延伸率22%、D級沖擊功37J該鑄鋼球 管節(jié)點的球徑D取為900mm,球壁厚t為70mm,綜合考 慮安全、經(jīng)濟以及鑄造工藝等方面的因素，鑄鋼管上部(與 鋼管連接處)的厚度取為與之相連鋼管厚度的1.5倍，鑄 鋼管下部(與球連接處)的厚度取為鋼管厚度的2.5倍匚 各鑄鋼管由球面上的伸出長度結(jié)合由滿足施焊構(gòu)造要求 所需的最小長度并考慮鑄造尺寸的統(tǒng)一，取為650mm-鑄 鋼節(jié)點在鑄鋼管與球相交處的內(nèi)外側(cè)以及鑄鋼管與鑄鋼 管搭接處的倒角半徑都取為5()mn\對于1、3號桿因鋼 管管徑較小、管與管之間的夾角較大，直徑9()()nun的鑄鋼 球可滿足焊接空間的要求，因此將鋼管直接焊在鑄鋼節(jié)點 上：該節(jié)點的球體直徑較大，在球內(nèi)設(shè)置十字形加勁肋以 提高節(jié)點強度一上述幾何尺寸初步確定后，采用大型.通用 有限元軟件ANSYS對節(jié)點進(jìn)行有限元分析：對于3根焊 接桿件為了避免或消除邊緣效應(yīng)對節(jié)點力學(xué)性能的影響， 分析時將焊接鋼管的根部與鑄鋼節(jié)點作為整體參與計算， 焊接鋼管材質(zhì)為Q345鋼。由于節(jié)點與多根空間匯交桿件 相連，而且在鑄鋼管與球、鑄鋼管與鑄鋼管相交處都存在 倒角，而ANSYS的前處理器無法對體進(jìn)行倒角，因此為了 使計算結(jié)果符合節(jié)點的真實受力狀態(tài),我們用AutoCAD建 立節(jié)點的實體模型，然后將其存為SAI'文件，直接輸人到 ANSYS中。節(jié)點建模采用十節(jié)點的四面體單元.單元類型 為SOLID187,網(wǎng)格劃分控制單元邊長，采用自由網(wǎng)格劃 分，劃分精度為6。節(jié)點荷載主要根據(jù)結(jié)構(gòu)整體計算的各 種工況，從中選取最不利工況下的桿件內(nèi)力而得到，荷載 的施加是將軸向集中力轉(zhuǎn)換成面荷載加在鑄鋼管及焊接 管的端部。鑄鋼球管節(jié)點是網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的非支座節(jié)點，雖 然節(jié)點匯交各桿的軸力是自身平衡力系，但用ANSYS分 析時，若不施加約束,程序會認(rèn)為節(jié)點不平衡導(dǎo)致計算無 法進(jìn)行。為此在剛度最大桿件的端部施加三方向約束.以 使結(jié)果反映節(jié)點的真實受力狀態(tài);同時為了校核約束桿的 軸向力是否與所受實際荷載相符,Z方向的約束沿桿軸：

6.2.2計算結(jié)果分析

圖1()給出了鑄鋼球管節(jié)點在設(shè)計荷載作用下彈性 計算的Von Mises應(yīng)力分布圖：

 

圖9鑄鋼空心球管節(jié)點的軸測圖

 

圖10鑄鋼球管節(jié)點的Von Mises應(yīng)力分布圖

由應(yīng)力圖可知，節(jié)點的應(yīng)力分布具有以下規(guī)律：

鑄鋼球管節(jié)點的應(yīng)力分布主要劃分為兩類區(qū)域: 鑄鋼管與球面相交的圓環(huán)區(qū)域;遠(yuǎn)離匯交區(qū)的鑄鋼管及球 面區(qū)域一鑄鋼節(jié)點在管球相交區(qū)域的應(yīng)力較大，局部有應(yīng) 力集中，遠(yuǎn)離匯交區(qū)域的鋼管與球體的應(yīng)力水平較低。

焊接管(圖示直徑較小的鋼管)與球交界處由于沒 有倒角，管球連接區(qū)域處的應(yīng)力相對管端施加應(yīng)力，其值 增大明顯，即有嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象;而鑄鋼管在管球相 交處存在倒角，減緩了該處的應(yīng)力集中，改善了節(jié)點的應(yīng) 力分布C，

該節(jié)點在設(shè)計荷載作用下，最大應(yīng)力為295MPa, 雖然應(yīng)力峰值已超過材料的屈服強度，但屈服區(qū)域很少， 只是集中在個別點處，絕大部分區(qū)域的應(yīng)力都在彈性范 圍之內(nèi)。

7鑄鋼節(jié)點的試驗研究

目前，我國還沒有一套成熟的有關(guān)鑄鋼節(jié)點的設(shè)計 方法，為了確保節(jié)點的安全，對那些受力大、構(gòu)造復(fù)雜的 鑄鋼節(jié)點在有限元分析的基礎(chǔ)上有必要做試驗研究，這