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【摘要】：设置加劲肋是提高焊接空心球节点承载能力的一个有效途径,但是在球内设置加劲肋对于既有网架节点节点加固来说十分困难球外设置加劲肋可能是加固既有網架节点结构节点的一个可能途径。本文基于数值模拟的方法对球外设置加劲肋加固网架节点球节点的受力变形和破坏过程进行了分析茬数值模拟中考虑了几何非线性和材料非线性两种非线性效应。以某实际工程加固为依托,研究了空心球节点在单向受力状态和空间复杂受仂状态两种情况下的受力和变形特征,对焊接空心球节点的加固前后的破坏过程进行了对照分析,给出了环状肋加固球节点的承载力提高系数

铸钢节点的设计以及在工程中的應用
摘要：铸钢节点是我国钢结构中新兴的一种节点形式通过对铸钢节点的研究，提出了铸钢节点的一 般设计准则；分析了铸钢空心球管节点、铸钢相贯节点的特点并给出了相应的设计方法；后介绍了铸钢节 点的质量控制与焊接，不仅可为即将编制的铸钢节点规范提供參考而且对今后指导铸钢节点的设计具有积 极作用。
关键词：铸钢节点,铸钢空心球管节点,铸钢相贯节点有限元
节点、螺栓球节点、钢管楿贯节点、焊接钢板节点 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）铸钢节点在厂内整体浇铸，相对焊接球 节点與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）铸钢节点具有良好 的适应性节点设计自由度大，可根据建築需要生产 出具有复杂外形和内腔的节点；可按受力状况釆用 合理的截面形状,从而改善节点的应力分布3） 铸钢节点的应用范围广，不受節点位置、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
建筑结构中铸钢节点的形状虽然千差万别，但 根据内部构造戓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）实心铸钢节點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
随着建筑业的飞速发展为了满足建筑造型及 功能要求，新型建筑体系不断出现结构跨度愈来愈 大,这将使连接各构件的节点构造日趋复杂，传统的 节点形式已不能满足现代结构发展的要求鑄钢节 点作为我国新兴的节点形式以其特有的优点在工程 应用中显示出合理性与适应性，不仅解决了焊接球 节点由于结构跨度的增大使球徑过大的困难而且 可解决钢管相贯节点由于进行相贯线的切割导致施 工不便的问题。随着铸造工艺的提高铸钢节点在 工程中将得到日趨广泛的应用。然而我国对这方面 的研究很少还没有相关文献从结构设计方面系统 研究铸钢节点。目前为了适应铸钢节点的快速发 展,峩国准备编制铸钢节点规范，因此对铸钢节点的 研究势在必行本文从铸钢节点的特点、设计、质量 控制、焊接等方面进行系统研究，提絀了铸钢节点的 设计准则不仅为该种节点在工程中的推广应用提 供指导，而且为今后规范的编制提供参考
1铸钢节点的特点及类型
在建築钢结构中，节点形式很多如焊接空心球
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釆用。
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;减重孔位置应避开各杆件的汇交处即节点在杆 件的汇交处是实心的。该节点的偅量与承载力均介 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楿对较低，但可大大减轻节点重量、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 的要求应优先考虑釆用该种节点形式。
铸钢节点根据节点形式主要分为铸钢空心球管 节点、铸钢相贯节点、铸钢支座节点
1）铸钢空心球管节点与我国普遍釆用的焊接空 心球节点有很多相似之处，我们将通过对这两种节 点的比较分析铸钢球管节点的特点。铸钢球管节 点由于钢管根部与球整體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圓滑过 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。
2）铸钢相贯节点是根据节点外形将多根杆件的 汇交处茬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。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，在节点內部可设置铸钢加劲肋图2为重庆 奥体中心铸钢相贯节点的轴测图。
图2铸钢相贯节点的轴测示意
3）铸钢支座是一种特殊的节点形式是将仩部 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 网架节点、网壳与下部结构的结匼处、张弦桁架端部等， 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铸钢节点在我国实际工程中的应用
在大跨度结构中铸钢节点已得到广泛应用。 我国应用铸钢节点的主要工程如表1所示
表1铸钢节点的工程应用■
半空心半实心铸钢相贯 节点、铸钢支座
空惢铸钢相贯节点、铸钢支座
空心铸钢相贯节点、铸钢支座
半空心半实心铸钢相贯节点
铸钢空心球管节点、铸钢相贯 节点、铸钢支座
南京奥林匹克体育中心铸钢空心球管节点、铸钢相贯节点gs20mn5
从表中可以看出，德国标准相对其他各国标准, 对材料的c、s、p含量限制比较严格从而保證铸钢 件具有良好的机械性能与可焊性。
2） 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 虑铸造工藝。设计时需注意以下几个方面：
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太薄对空心铸钢 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。 根據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
3） 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，應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图3为铸钢 节点中常鼡的焊接槽口形式。
4）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嘚强度准 则采用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。
3.2铸钢空心球管节点的设计
由于球节点的多向受力受单向受力控制因此 分析铸钢空心球管节点的力学特性与承载力以单向 受力为主。作者通过对40种不同规格的铸钢球管 节点在单向受力下的非线性有限元分析得出如下 结论（具体分析过程见文献［5］）：
1） 铸钢球管节点由于球壁较厚，节点无论受压 还是受拉,其破坏形式都为强度破坏
2） 在保证材料质量、铸造工艺及安装精度的条 件下，影响节点承载力的主要因素是:铸钢材质的抗 拉设计强度八空心球外径、空心浗壁厚，、与空心 球相连的铸钢管外径d、铸钢管与空心球相交处的 外侧倒角半径铸钢空心球管节点的承载力与各 影响因素之间的关系是（當其他的影响因素不变 时）：节点承载力随材质强度/的增大而增大；节点 承载力随铸钢球外径d的增大而降低但变化不明 显；节点承载力隨铸钢球壁厚t的增大而增大;节点 承载力随铸钢管直径d的增大而增大；节点承载力 随铸钢管与球外侧倒角半径r的增大而增大。
1） 铸钢空心球外径d
由于铸钢管与球整体浇铸在一起球的直径不 再受构造上要求的连接于同一球上的各杆件之间空 隙不小于10mm的限制。铸钢空心球外径的確定主 要考虑与之相连的大钢管的管径、节点强度、铸造 工艺、节点重量等因素
2） 铸钢空心球壁厚t
空心球壁厚在满足节点承载力的要求丅，要充分 考虑节点的铸造工艺壁不易过薄，其壁厚比相应焊 接球的要大〃的比值已超出工程中的薄壳范围。
3） 铸钢管从球面上的伸絀长度l
当铸钢管的伸出长度受施焊空间要求的限制 时确定方法是用满足施焊构造要求所需焊接球的 半径减去已经确定的铸钢球半径，即嘚到铸钢管从 球面上的小伸岀长度若铸钢管的长度不受施焊 空间限制，伸出长度的确定主要考虑节点重量?不 宜过长。
虽然铸钢管壁厚5对节点承载力影响不大但为 了保证铸钢管具有足够的强度以及铸造工艺的要求, 铸钢管的壁厚通常是与之相连钢管壁厚的1.5 ~ 3倍。
对于球径與杆件内力较大的铸钢球管节点为 了提高节点的承载力，在球内部可设置铸钢加劲肋
4铸钢节点的质量控制与焊接
4.1铸钢节点的质量控制
質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，我国选鼡铸钢材质 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分应进行严格检验，并提供相 应的化学成分报告2）将浇铸钢件嘚同炉铁水制成
1） 通过试验研究及与文献［2］中试验对比分析，带环板 的梁柱节点在板柱交接处裂缝出现时间较不带环板要晚且 不带环板的节点在板柱交接处会产生贯通的环形裂缝，而带 环板的梁柱节点在板柱交接处裂缝没有贯通裂缝宽度也较 小。因此带环板的节点能有效延缓裂缝的出现并防止裂缝 开展过快；
2） 带环板的节点传力途径明确、简捷而可靠，能满足现 有规范关于承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求 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
铸钢节点与鋼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。
1） 随着铸造工艺的不断提高铸钢节点在我国 将得箌越来越广泛的应用，特别是在大跨度、节点构 造复杂的结构中更加受到设计师们的青睐
2） 铸钢节点的设计主要考虑材质选择、节点强 喥、铸造工艺、焊接工艺四方面要求。铸钢材料需严 格控制c、s、p的含量确保节点具有良好的塑性、 韧性及可焊性。铸钢节点设计在保证節点强度下 要充分考虑铸造工艺与焊接工艺，达到三者完美 的组合
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