鑄鋼節(jié)點的工程應用與研究
摘要隨著空間結構的發(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用.本文介紹了鑄鋼節(jié)點的應用概況，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
隨著空間結構的發(fā)展，結構的跨度愈來愈大，形式也 相應增多。特別是近幾年來，新型結構體系不斷出現(xiàn)，使 結構中構件與構件之間節(jié)點的連接方式日趨復雜，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 應現(xiàn)代鋼結構的發(fā)展。眾所周知，節(jié)點構造的好壞對結 構的傳力性能、制作安裝、工程進度及工程造價都有相當 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 程界的關注。在國外，特別是日本、德國等發(fā)達國家，鑄 鋼節(jié)點已得到非常普遍的采用；國內(nèi)鑄鋼件的應用剛剛 興起，近幾年來，在一些大跨度結構中，對受力復雜的節(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，因此為了適應該種 節(jié)點的發(fā)展,對其進行理論分析與試驗研究已成為當務 之急。近期我國正準備編制有關鑄鋼節(jié)點的規(guī)范，屆時 鑄鋼節(jié)點的設計、鑄造及施工將有據(jù)可依,進一步推動了 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
在建筑鋼結構中，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 起的應力集中；
2） 鑄鋼節(jié)點具有良好的適應性，節(jié)點設計自由度大: 可根據(jù)建筑需要生產(chǎn)出具有復雜外形和內(nèi)腔的節(jié)點；可 按受力狀況采用合理的截面形狀，從而改善節(jié)點的應 力分布；
3） 建筑結構中鑄鋼節(jié)點的化學成份要求比其它領 域中的鑄鋼件要高，嚴格限制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)點的應用范圍廣，不受節(jié)點位置、形狀、尺 寸的限制，既可用于結構中部節(jié)點，也可用于支座節(jié)點：
1.2鑄鋼節(jié)點的類型
建筑結構中鑄鋼節(jié)點的形狀雖然千差萬別，但根據(jù) 內(nèi)部構造或節(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，而且導致工 程造價的提高。除此之外，該節(jié)點自重大，對整個結構的 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)點的基礎上， 在某些部位設置減重孔。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�，然后�?鋼管進行加工后，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�？招蔫T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 傳遞給下部結構的重要傳力構件，其設計是否合理關系 到整個結構的安全。鑄鋼支座主要應用在網(wǎng)架、網(wǎng)殼與 下部結構的結合處、張弦桁架端部、梁柱結合處等，其形 式差別較大，很難一概而論，視具體的結構要求進行設 計。
2鑄鋼節(jié)點的材料
鑄造材料按照鋼的化學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性能較差以及對 大截面構件無法通過熱處理進行強化，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)標準很多：如1987 年我國制定的焊接鋼結構用碳素鋼鑄件的國家標準GB/ T7659、國際標準ISO3755、日本標準JISG5102、美國標準 ASTM A216、德國標準DIN17182。通過對各國標準的比 較.我們發(fā)現(xiàn)德國標準（歐盟標準）中的鑄鋼件化學成份 含量與機械性能指標要求嚴格。該標準嚴格控制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)，比其它各國標準低0.05%左右；S、P含量控制在0. 020%以下，而其它各國標準均控制在0.045%以下。嚴 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:滿足結構的受力性能；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標準，該標準對材質(zhì)的化學成 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。
模型的設計與制作是節(jié)點鑄造的關鍵步驟：在模型 制作過程中，應嚴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 表面應涂刷合適的涂料。
目前鑄鋼件的材質(zhì)通常參照德國標準，該標準對S. P的含量限制非常嚴格。為確保材質(zhì)的化學成份符合設 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， 應將鋼水澆遍，以防鋼水凝固后出現(xiàn)空洞，嚴重影響節(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 起的鑄造應力，對鑄鋼件應進行熱處理。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 學成份、鑄件的形狀與斷面大小;保溫時間取決于鑄件的 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
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)殼結構。由于結構跨度大，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 足設計要求，因此結合工程實際在網(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構為平行鋼空腹箱 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到 1000mm,采用鋼管相貫節(jié)點無法滿足設計要求，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鍵部位也都采用了 鑄鋼連接件，在此不再詳細敘述C
6鑄鋼節(jié)點的設計
