铸钢节点的工程应用与研究

摘要随着空间结构的发展，铸造工艺的提高，铸钢节点在我国得到了日益广泛的应用.本文介绍了铸钢节点的应用概况，研究了该类型节点的特性、分类以及铸造工艺、并时铸钢节点的设计提出几点注意事项，同时还介绍了铸钢节点的试验概况

随着空间结构的发展，结构的跨度愈来愈大，形式也相应增多。特别是近几年来，新型结构体系不断出现，使结构中构件与构件之间节点的连接方式日趋复杂，传统的焊接球节点、钢管相贯节点等各种节点形式已不能适应现代钢结构的发展。众所周知，节点构造的好坏对结构的传力性能、制作安装、工程进度及工程造价都有相当大的影响，因此寻找受力合理、施工简便、造价低的节点形式已实际地摆在广大工程技术人员面前°随着铸造工艺的提高，铸钢节点以其合理性与实用性越来越受到工程界的关注。在国外，特别是日本、德国等发达国家，铸钢节点已得到非常普遍的采用；国内铸钢件的应用刚刚兴起，近几年来，在一些大跨度结构中，对受力复杂的节点釆用了该种节点形式并取得了很好的经济效益目前，我国对铸钢节点的研究还很缺乏，因此为了适应该种节点的发展,对其进行理论分析与试验研究已成为当务之急。近期我国正准备编制有关铸钢节点的规范，届时铸钢节点的设计、铸造及施工将有据可依,进一步推动了铸钢节点在我国的发展。

1铸钢节点的特点及类型

1.1铸钢节点的特点

在建筑钢结构中，节点形式很多，如焊接空心球节点、螺栓球节点、钢管相贯节点、焊接钢板节点等：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）铸钢节点在工厂内整体浇铸，相对于焊接球节点与钢管相贯节点，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: 可根据建筑需要生产出具有复杂外形和内腔的节点；可按受力状况采用合理的截面形状，从而改善节点的应力分布；

3）建筑结构中铸钢节点的化学成份要求比其它领域中的铸钢件要高，严格限制C、S、P的含量，使材质具有良好的塑性、韧性及可焊性；

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铸钢节点的类型

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） .实心铸钢节点虽然承载力比较大,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采用；

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、椭球面等；减重孔位置应避开各杆件的汇交处，节点在杆件的汇交处是实心的：该节点的重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相对较低，但可大大减少

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，应优先考虑采用该种节点形式。

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、铸钢支座节点三类匚

1）铸钢空心球管节点与我国普遍采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冇点的比较,分析铸钢球管节点的特点。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：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圆滑过渡，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。

图1铸钢球管节点的剖面图

图2铸钢相贯节点的示意图

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c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：图2为重庆奥林匹克体育中心铸钢相贯节点的轴测图。

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，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铸钢节点的材料

铸造材料按照钢的化学成份分为铸造碳钢和铸造低合金钢。由于铸造碳钢的淬透性与力学性能较差以及对大截面构件无法通过热处理进行强化，因此铸造材料主要采用低合金钢，其主要的合金元素为锭Mn、硅Si、铭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。铸钢件材质标准很多：如1987 年我国制定的焊接钢结构用碳素钢铸件的国家标准GB/ T7659、国际标准ISO3755、日本标准JISG5102、美国标准 ASTM A216、德国标准DIN17182。通过对各国标准的比较.我们发现德国标准（欧盟标准）中的铸钢件化学成份含量与机械性能指标要求严格。该标准严格控制C及有害元素S、P的含量:C的含量控制在0.15%0.2%范围内，比其它各国标准低0.05%左右；S、P含量控制在0. 020%以下，而其它各国标准均控制在0.045%以下。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DIN17182标准，该标准对材质的化学成份及机械性能要求见表1、表2所示：

3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。

3.1铸钢节点的铸造工艺

铸造工艺的基本过程为:制模一造型-冶炼一浇注。

模型的设计与制作是节点铸造的关键步骤：在模型制作过程中，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.釆用优质中小废钢，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。

3.2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壁厚及装炉堆料情况。

3.3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 -补焊一打磨-抛丸一防锈处理等。

4铸钢节点的质量控制与焊接

重庆奥林匹克体育中心的屋盖采用了跨度为312m 的双向平行弦钢管网壳结构。由于结构跨度大，在距网壳两着地点及中间不动饺支座斜撑附近的个别节点处，其汇交杆件数量多、杆件截面大，采用常规节点均无法满足设计要求，因此结合工程实际在网壳下弦的端部采用了鼓形铸钢相贯节点，与支座斜撑相连的下弦节点采用铸钢空心球管节点，除此之外在网壳的支座处也采用了铸钢连接件。整个工程两片对称的网壳中铸钢件的数目为28个，节点的材质牌号为GS20Mn5o铸钢节点的形状如图7所示。

南京奥林匹克体育中心的屋顶结构为平行钢空腹箱梁和环向支撑杆件组成的马鞍形屋面，支承在跨度为 360m,与水平面成45°倾斜的钢拱和体育场周边的“V“形支撑上。由于曲拱的跨度大，拱中三根主管直径均达到 1000mm,采用钢管相贯节点无法满足设计要求，为此三根主管上的节点采用了铸钢相贯节点，除此之外马鞍形屋面的箱形梁与外圆周边的环形边梁和V形支撑的节点采用了铸钢空心球管节点。

深圳游泳跳水馆、苏州体育馆、郑州会展中心、重庆江北机场、新疆体育中心等工程在关键部位也都采用了铸钢连接件，在此不再详细叙述C

6铸钢节点的设计