大型铸钢节点的设计与分析

大型铸钢节点的设计与分析

陈荣毅

（浙江大学空间结构研究中心杭州310027）

摘要：结合广州国际会展中心工程钢结构中的铸钢节点设计实例，对大型铸钢节点的设计基本原则及受力进 行初步研究与分析，并通过有关试验研究和分析对节点的承载安全性作出判断，给出建议的铸钢节点设计强度 取值和强度判别式准则，为制定相应技术标准和推广应用提供可靠的依据。

关键词：铸钢节点；设计；节点试验；有限元分析；强度准则

1前言

铸钢节点由于具有结构多样化、外形美观、施工 工期短等特点以及良好的适用性，近年在我国大型 钢结构建筑、桥梁等工程中逐渐得到推广应用⑴。然 而目前尚未有一套成熟的铸钢节点设计方法与产品 标准，且在实际荷载作用下铸钢节点的应力状况十 分复杂，直接制约了其推广应用，因此对大型或形状 复杂的铸钢节点有必要进行一系列的设计、制作和 试验研究分析。

本文结合广州国际会展中心工程钢结构中的铸 钢节点设计实例，对大型铸钢节点的设计基本原则 及受力进行了初步研究与分析。通过铸钢节点的试 验研究和分析，对其承载安全性作出判断，并给出建 议的铸钢节点设计强度准则，为制定相应技术标准 和推广应用提供可靠的依据。

2铸钢节点设计基本原则

铸钢节点设计时，在满足铸造工艺要求的同时， 必须充分考虑钢结构在安装施工过程中与节点相关 的每一环节，并根据项目技术要求确定铸造节点基本 设计原则。由于铸造节点的轴线为空间任意方向，因 此必须采用有关软件进行节点的三维实体设计，其 主要基本原则如下：

（1）铸钢节点必须具有可焊性；

（2）节点中各肢杆、拉索套管、筒身等各自中心 线宜相交于空间坐标原点,避免产生偏心扭矩；

（3）肢杆外径应与相应桁架杆件相同，其主要受 力肢杆端面的壁厚宜为相接桁架杆件的2倍，次要 受力的肢杆端面壁厚可与相接桁架杆件壁厚相同；

（4）节点肢杆和桁架杆件间应为对接熔透焊缝， 节点各肢杆在端面应做成适当坡口；

（5）为避免节点模型在断面突变处产生过大的 应力集中，在断面变化处宜采用圆滑曲面过渡；

（6）将设计提供的铸钢节点荷载作用在支座节 点各肢杆的端面上，进行铸钢节点分析和优化设计, 并保证有足够的安全度。

3工程实例

广州国际会议展览中心展览大厅屋盖钢结构釆 用预应力张弦立体桁架结构，跨度126.6m,是目前 国内跨度zuida和zuixin应用的结构形式⑵。该张弦桁 架两端分别搁置在柱顶上，搁置处既是拉索的锚固 点，也是下弦杆、腹杆的交汇点，因此该节点受力复 杂，节点受力分析和设计显得十分重要。设计要求节 点为铸钢节点，材料为ZG200-400铸钢，质量执行 《一般工程用铸造碳钢XGB11352）标准中的有关规 定,详见表lo

表1铸造碳钢件的机械性能表

本工程铸钢节点由多根钢管以不同的空间角度 汇聚于一点，具有形状复杂、尺寸和重量大等特点， 加工制作难度极大。同时,铸钢节点极具观赏性，既 是一件精密的机械零件，又是一件艺术品。

根据设计方案和拉索张拉构造要求进行铸钢 支座的节点设计，如图1所示。本工程设计的铸钢节

为了保证铸钢节点的铸造质量，对该铸钢节点 进行了超声波探伤检测和磁粉探伤检测，结果表明 全部合格,满足本工程设计要求胡。

4试验研究与分析

铸钢节点在荷载作用下能否确保安全，是张弦钢 屋架整体安全性的关键环节之一。本次试验的目的是 确认大跨度张弦桁架结构铸钢支座节点在zuida试验 荷载作用下的承载安全性，如图2~3,因篇幅有限， 本文只列出其试验过程和主要结果。

4.1试验设计

（1）加载方案

图中L型反力架用于平衡锚杆拉力，竖向荷载 则通过竖向反力架予以平衡。

⑵测试方案

铸钢节点上共布置三向应变片79点，共计237 个应变分量,分别测试节点内外表面的应变值。锚杆 的实心圆钢段上分2个截面布置单向应变片,各截面 沿圆周均布4片，用以反算张拉千斤顶的实际拉力， 另外布置6个位移计测试铸钢节点受荷后的空间变 位情况。通过应变采集仪和计算机系统采集数据，在 每级荷载施加后初次采集，间隔Imin后再次采集。 4.2试验结果

⑵材性试验

铸钢参照德国DIN标准制作，共7根试件，材 性试验结果平均值见表2。

衰2材料性能试验结果

（2）应变测试结果

通过对试验数据进行整理，发现直至zuida加载 水平,节点所有测点的应变都保持在弹性范围内，因 此可根据弹性理论将测得的应变换算成应力（弹性 模量 ETSxltFMPa）。

（3）位移计测试结果

共布置6个位移计，测试铸钢节点受荷后的空 间变位情况，结果表明铸钢节点的空间变位均很小, 对节点的测试结果影响很小。

4.3结果分析

在zuida试验荷载作用下，铸钢节点试件测点中 的zuidaMises应力出现在锚盘内侧，约为278MPa, 其原因是锚盘处铸钢节点承载面反侧没有支承，相

其原因是锚盘处铸钢节点承载面反侧没有支承，相 当于中央开口圆板只约束外圆周，而开口边有较大 分布荷载，但所有测点的应力值均小于材料的屈服 强度，节点其它部位应力较小。

6.5铸钢节点焊接性能好，给施工安装带来了极大 的方便；

6.6根据试验结果与有限元分析，对铸钢节点的设 计强度取值和强度判别式提出了建议。

5建议的铸钢节点设计强度准则

从材性试验结果看出，铸钢材料强度指标较稳 定，屈服点平均值为3O6MPa,均方差为8.4MPa,以 屈服点作为设计强度依据，设材料屈服点服从正态 分布，则按97.73%保证率，强度标准值可取 289MPa,取Q235钢材的抗力分项系数1.087,由此 确定节点铸钢的强度设计值。

钢材伸长率远超出22%,故具有良好的塑性，即 使节点内部有局部区域发展塑性，也应能通过应力 重分布有效防止节点破坏。鉴于材料的良好塑性，铸 钢节点的强度判别可以采用塑性条件，即： b,=V[(bi-b2)2+(b2-b3)2+(b3-bi)2]W1.1 丄弥其中b,为Mises应力；亦可按1.087取值。

对本工程铸钢节点进行建模计算，得到zuida设 计荷载下的节点zuida Mises应力b,g=28OMPa,由 上述强度判别式得：

o，或=280 <1.1x(289/1.087)

可以认为节点在设计荷载下是安全的。

6结束语

根据设计要求和铸钢节点设计的基本原则制作 本工程铸钢节点，并进行试验研究与分析，该节点经 同济大学材料性能和模拟加载试验及现场安装施 工，可得出以下结论：

6.1铸钢节点制作外形美观，尺寸准确；

6.2铸钢材料强度指标稳定,试件得到的屈服点均 方差为8.4MPa；

6.3铸钢材料伸长率远超出22%,具有良好的塑性， 能有效防止节点破坏；

6.4在模拟加载试验时，试件的加载大于设计荷载 产生的内力，有限元分析表明，铸钢节点在zuida试验 荷载作用下及zuida设计内力作用下均是安全的；