鑄鋼節點為在工程上的應用

隨著空間結構的發展，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，使 結構中構件與構件之間節點的連接方式日趨復雜，傳統 的焊接球節點、鋼管相貫節點等各種節點形式已不能適 應現代鋼結構的發展。眾所周知，節點構造的好壞對結 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、德國等發達國家，鑄 鋼節點己得到非常普遍的采用；國內鑄鋼件的應用剛剛 興起，近幾年來,在一些大跨度結構中，對受力復雜的節 點采用了該種節點形式并取得了很好的經濟效益。目前，我國對鑄鋼節點的研究還很缺乏，因此為了適應該節點的發展，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點的規范，屆時鑄鋼節點的設計、鑄造及施工將有據可依，進一步推動了鑄鋼節點在我國的發展。

1鑄鋼節點的特點及類型 1.1鑄鋼節點的特點

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

1) 鑄鋼節點在工廠內整體澆鑄，相對于焊接球節點 與鋼管相貫節點，可免去相貫線切割及重疊焊縫焊接引 起的應力集中；

鑄鋼節點具有良好的適應性，節點設計自由度大。1) 可根據建筑需要生產出具有復雜外形和內腔的節點；可 按受力狀況采用最合理的截面形狀.從而改善節點的應 力分布；

2) 建筑結構中鑄鋼節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M，使材質具有 良好的塑性、貧J性及可焊性；

3) 鑄鋼節點的應用范圍廣，不受節點位置、形狀、尺 寸的限制，既可用于結構中部節點,也可用于支座節點。

1.2鑄鋼節點的類型

建筑結構中鑄鋼節點的形狀雖然千差萬別，但根據 內部構造或節點形式可將其分類。

鑄鋼節點根據節點的內部構造可分為實心鑄鋼節 點、空心鑄鋼節點、半空心半實心鑄鋼節點三類。

實心鑄鋼節點雖然承載力比較大，但由于節點在 冶煉時需要大量鋼水，不僅造成材料的浪費，而R導致工 程造價的提高。除此之外，該節點自重大，對整個結構的 受力將產生極其不利的影響。因此實心鑄鋼節點在工程 中很少被采用?，

半空心半實心鑄鋼節點是在實心節點的基礎上， 在某些部位設罝減重孔。為了避免出現尖角.減重孔的 內表面通常為光滑的曲面，如拋物面、橢球面等;減重孔 位罝應避開各桿件的匯交處，節點在桿件的匯交處是實 心的。該節點的重M與承載力均介于實心鑄鋼節點和空 心鑄鋼節點之間；

空心鑄鋼節點是在實心節點的基礎上，將所有桿 件掏空。該節點的承載力雖然相對較低，但可大大減少節點重童、降低造價。在選擇鑄鋼節點的類型時.若空心 鑄鋼節點可滿足強度以及鑄造工藝的要求，應優先考慮 采用該種節點形式。

鑄鋼節點根據節點形式可分為鑄鋼空心球管節點、 鑄鋼相貫節點、鑄鋼支座節點三類。

1) 鑄鋼空心球管節點與我國普遍采用的焊接空心 球節點有很多相似之處，我們將通過對這兩種節點的比 較，分析鑄鋼球管節點的特點。鑄鋼空心球管節點由于 鋼管根部與球整體澆鑄在一起，焊縫位于鑄鋼管上。焊 接空心球節點是先將兩個半球對焊而成空心球，然后將 鋼管進行加工后，直接焊在球上，焊縫位于管、球相交處。 為了改善節點應力分布以及保證鑄鋼件的淸理，鑄鋼球管節點在鑄鋼管與球交界處、鑄鋼管與鑄鋼管搭接處的 內外側都有圓滑過渡，即存在倒角。圖1為電慶奧林匹 克體育中心的某一鑄鋼球管節點的剖面圖。鑄鋼相貫節點是根據節點外形將多根桿件的匯 交處在廠內澆鑄而成，內腔可以是空心，也可以是半空心 半實心。空心鑄鋼相貫節點與鋼管相貫節點有相似之處， 但兩者之間存在根本區別。鋼管相貫節點是主管直通， 支管加工成相貫面后，直接與主管焊接。而鑄鋼相貫節 點可根據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。1) 該節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 了提高節點的強度與剛度，在節點內部可設置鑄鋼加勁 肋。圖2為重慶奧林匹克體育中心鑄鋼相貫節點的軸測 圖。

2) 鑄鋼支座是一種特殊的節點形式，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架、網殼與 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錳Mn、硅S、鉻Cr 等，這些元素不僅提髙了材料的強度，而且大大改善了鑄 鋼的塑性、韌性及可焊性。鑄鋼件材質標準很多：如1987 年我國制定的焊接鋼結構用碳索鋼鑄件的標準GB/ T7659、國際標準IS03755、口本標準JISG5102、美國標準 ASTM A216、德國標準DIN17182。通過對各國標準的比 較，我們發現德國標準（歐盟標準）中的鑄鋼件化學成份 含量與機械性能指標要求最嚴格。該標準嚴格控制C及 有害元素S、P的含M:C的含童控制在0.15%0.2%范圍 內，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，而且確保了節點的可焊性，以滿足鑄鋼件與鋼管兩種 不同材質的焊接要求。建筑用鑄鋼件在材料選取上主要 需考慮兩方面N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。冃前，我國建筑用鑄鋼材質的選 取主要參照徳國DIN17182標準，該標準對材質的化學成 份及機械性能。