铸钢节点为在工程上的应用

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。特別是近几年来，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 钢节点己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 点采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；

铸钢节点具有良好的适应性，节点设计自由度大。1) 可根据建筑需要生产出具有复杂外形和内腔的节点；可 按受力状况采用最合理的截面形状.从而改善节点的应 力分布；

2) 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M，使材质具有 良好的塑性、贫J性及可焊性；

3) 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。

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R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•，

半空心半实心铸钢节点是在实心节点的基础上， 在某些部位设罝减重孔。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 位罝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M与承载力均介于实心铸钢节点和空 心铸钢节点之间；

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童、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。

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节点的比 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淸理，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为電庆奥林匹 克体育中心的某一铸钢球管节点的剖面图。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。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。1) 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。

2) 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锰Mn、硅S、铬Cr 等，这些元素不仅提髙了材料的强度，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索钢铸件的标准GB/ T7659、国际标准IS03755、口本标准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最严格。该标准严格控制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N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。冃前，我国建筑用铸钢材质的选 取主要参照徳国DIN17182标准，该标准对材质的化学成 份及机械性能。