铸钢节点的设计以及在工程中的应用
摘要：铸钢节点是我国钢结构中新兴的一种节点形式。通过对铸钢节点的研究，提出了铸钢节点的一
般设计准则；分析了铸钢空心球管节点、铸钢相贯节点的特点，并给出了相应的设计方法；后介绍了铸钢节
点的质量控制与焊接，不仅可为即将编制的铸钢节点规范提供参考，而且对今后指导铸钢节点的设计具有积 极作用。
关键词：铸钢节点,铸钢空心球管节点,铸钢相贯节点有限元
节点、螺栓球节点、钢管相贯节点、焊接钢板节点。 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）铸钢节点在厂内整体浇铸，相对焊接球 节点与钢管相贯节点而言，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；可按受力状况釆用 合理的截面形状,从而改善节点的应力分布。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。
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
随着建筑业的飞速发展，为了满足建筑造型及 功能要求，新型建筑体系不断出现，结构跨度愈来愈
大,这将使连接各构件的节点构造日趋复杂，传统的 节点形式已不能满足现代结构发展的要求。铸钢节
点作为我国新兴的节点形式以其特有的优点在工程 应用中显示出合理性与适应性，不仅解决了焊接球
节点由于结构跨度的增大使球径过大的困难，而且 可解决钢管相贯节点由于进行相贯线的切割导致施
工不便的问题。随着铸造工艺的提高，铸钢节点在 工程中将得到日趋广泛的应用。然而我国对这方面
的研究很少，还没有相关文献从结构设计方面系统 研究铸钢节点。目前，为了适应铸钢节点的快速发
展,我国准备编制铸钢节点规范，因此对铸钢节点的 研究势在必行。本文从铸钢节点的特点、设计、质量
控制、焊接等方面进行系统研究，提出了铸钢节点的 设计准则，不仅为该种节点在工程中的推广应用提
供指导，而且为今后规范的编制提供参考。
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
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釆用。
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;减重孔位置应避开各杆件的汇交处，即节点在杆 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，但可大大减轻节点重量、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，应优先考虑釆用该种节点形式。
铸钢节点根据节点形式主要分为铸钢空心球管 节点、铸钢相贯节点、铸钢支座节点。
1）铸钢空心球管节点与我国普遍釆用的焊接空 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。
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。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。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 奥体中心铸钢相贯节点的轴测图。
图2铸钢相贯节点的轴测示意
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铸钢节点在我国实际工程中的应用
在大跨度结构中，铸钢节点已得到广泛应用。 我国应用铸钢节点的主要工程如表1所示。
表1铸钢节点的工程应用■
工程名称
铸钢节点类型
铸钢节
点材质
上海新国际博览中心
半空心半实心铸钢相贯 节点、铸钢支座
gs20mn5
哈尔滨国际会展中心
空心铸钢相贯节点、铸钢支座
gs20mn5
广州国际会展中心
空心铸钢相贯节点、铸钢支座
gs20mn5
深圳文化中心黄金树
半空心半实心铸钢相贯节点
重庆奥林匹克体育中心
铸钢空心球管节点、铸钢相贯 节点、铸钢支座
gs20mn5
南京奥林匹克体育中心铸钢空心球管节点、铸钢相贯节点gs20mn5
表3所示。
表2化学成分
%
牌号
c
si mr
i p
s cr
mo
ni
gs16mn5
0.15 ~ 0,20
w0.60 1.00~
1.50 《0.020
w0.015 《0.3
《0.15
《0.40
gs20mn5
0.17-0,23
w0.60 1.00-
1.50 wo.020
w0.015 《0.3
《0.15
《0.40
表3机械性能
热处理状态
铸件壁厚
屈服强度/mpa
抗拉强度/mpa
延伸率/%
冲击功/j
正火
y 50
n260
430 ~ 600
a 25
n65
50 < y 100
n230
430 - 600
五25
>45
gs20mn5
正火
y 50
n300
500~ 650
>22
>55
>280
500 ~ 650
2 22
100 < iw 160
n260
480 ~ 630
'20
>35
z>160
n24o
450-600
gs20mn5
调质
z w50
n360
2=24
n70
50 < z w 100
,300
500 - 650
2 24
>50
100 < z《160
3s 280
500 ~ 650
>22
n40
从表中可以看出，德国标准相对其他各国标准, 对材料的c、s、p含量限制比较严格，从而保证铸钢
件具有良好的机械性能与可焊性。
2） 铸钢节点的设计要满足铸造工艺的要求
在保证节点具有足够强度的条件下，要充分考 虑铸造工艺。设计时需注意以下几个方面：
为了保证钢液均匀平稳地进入内腔、确保钢水 凝固速度,铸钢节点的壁厚不易太薄。对空心铸钢
管来说，其壁厚通常是与之相连钢管壁厚的1.5~3 倍。
为了避免出现尖角及有利于清砂，铸钢节点的 各铸件之间的内外壁都应圆滑过渡，即设计倒角。
根据倒角半径的允许范围，在不影响结构功能的条 件下，可适当加大倒角半径。
3） 铸钢节点的焊接接口形式
由于铸钢节点与钢管要进行焊接，而且铸钢节
点中的铸钢管壁厚比相应钢管的要大，若将钢管与铸钢件直接焊接，势必在此处产生较大的焊接应力，
因此在设计节点时，应考虑节点与钢管的焊接接口 形式。铸钢节点与钢管的焊接为对接焊，在铸钢节
点与钢管的焊接处通常要做焊接槽口。图3为铸钢 节点中常用的焊接槽口形式。
4）铸钢节点的受力分析
随着计算机技术的快速发展，铸钢节点的计算 方法主要采用有限元法，利用大型通用有限元程序
ansys、nastran、cosmos等进行受力分析。在进 行有限元分析时，由于铸钢节点的壁相对较厚，单元
类型通常选实体单元，根据铸钢材质的屈服强度进 行弹性或塑性分析。对那些受力较大、构造复杂的
铸钢节点有必要进行足尺试件或缩尺模型的试验研 究。由于铸钢具有较好的塑性，铸钢节点的强度准 则采用von
mises屈服准则，即当计算点的mises应 力超过材料强度，认为该点进入塑性。
3.2铸钢空心球管节点的设计
3.2.1受力特性
由于球节点的多向受力受单向受力控制，因此 分析铸钢空心球管节点的力学特性与承载力以单向
受力为主。作者通过对40种不同规格的铸钢球管 节点在单向受力下的非线性有限元分析，得出如下 结论（具体分析过程见文献［5］）：
1） 铸钢球管节点由于球壁较厚，节点无论受压 还是受拉,其破坏形式都为强度破坏。
2） 在保证材料质量、铸造工艺及安装精度的条 件下，影响节点承载力的主要因素是:铸钢材质的抗
拉设计强度八空心球外径。、空心球壁厚，、与空心 球相连的铸钢管外径d、铸钢管与空心球相交处的 外侧倒角半径铸钢空心球管节点的承载力与各
影响因素之间的关系是（当其他的影响因素不变 时）：节点承载力随材质强度/的增大而增大；节点
承载力随铸钢球外径d的增大而降低，但变化不明 显；节点承载力随铸钢球壁厚t的增大而增大;节点
承载力随铸钢管直径d的增大而增大；节点承载力 随铸钢管与球外侧倒角半径r的增大而增大。
3.2.2构造要求
1） 铸钢空心球外径d
由于铸钢管与球整体浇铸在一起，球的直径不 再受构造上要求的连接于同一球上的各杆件之间空
隙不小于10mm的限制。铸钢空心球外径的确定主 要考虑与之相连的大钢管的管径、节点强度、铸造 工艺、节点重量等因素。
2） 铸钢空心球壁厚t
空心球壁厚在满足节点承载力的要求下，要充分 考虑节点的铸造工艺，壁不易过薄，其壁厚比相应焊
接球的要大，〃的比值已超出工程中的薄壳范围。
3） 铸钢管从球面上的伸出长度l
当铸钢管的伸出长度受施焊空间要求的限制 时，确定方法是用满足施焊构造要求所需焊接球的
半径减去已经确定的铸钢球半径，即得到铸钢管从 球面上的小伸岀长度。若铸钢管的长度不受施焊
空间限制，伸出长度的确定主要考虑节点重量，£不 宜过长。
4） 铸钢管壁厚8
虽然铸钢管壁厚5对节点承载力影响不大，但为 了保证铸钢管具有足够的强度以及铸造工艺的要求,
铸钢管的壁厚通常是与之相连钢管壁厚的1.5 ~ 3倍。
5） 其他
对于球径与杆件内力较大的铸钢球管节点，为 了提高节点的承载力，在球内部可设置铸钢加劲肋。
4铸钢节点的质量控制与焊接
4.1铸钢节点的质量控制
质量控制是生产合格铸件的基本保证。为确保 铸钢节点的质量，在节点的生产及安装过程中主要
进行以下几方面的检测：1）目前，我国选用铸钢材质 时所遵循的标准为德国din17182,制作时采用国内
钢材，因此对其化学成分应进行严格检验，并提供相 应的化学成分报告。2）将浇铸钢件的同炉铁水制成
4结语
1） 通过试验研究及与文献［2］中试验对比分析，带环板 的梁柱节点在板柱交接处裂缝出现时间较不带环板要晚，且
不带环板的节点在板柱交接处会产生贯通的环形裂缝，而带 环板的梁柱节点在板柱交接处裂缝没有贯通，裂缝宽度也较
小。因此，带环板的节点能有效延缓裂缝的出现并防止裂缝 开展过快；
2） 带环板的节点传力途径明确、简捷而可靠，能满足现 有规范关于承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求。
标准试件，进行力学性能检验，提供机械性能报告。
3）对铸件进行无损探伤检测，方法主要为磁粉探伤 与射线探伤。4）用三维坐标仪对铸钢节点的几何尺
寸及空间位置进行检测，并根据测量结果在铸钢件 上标出定位线，以利于节点的安装。
4.2铸钢节点的焊接
铸钢节点与钢管的焊接为两种不同材质的焊 接，为了确保焊接质量，不仅要严格控制铸钢材质中
c、s、p的含量，而且对焊条选择、焊接工艺都要进行 严格评定。焊条主要根据铸钢节点与钢管的材质性
能选择，焊条在使用前应进行烘干处理。焊接工艺 主要从试件组对、试件校正、预留焊接收缩量、焊接
定位、焊前防护、清理、预热、焊接、保温、检验等工序 进行严格控制。
5结语
1） 随着铸造工艺的不断提高，铸钢节点在我国 将得到越来越广泛的应用，特别是在大跨度、节点构
造复杂的结构中更加受到设计师们的青睐。
2） 铸钢节点的设计主要考虑材质选择、节点强 度、铸造工艺、焊接工艺四方面要求。铸钢材料需严
格控制c、s、p的含量，确保节点具有良好的塑性、 韧性及可焊性。铸钢节点设计在保证节点强度下，
要充分考虑铸造工艺与焊接工艺，达到三者完美 的组合。
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18932792579