建筑结构铸钢节点设计课件

引言随着建筑业的飞速发展，为了满足建筑造型及功能要求，新型结构体系不断出现，特别是近几年来，随着空间结构的不断发展，结构跨度愈来愈大，使结构中构件与构件之间的连接变的越来越复杂，连接各构件的节点构造也日趋复杂，使得传统的焊接球节点、相贯节点已不能满足现代钢结构的发展需要；铸钢节点作为我国新兴的节点形式，具有结构多样化、外形美观等特点以及良好的受力性能和适应性以其特有的合理性和实用性而越来越受到工程界的青睐。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。铸钢节点正逐渐应用于大跨度空间钢结构，大型钢结构建筑、桥梁等工程中。铸钢节点在国外，特别是在德国、日本等发达国家，铸钢件节点已得到非常广泛的应用。国内铸钢节点在实际工程中应用逐渐也越来越多。如哈尔滨国际会展中心、郑州国际会展中心、上海新国际博览中心、合肥体育场、广州歌剧院等工程中关键部位均采用铸钢节点。引言随着建筑业的飞速发展，为了满足建筑造型及功能要求，新型结1铸钢节点的发展前景然而、目前我国对铸钢节点的研究还比较缺乏，没有一套成熟的设计方法、产品标准和相关规范。还没有相关文献从结构设计方面系统研究铸钢节点。且在实际荷载作用下铸钢节点的应力状况十分复杂，因此对形状复杂的大型铸钢节点大多通过试验(主要是模型试验)研究来取得必要的设计参数。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。为了适应铸钢节点的快速发展，我国正在编制铸钢节点规范，届时铸钢节点的设计、铸造、施工将有据可依，同时会进一步推动铸钢节点的发展 与此同时，随着国内铸造工艺的提高，铸造成本的下降，以及国内大型会展中心、体育场、飞机场等公共建筑的大量修建，大型空间结构发展迅猛。铸钢节点将更广泛受到工程界的关注。铸钢节点以其可设计为大尺寸，承载能力高，可以铸造成任意形状，适应多方向的传力，预留连接端口与工地杆件连接，工地施焊方便，因此可以很好地满足结构受力、构造、施工的需要。可以预见的是，铸钢节点将成为建筑业尤其是大型空间结构关键部位节点的主要形式之一。铸钢节点的发展前景然而、目前我国对铸钢节点的研究还比较缺乏，2铸钢材料及标准铸钢材料及标准铸钢材料按照钢的化学成份分为可分为碳素铸钢，低合金铸钢和高合金铸钢。建筑结构一般主要采用碳素铸钢，低合金铸钢，只有少量在高温，腐蚀环境严重才采用特殊性能的高合金铸钢。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（Si）、铬（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。目前广泛应用于工程界的铸钢件标准有很多，主要有国际标准ISO3755、中国标准一般工程用铸造碳钢件（GB1135289）和德国标准的高焊接性能和韧性的通用铸钢件（DIN171821992）以及日本的溶接构造用铸钢品（JIS G 5102）和美国的ASTM A216等。目前铸钢件设计中主要采用德国标准，牌号通常为 GS20Mn5，这种材料的 C、S、P含量限制较严格。C：0.170.23 S：0.015 P 0.02，保证其可焊性，材料的延伸率22，有良好的塑性。铸钢材料及标准铸钢材料按照钢的化学成份分为可分为碳素铸钢，3铸钢节点类型及特点 可根据实际建筑、结构需要设计出复杂的结构外观和内部构造的节点形式，造型美观，可塑性强。可根据实际的受力状况设计出合理的截面形状，进一步改善节点的应力分布状况。铸钢节点在工厂整体浇筑，与相贯节点相比，可以避免相贯线切割和隐蔽焊缝及焊缝交叉重叠引起的应力集中，大大减少焊接量。铸钢管厚度可根据实际受力需要设计出不同的壁厚，承载力高，抵抗变形能力大。在建筑领域中铸钢节点中化学成分要求比其他领域内铸钢件中的化学成分要求高，对C、P、S的含量严格限制，因此材质有具有较好的塑性、韧性和可焊性。铸钢节点适应性较强，不受节点位置限制。既可以用于支座节点，又可以用于中部节点铸钢件中铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此，铸件的力学性能，低于同种材料的锻件。铸件质量不够稳定。铸钢节点类型及特点 可根据实际建筑、结构需要设计出复杂的结构4铸钢节点类型 实心铸钢节点实心铸钢节点虽然承载力比较大，但由于其在铸造时需要大量钢水，不仅浪费材料，而且使其造价大大提高；此外，实心的铸钢节点由于其本身的自重很大，对结构整体承载力非常不利，故在实际工程中很少采用。铸钢节点类型 实心铸钢节点5半实心半空心铸钢节点 半实心半空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的铸钢节点。为了避免应力集中现象，减重孔的内壁均为光滑的曲面（平面与平面相交处均应圆滑过度，即设倒角），减重孔的位置应避免在各杆件的交汇处，节点在杆件的交汇处是实心的，该节点的承载力和重量均介于实心铸钢件和空心铸钢件之间，此种铸钢件在建筑结构中应用最广。下图为郑州国际会议展览中心的铸钢支座节点图半实心半空心铸钢节点 半实心半空心铸钢节点是在实心节点的基6半实心半空心铸钢节点实体模型半实心半空心铸钢节点实体模型7 空心铸钢节点空心铸钢节点是在实心铸钢节点的基础上，将所有的杆件内部掏空制作成的铸钢节点。下图为郑州国际会议展览中心的空心铸钢节点。该节点的承载力虽然较低，但可大大减少节点重量、降低造价，在满足节点强度和铸造工艺的前提下应该优先采用 空心铸钢节点空心铸钢节点是在实心铸钢节点的基础上，将所有8空心铸钢节点实体模型重庆奥林匹克体育场铸钢空心球管节点 空心铸钢节点实体模型重庆奥林匹克体育场铸钢空心球管节点 9铸钢节点按节点形式分类 铸钢节点根据节点的形式可以分为铸钢空心球管节点、铸钢相贯节点、铸钢支座节点三类。铸钢节点按节点形式分类 铸钢节点根据节点的形式可以分为铸钢空10铸钢空心球管节点铸钢空心球管节点与以前普遍采用的焊接空心球节点有很多相似之处。铸钢空心球管节点是将球与钢管根部整体浇注在一起，在管与球相交处圆滑过度，即设置倒角，焊缝位置位于铸钢管上，下图为重庆奥林匹克体育场铸钢球管节点图。铸钢空心球管节点铸钢空心球管节点与以前普遍采用的焊接空心球节11铸钢空心球管节点实体模型铸钢空心球管节点实体模型12铸钢相贯节点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很多相似之处但两者有根本区别。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式，不受主管直通的限制。与铸钢球管节点一样，在主管与次管的相交处圆滑过度，即设置倒角，见下图铸钢相贯节点13铸钢相贯节点实体模型哈尔滨国际会展中心铸钢相贯节点 湖南省政府张弦钢屋盖节点铸钢相贯节点实体模型哈尔滨国际会展中心铸钢相贯节点 湖南省政14铸钢支座节点铸钢支座是一种特殊的节点形式，是将上部荷载传给下部结构的重要受力节点，因此节点设计的是否合理直接关系到整个结构的安全，但由于其形式差别很大，故很难统一而论，视具体要求而定，见下图。铸钢支座节点15铸钢支座节点郑州会展展览大厅铸钢支座节点 广州歌剧院 铸钢支座节点铸钢支座节点郑州会展展览大厅铸钢支座节点 广州歌剧院 铸钢支16铸钢节点的设计铸钢节点的设计铸钢节点设计时，在满足铸造工艺构造及强度要求的同时，还应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：铸钢节点的设计铸钢节点设计时，在满足铸造工艺构造及强度要求17铸钢节点的设计原则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1.53 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铸钢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。铸钢节点的设计原则1）铸钢节点必须具有可焊性；18铸钢节点构造设计 铸件的工艺构造，对铸件的质量和铸造生产的过程有很大的影响。钢水有流动性差、熔化时吸气多、浇注温度高、在铸型中凝固冷却时的线收缩和体收缩大等特点，浇铸钢件时就容易产生浇不足、缩孔、裂纹、变形、枯砂和气孔等缺陷。铸件结构设计不合理，不但增加铸造的困难，提高铸件成本，甚至会导致铸件报废。所谓工艺性好的铸件结构，主要应满足两方面的要求：一方面铸件结构应尽可能简化方便铸件造型和清砂的工艺过程，另一方面在钢水充填铸型及其随后的凝固冷却过程中，要尽量减少在铸件上出现各种缺陷的可能性。因此铸件设计考虑以下几方面：铸钢节点构造设计 铸件的工艺构造，对铸件的质量和铸造生产的19铸钢节点构造设计(1)为使造型(芯)容易，铸件的外形和内腔要尽可能由直面构成，减少突出部分，相邻的凸台要合并，避免在铸件上出现尺寸窄小的内腔和尖角区。简单的铸件外形，还要考虑使铸件在凝固冷却收缩时少受阻碍，以减少产生裂纹变形的可能性。(2)壁上和筋上要适当开孔。对具有封闭形状的铸件来说，为便于治理和防止裂纹，开孔的数量和大小要足够。箱形封闭结构的断面要尽量改成开放形，如“I”形和“”形。（3)为使钢水能很好地充填铸型，铸件壁应有一定的厚度，以免出现浇不足、冷隔等缺陷。(4)为使铸件避免缩孔、缩松的缺陷，铸件结构要具有同时凝固成顺序凝固的条件，尽量减少热节的尺寸和数目。(5)为防止在铸件壁的交接处和不同厚度壁的过渡处产生裂纹或严重粘砂，铸件壁厚应力求均匀，壁的交接处应做出圆角。厚薄相差大的连接部分，应使壁厚逐步过渡。(6)大而复杂的铸件可分成两个或更多的铸件来生产，然后焊接成整体。铸钢节点构造设计(1)为使造型(芯)容易，铸件的外形和内腔要20铸钢件的最小壁厚和合理最小壁铸钢件的最小壁厚和合理最小壁厚厚 铸件的最小壁厚是指一定轮廓尺寸的铸件，经过采取各种工艺措施(如提高模型和其它工艺装备的精确度及表面光洁度）；仔细操作，采用分散的内浇口和提高浇注速度；控制适宜的浇注温度等，所能浇注成合格铸件的大多数壁厚。生产过程中所能获得的碳素钢铸件的最小壁厚可参见下表，由此表可见，铸件轮廓尺寸(长度)越大金属越难充填型腔，铸件的最小壁厚就越大。但是表中所列的铸钢件最小壁厚度，在一般情况下不宜为大型铸钢件设计的选用。因为大型铸钢件模型的尺寸精确度和表面光洁度较低，工艺装备比较租糙；钢水浇注温度般难以控制。这给生产薄壁铸件带来一定困难。所以只有在特殊情况下（如对铸件重量有限制等)才允许选用表21的最小壁厚数值。在一般情况下，大型铸钢件合理最小壁厚的数值可参见表2-2。铸钢件的最小壁厚和合理最小壁厚21铸钢件最小壁厚铸钢件最小壁厚22大型铸钢件合理最小壁厚大型铸钢件合理最小壁厚23铸件壁的连接过渡铸件壁的连接过渡设计铸钢件时，要注意壁的连接问题。在壁的连接处形成拐角，而拐角处型秒由于散热条件不好，很易粘在铸件上形成粘砂。此外，凝固时铸件的收缩受到阻碍，在铸件壁的连接尖角处会产生应力集中，甚至在该处产生裂纹；在尖角处的型砂也可能在钢水充填铸型的过程中被冲坏，使铸件产生砂跟。因此，在设计铸钢件结构时，应尽可能使铸件壁厚均匀，两连接壁的壁厚之比不应超过一比三(包括壁的加工余量)，如果超过一比点五两壁之间就应做出壁厚的过渡区。此外，设计时应尽量避免使铸件的连接壁之间呈锐角形状，当连接壁之间的夹角小于七十五度时，为避免该处形成尖角砂，在壁的交接处也要做出过渡区。铸件壁的连接过渡24铸造圆角铸造圆角防止铸件壁的连接尖角处产生裂纹、粘砂等缺陷的主要措施之一，就是把尖角改成圆角(通称为铸造圆角)。铸造圆角的大小根据连接壁的厚度、连接形式及铸件的材质来确定,如果铸造圆角半径太小，则不足以防止裂纹、粘砂；如果圆角半径太大，又会使该处形成较大的热节，引起缩孔和缩松。为肪止铸造圆角处出现缩孔、缩松、粘砂等缺陷，生产时常在铸造圆角处设置外冷铁。这时的铸造圆角半径值应符合外冷铁标准。大型铸钢件生产中，铸造圆角处外冷铁的脚角半径有；R（r)10，15，20，25，30，40，50，60，80，100，120毫米)R（r)为10毫米的外冷铁只适用于机器造型。手工造型时，外半径一般不应 15毫米。铸造圆角25铸造工艺孔铸造工艺孔设计铸钢件时，壁上要开铸造工艺孔，这对封闭形状的箱体铸件尤为重要。铸造工艺孔不仅能减轻铸件重量；有利于清砂；还有利于分散和减小铸造应力，防止产生裂纹。在实际生产中经常遇到一些铸件，由于工艺孔尺寸小，数量不够，分布不合理，使铸造生产过程遇到较多的困难；铸件如因受力很大和使用条件不允许壁上有孔，可在清砂后用钢板堵死焊牢。铸件工艺孔的尺寸；数量和位置需视实际情况决定。一般来说，箱体铸件在不影响强度的情况下，开孔的面积应不小于开孔壁总面积的百分之二十五，孔的尺寸、数量和位置要满足清砂、出气、支撑泥芯和防止裂纹等铸造工艺的要求。铸件壁上开工艺孔的形状最好为圆形或椭圆形。铸造工艺孔设计铸钢件时，壁上要开铸造工艺孔，这对封闭形状的26构造加筋板构造加筋板 为了保证铸件的强度和刚度，经常采用加强筋的结构。加强筋的形状和尺寸要正确，否则会由于铸件壁和筋阻碍收缩，在它们的连接处形成热节，产生裂纹和缩孔。所以加强筋的设计应符合下列要求：（1）铸件外部的加强筋，其厚度应不大于连接壁厚的百分之八十；铸件内腔壁上的加强筋由于比外壁冷却慢，筋的厚度要簿一些，一般不大于连接壁厚度的百分之六十。（2）加强筋应尽量按铸体轴线方向对称分布，以防铸件挠曲变形。（3）为方便造型(芯)，加强筋的分布应垂直于模型，并在铸件壁和加强筋的交接处做成铸造圆角。（4）对于较大的铸件，在铸件壁与加强筋的交接处，特别是三壁(筋)交接处，易形成较大的热节，可能产生缩孔和裂纹，故最好在该处的加强筋上开孔。构造加筋板27铸钢节点设计时要满足焊接工艺铸钢节点设计时要满足焊接工艺的要求的要求由于铸钢节点和其他杆件之间要通常为对接焊缝，而且铸钢节点的壁厚均较厚，如直接焊接，势必会在焊接处留下较大的焊接应力，因此必须在铸钢的连接处开槽口，使壁厚平滑过度到与之相连的构件壁厚相当，槽口的尺寸根据实际情况来定。铸钢节点设计时要满足焊接工艺的要求28铸钢节点的设计及分析 由于铸钢节点的内部受力情况非常复杂，传统的计算方式无法进行分析计算，同时随着计算机技术的成熟和数学领域的进步，铸钢节点的计算主要采用有限元法，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，由于铸钢节点一般体型复杂，直接在ANSYS里建模很困难，可采用AUTOCAD或PROE建模然后将模型导入ANSYS进行分析。铸钢节点的壁相对较厚且多受力矩的作用，故单元类型通常选实体单元，可以较好地描述铸钢节点的变形和受力情况，根据铸钢材质的屈服强度进行弹性和塑性分析。对于那些受力较大、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。由于铸钢具有很好的塑性，铸钢节点的强度准则采用Von Mises屈服准则，即计算点的Mises应力超过材料强度时认为该点进入塑性。铸钢节点的设计及分析 由于铸钢节点的内部受力情况非常复杂，传29热处理工艺热处理工艺大型铸钢件由于截面差大,凝固顺序不同,极易在发生V型及倒V型偏析的同时发生显微缩松,并且在尖角处及薄厚过渡处产生裂纹.为了减少由于内部偏析,夹杂所造成的塑韧性低的影响,热处理应以获得较细晶粒提高厚壁截面塑韧性为目的.因此,正确的热处理工艺就显得尤为重要铸件进行热处理，均匀钢的化学成分和组织，细化晶粒，提高和改善材料的力学性能。铸钢件经过热处理后，除铸件上仍残留部分粘砂外，表面还覆盖一层热处理时产生的氧化皮，因此必须清整表面，同时也必须对铸件上的缺陷(如裂纹、缩孔、夹砂等)进行消整剖口以备焊补。热处理工艺30热处理工艺工艺说明：（1）、加热：以100/h升温至65020，保温2小时，然后以最大速率升温至92010。（2）、在92010保温4小时。(910正火温度最佳）（3）、出炉空冷。（4）、回火：以70/h加热升温至62010，保温2小时。（5）、随炉冷却至250以下，出炉空冷。（6）调质：加热至在910，保温2.5小时，水淬，620 保温2.5小时回火热处理工艺工艺说明：31铸钢件的质量检查铸钢节点一般处于比较关键位置，载荷较大，质量要求高。因此，在生产中，必须树立“质量第一”的思想，加强质量管理，不断采用新工艺、新技术，提高工艺编制和操作水平。为了获得优质铸件，还需要认真进行质量检查。铸件质量是由某一特定条件决定的。铸件由于在产品中部位不同及对每个产品的要求不同，在每一具体情况下的技术要求和检查内容也不同。船可分为外观检查、内部检查等。铸钢件成品应按技术条件验收。一般采用的标准有：铸钢件磁粉检测及质量分级（GB/T9444-1988），铸钢件超声探伤及质量评级方法（GB7233-1987)铸钢件的质量检查铸钢节点一般处于比较关键位置，载荷较大，质量32铸钢件外观质量检查铸钢件外观质量检查 铸件的外观质量是指在铸件表面可以直接看到或测量出的质量标难，包括外形缺陷尺寸偏差和表面光洁度等 铸钢件外观质量检查33铸钢件内部质量检查铸钢件内部质量检查 检查铸钢件的内部缺陷有破损和无损检验等方法。检查大型铸钢件的重要部位可用无损检验法，包括超声波探伤、射线探伤和磁粉探伤等。铸钢件内部质量检查34超声波探伤超声波探伤可发现铸件中疏松、缩孔、裂纹、夹液、气孔、砂眼等缺陷，速度快，成本低。但铸件由于晶粒较粗，吸收超声严重，因此采用的探伤频率较低一船为0.51051.25105赫兹。由于频率低，较小的缺陷就不易发现，另外由于超声波在铸件中衰减严重，穿透力减弱，所以，目前用超声波探测的铸件大约在五百毫米厚度范围内。有时还需要射线探伤配合。超声波探伤超声波探伤可发现铸件中疏松、缩孔、裂纹、夹液、气孔35射线探伤射线探伤包括X和伽玛()射线探伤。x射线和伽玛射线都能穿透物质，在物质中有袁减作用并有衰减规律生光化作用、电离作用和莹光作用，射线透照物体时，软片感光乳剂中的溴化银还原成金属粒子。显影后，由于透过健全部分的射线强度比有缺陷部位的小，因此软片的明暗度不一样。工作中可以根据软片上的明暗度变化的差异，来判定物体有无缺陷。射线探伤射线探伤包括X和伽玛()射线探伤。x射线和伽玛射线36磁粉探伤(磁力探伤)磁粉探伤是利用磁力线外泄的原理来检查磁性工件的表面及近表面缺陷的一种无损探伤方法。最常用的一种磁粉探伤是利用电流产生磁场使工件磁化，然后在工件上撒上磁粉或磁粉和油的混合液。有缺陷的地方由于磁力线外泄形成局部磁极，使磁粉集中在那里，形成一条黑色的(指黑磁粉)与缺陷方向一致的痕迹。当磁力线与伤痕的方向垂直时，磁粉痕迹最明显。应用范围 1、被检工件必须是光洁的，一般要求表面光洁度大于或等于5。所以只能用于检查精加工面上缺陷。2、可捡查工件表面和近表面的裂纹、夹杂、气孔、砂眼等缺陷。缺陷的方向一般和工件的制造方向是一致的，裂纹呈稍有弯曲的细纹，夹杂呈条状或不规则的、气孔、砂眼呈圆形一般是多个的。3、能够检查的缺陷距工件表面的深度一般在七毫米之内。磁粉探伤(磁力探伤)磁粉探伤是利用磁力线外泄的原理来检查磁37 谢谢大家 谢谢大家38