维普资讯 http://www.cqvip.com 空间钢结构 铸钢节点在大跨度管桁架建筑钢结构中应用探讨 争ｉ备 （上海宝冶建设有限公司 上海２０１９００） 摘要铸钢节点是近几年来随着大跨度管桁架钢结构发展起来的一种新的结构形式。提出了建筑结构用铸钢 铸钢节点大跨度管桁架钢结构 节点在国内广泛应用需要解决的几个问题，介绍了铸钢节点的常用结构形式、特点及铸钢节点质量控制方法。 关■词ＤＩＳＣＵＳＳＩｏＮ ｏＮ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩｏＮ ｏＦ ＣＡＳＴ－ＳＴＥＥＬ ＮｏＤＥ ＩＮ ＬＡＲＧＥ－ＳＰＡＮ ＰＩＰＥ ＴＲＵＳＳ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ ＳＴＥＥＬ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ Ｌｕ Ｌｉｘｉａｎｇ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｂａｏｙｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｌｉｍｉｔ￣Ｃｏｒｐ． Ｓｈａｎｇｈａ￣ ２０１９００） ＡＢＳＴＲＡＣＴ Ｔｈｅ ｃａｓｔ—ｓｔｅｅｌ ｎｏｄｅ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｔｙｐｅ ｗｉｔｈ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｏｆ ｌａｒｇｅ－ｓｐａｎ ｐｉｅ ｐｔｒｕｓｓ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｓｅｖｅｒａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｔｈａｔ ｓｈｏｕｌｄ ｈｅ ｓｏｌｖｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃａｓｔ—ｓｔｅｅｌ ｎｏｄｅ ｆｏｒ ａｒｃ ｔｅｃｔｕｒ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｓ ｓｐｒｅａｄ ｗｉｄｅｌｙ ｉｎｌａｎｄ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｏｒｍｓ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｃｏｍｍｏｎ ｕｓｅ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｆｏｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｓｔ—ｓｔｅｅＩ ｎｏｄｅ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ ｃａｓｔ—ｓｔｅｅｌ ｎｏｄｅ ｌａｒｇｅ－ｓｐａｎ ｐｉｐｅ ｔｎ】ｓｓ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ 铸钢节点的共同特点。在南京奥林匹克体育中心项 １概述 目中还设计了铸钢球节点。 近几年来，大跨度空间管桁架钢结构因其含钢 量低、造型独特优美、施工周期短等优点已广泛应用 于会展中心、体育场、飞机场等大型民用标志性建 筑。铸钢节点则因其特有的性能，在国外已广泛应 用于大跨度空间管桁架钢结构中的重要节点，国内 也在逐步推广应用。我公司先后承担的苏州体育 场、上海新国际博览中心、深圳游泳跳水馆、哈尔滨 国际会展体育中心等大型民用标志性建筑中均应用 了铸钢节点。铸钢节点一般应用于荷载较大、受力 复杂的关键部位，其可靠性直接关系到整个结构的 图１典型树型铸钢节点 安全，十分重要。 ２铸钢节点的常用结构形式及其特点 ２．１铸钢节点的常用结构形式 铸钢节点的常用结构形式有树型铸钢节点、铰 接铸钢节点及混合型铸钢节点等。树型铸钢节点如 图１所示，用来取代主管与多根支管相贯的节点，用 对接焊缝取代相贯焊缝，焊缝分散，减少了焊接应力 集中。铰接铸钢节点如图２所示，常用于杆件端部 连接处（如支座处等），可简化节点、造型美观。混合 型铸钢节点如图３所示，具有树型铸钢节点和铰接 作者：卢立香女１９７０年ｌ０月出生收稿日期：２００３—０４—２２ 学士工程师 图２典型铰接铸钢节点 钢结构２００３年第５期第ｌ８卷总第６７期 维普资讯 http://www.cqvip.com 卢立香：铸钢节点在大跨度管桁架建筑钢结构中应用探讨 出现过因铸钢件质量问题而返炉重新浇铸的现象， 成本大大增加。另外，现有铸造厂冶炼炉的容积较 ／ｂ（普遍为５ｔ），不能满足单件重量较大铸件的需 要。为了保证质量、降低成本、提高生产能力，满足 工程需要，铸造大跨度焊接结构用铸钢件的生产厂 应进行技术改造，包括从制模、冶炼、热处理直至检 验的全过程改造。 ３．３图３典型混合型铸钢节点 铸钢件无损检测 超声探伤是检验钢材内部质量最方便、经济、有 效的检测手段。在钢结构行业，超声探伤是最常用 ２．２铸钢节点的特点 铸钢节点与普通管相贯节点、管板节点相比，具 有以下特点： １）可根据实际需要设计结构形式，可塑性强、造 型美观。 的一种检测方法。现行国标＜铸钢件超声探伤及质 量评级方法）（ＧＢ７２３３—８７）仅适用于厚度大于等于 ３０ｍｍ的铸钢件。事实上，大跨度焊接结构用铸钢 件厚度是变化的，在焊接接口处常常较薄，厚度小于 ２）铸钢节点一般为实心，仅在接口处局部挖空， 即使全为空心，也比钢管或钢板厚。因此承载力高、 抗变形能力强。 ３）铸钢节点常以对接焊缝取代管管相贯焊缝、 ３０ｍｍ也很常见，该部位是十分重要的，按国标则无 法检测。 ３．４铸钢件焊接及焊缝无损检测 现行的有关钢结构焊接的国家及行业标准中， 包括最新发布执行的＜建筑钢结构焊接技术规程） （ＪＧＪ８１—２００２），均没有针对铸钢件焊接的有关规 定。在参照执行标准时有争议。例如：现行的钢材 焊接工艺评定标准均要求进行冷弯试验，但所有铸 钢标准对铸钢件并无冷弯性能要求。那么，进行铸 取消管板组合焊缝，可分散焊缝，减少焊接量，减小 焊接应力集中。 ４）匀质性相对较差。 ３建筑结构用铸钢节点在国内广泛推广需要解决 的几个问题 钢件焊接工艺评定时是否应进行冷弯试验呢？另 外，目前铸钢件焊接主要采用手工电弧焊，其他焊接 在国内，由于结构用铸钢件应用于大型民用建 筑钢结构中的重要节点刚刚起步，铸钢节点广泛推 广应用迫切需要解决的主要问题如下： ３．１铸钢件标准 方法应用于铸钢件还有待于进一步实践。 由于铸钢件组织不均匀、晶粒粗大、透声性差、 衰减严重，焊缝超声探伤的评审困难，焊缝检测现也 无相应标准可循。 国内现行铸钢标准＜焊接结构用碳素钢铸件） （ＧＢ７６５９—８７）是２０世纪８０年代编的，材料的Ｓ、Ｐ 含量控制较宽松（４０．０４％），对材料的碳当量没有 ４铸钢节点质量控制 ，材料的冲击值较低。实际上，目前我国钢材的 冶炼技术已达到国际先进水平，该标准对于铸钢件 的尺寸公差、铸件的表面质量也要求较低。根据该 标准生产的铸件远不能满足祖国大江南北大跨度焊 接结构用铸钢件的需要。因此，国内迫切需要一套 适用于大跨度管桁架焊接结构用铸钢件的标准。目 前大跨度管桁架焊接结构用铸钢件主要是引用国外 标准。 ３．２铸钢件生产 虽然铸钢节点在国内广泛推广还需解决许多问 题，但设计师们正不断采用该结构形式。图４为铸 钢节点工程实例。通过实践，施工单位应从设计、铸 造、焊接、检验等几个方面严格控制铸钢节点质量。 ４．１节点的细部设计 铸钢节点的细部设计在满足承载能力的同时， 应考虑满足铸造、制作及焊接工艺要求。 １）铸钢件细部设计应避免尖角或直角，且有利 于气体排出。 由于我国现行铸钢标准要求不高，许多铸造厂 生产设备简陋，难以满足大跨度焊接结构用铸钢件 ２）铸钢件焊接应采用对接焊缝，尽量避免Ｔ形 接头，以降低焊接应力。 交付技术条件要求。在苏州体育场、上海新国际博 览中心、深圳游泳跳水馆等工程的铸钢件生产中，均 Ｓｔｅｅｌ ＣＡｍｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．２００３（５），Ｖｏ１．１８，Ｎｏ．６７ ３）明确铸钢件的化学成分、机械性能、热处理制 度、精度要求、检验方法和合格等级等。 ２９ 维普资讯 http://www.cqvip.com 空问钢结构 叠■ 在条件允许的情况下，应尽可能采用附铸试件。 ４．３铸钢多节点焊接及焊接检验 ４．３．１焊接工艺评定 铸钢节点焊前首先要进行焊接工艺评定。可参 ｂ 照＜建筑钢结构焊接技术规程＞（ＪＧＪ８１—２００２）或＜钢 ａ一桁架铸钢节点；ｂ一柱头铸钢节点 制压力容器焊接工艺评定＞（ＪＢ４７０８～２０００）进行。 图４上海新国际博览中一ｔＬ－铸钢节点 弯曲试验是否可免做，应征得设计或监理方的同意。 ４．２铸 造 ４．３．２焊接方案及实施 大跨度管桁架结构用铸钢件与其他铸钢件相 焊接工艺评定合格后，应根据评定结果及结构 比，结构形式复杂、化学成分控制严、质量要求高、铸 形式编制详细的焊接方案，以指导施工。焊工正式 造难度大。应自管理入手，从原材料成分、铸造工 焊接铸钢件前，应进行焊前模拟考试，并接受安全教 艺、铸模精度、热处理、化学分析、力学性能试验及检 育及技术培训。 验等几个方面严把质量关。 铸钢节点焊接除应做好焊材烘烤、坡口清理、逐 １）铸造大跨度管桁架结构铸钢节点用的钢水应 层清渣等常规焊前准备、焊接过程质量控制工作之 采用杂质含量低的优质钢水，尤其是Ｓ、Ｐ等的含 外，还应重点考虑以下几个方面。 量。确保铸件的化学成分、力学性能及焊接性。 １）预热及层间温度。由于铸钢节点大部分较 ２）铸造工艺直接影响铸件的内部质量及表面质 厚，工艺要求进行预热，但铸钢件形状不规则，厚度 量。应根据铸件结构形式、技术要求制订切实可行、 也不均匀，给预热带来很大难度。为了避免焊缝产 满足设计要求的铸造工艺。 生冷裂纹，必须采取有效的预热措施，确保达到预热 ３）大部分结构用铸钢件由于结构复杂，对铸件 温度且温度均匀。焊接应连续进行，以保证层间温 加工精度要求高，且表面不能机加工。铸模加工精 度不低于预热温度。 度及表面质量决定铸钢件尺寸及表面质量，因此，必 ２）焊缝返修。在施工过程中，由于大多数铸钢 须严格控制铸模精度。 件焊缝为全位置单面对接焊缝，焊接难度大，出现焊 ４）由于铸态组织晶粒粗大，力学性能差，不能满 缝返修是正常的。但铸钢件刚性大，返修会使局部 足结构使用要求，必须按规范或设计要求进行热处 应力增加，返修还可能降低调质态铸钢的强度，因此 理。常用的热处理方法有退火、正火和调质。热处 应采取切实有效措施降低返修率，避免二次返修。 理前应根据铸钢件尺寸、结构形式及热处理炉的具 体情况制订严格的热处理工艺，包括铸件在炉内的 ５结语 堆放，以确保炉内温度均匀。热处理炉应有自动控 近年来，钢结构技术得到突飞猛进的发展。北 温装置，保证热处理质量。 京申奥和上海申博的成功使大跨度管桁架结构应用 ５）控制铸钢件质量的最后关键环节是出厂前的 前景更加广阔，大跨度焊接结构用铸钢节点愈来愈 检验，包括化学分析、力学性能、外观检查和无损检 受到人们的重视。虽然在应用中存在这样那样的问 测。对于不合格产品应禁止出厂、交付使用。化学 题，但我们相信，随着对铸钢节点研究的深入，这些 分析应按熔炼炉进行检验、力学性能应按热处理炉 问题必然会逐步得到解决，大跨度焊接结构用铸钢 进行检验。力学性能可采取单铸或附铸试件形式。 件的理论及应用技术将日益完善。 建设部发布国家标准《钢结构设计规范》的公告 中华人民共和国建设部公告第１４７号 现批准‘钢结构设计规范＞为国家标准。编号为ＧＢ５００１７—２００３，自２００３年１２月１日起实施。其中。第１．０．５、３．１．２、 ３．１．３．３．１．４、３．１．５、３．２．１、３．３．３、３．４．１、３．４．２、８．１．４、８．３．６、８．９．３、８．９．５、９．１．３条为强制性条文，必须严格执行。原‘钢结 构设计规范）（Ｇ埘１７—８８）同时废止。 本规范由建设部定额研究所组织中国计划出版社出版发行。 中华人民共和田麓设部２００３年４月２５日 钢结构２００３丰摹５期第１８卷总第６７期
