钢管结构K型铸钢节点研究

钢管结构K型铸钢节点研究[摘要]钢管结构因其具有轻巧美观，用钢量省等优点，在我国得到了迅速的发展，应用范围也愈来愈广。

铸钢节点在现代大跨钢管结构中表现出了造型美观、可塑性强、受力安全合理等优点，正在逐渐被工程设计人员应用于工程实际之中。

本文利用有限元分析软件－ANSYS 实现了对K型铸钢节点与钢管相贯节点在强度和节点转动刚度上的对比，并对K型铸钢节点在若干关键几何参数变化情况下进行了弹塑性大应变分析，并跟踪节点在整个加载阶段各点的应力、应变变化过程，计算出了节点的极限承载力。

在非线性有限元求解过程中，考虑了网络精度、边界条件、材料特性等因素，结合10节点实体单元和4节点壳单元各自的特点分别应用于铸钢节点和与之焊接的钢管，使得到的极限承载力具有较高的工程精度。

分析证明，通过合理的设计，可以使K型铸钢节点只在与钢管连接接口处发生轴向屈服破坏，避免了一般K型钢管相贯节点的支管拉压共同作用下过度变形破坏和冲切破坏，提高了结构连接的安全度。

通过对K型铸钢节点与K型钢管相贯节点的有限元分析表明，K型铸钢节点应用于结构后，节点连接不能按照相贯节点铰接假设计算，也不可按照简单刚接考虑。

K型铸钢节点存在刚域，使得与之相连的杆件转动会受到刚域的约束，计算长度进一步降低。

本文通过计算与公式推导相结合的办法，提出了一种计算K型铸钢节点刚域长度的方法。

对影响刚域长度的若干几何参数进行了分析，给出了节点刚域长度随几何参数的变化趋势，并根据该趋势通过数值拟合的方式提出了计算公式。

最后，本文结合铸钢节点的铸造生产工艺对节点构造的合理性进行了探讨，提出了对实际工程设计有益的建议和理论依据。

[关键词]铸钢节点、钢管相贯节点、节点强度、节点刚度、有限元分析、弹塑性分析第一章绪论1.1钢管结构的应用现状与特点钢管结构是指钢结构的全部或部分结构构件采用无缝或焊接空心钢管的结构。

近20年来，随着我国经济、科技、文化等各项事业的发展，钢管结构（主要包括空间网架、网壳结构、悬索结构以及组合空间结构）因其具有优美的外观、合理的受力特点以及优越的经济性，在现代工业厂房、仓库、体育馆、展览馆、会场、航站楼、车站及办公楼、商住楼、宾馆等建筑中得到了广泛的应用，如上海体育场、广东体育馆、上海科技城、首都机场新航站楼、成都双流机场新航站楼、广州新白云机场航站楼、广州国际会展中心、上海新国际博览中心、南京国际会展中心、南京奥体中心主体育馆、游泳馆及网球中心等大型工程中均采用了钢管结构。

工程实际表明，钢管结构既可以很好地满足建筑要求，又能够使结构达到安全、适用、经济等性能指标。

钢管结构的优点主要有以下几个方面：（1）圆管和方管的管壁一般较薄，截面回转半径较大，故抗压和抗扭性能好。

对称截面形式使得截面惯性矩对各轴相同，有利于单一杆件的稳定性设计。

截面的闭合提高了抗扭刚度，对板件局部稳定性而言，闭合截面也优于有悬挑板件的开口截面。

在许多场合下，建筑师也愿意利用钢管外观简洁的特点表达其建筑意图。

（2）在截面积相同的型钢中，钢管外表面积最小，这就使得钢管与大气的接触面积最小，加之钢管往往会两端封闭，内部不会生锈，这就减少了防腐防火涂层的材料消耗和涂装工作量。

而且钢管结构较易于清刷、油漆，故维护更为方便。

（3）钢管截面的流体动力特性好。

承受风力或水流等荷载作用时，荷载对钢管结构的作用效应比其他截面形式结构的效应要低得多。

（4）钢管加工便利。

随着多维数控切割技术的发展，钢管的相贯线切割已经不再是难题，国内许多钢结构加工厂家已经掌握了这项技术。

虽然就材料单价而言，钢管价格高于普通开口截面形式的型钢，但上述优点综合起来，钢管结构在众多结构形式中仍是优先选用的基本结构形式之一。

1.2钢管节点的主要形式与特点随着空间结构的发展，工程建造速度、经济指标和结构受力性能的研究日益受到重视。

其中钢结构节点设计及加工是其中一个十分重要的环节。

目前工程中使用的钢管结构节点类型主要有焊接球节点、螺栓球节点、法兰盘节点、相贯节点、铸钢节点等。

其中焊接球节点、螺栓球节点主要应用于平板网架及空间网壳结构中。

网架、网壳通过球节点把杆件连系在一起形成空间结构，节点的数量随网格大小的变化而变化。

焊接球节点在施工中不宜保证节点空间位置准确，现场工作量大、质量检验工作量也大。

国外60年代采用过，但应用不广，国内由于人工便宜，尚有市场。

螺栓球节点精度高，工厂化生产，现场安装方便，工作量小，速度快，但该节点抗弯能力较差。

这两种节点共有的不足之处是节点的重量一般为结构总重量的20％～25％，所占比例较大，节点的制造加工成本较高。

法兰盘节点是通过端板、加劲肋及高强螺栓的共同工作起到连接杆件的作用，其受力明确合理，制作加工简单，但不适用于对外观要求较高的结构，这是法兰盘节点在钢管结构中应用不是十分广泛的一个重要原因。

钢管相贯节点又称简单节点（simple joint）、无加劲节点（unstiffened joint）或直接焊接节点。

该节点是由两个以上的圆钢管连接而成。

通常把直径较大者称为主管或弦杆，把直径较小者称为支管或支杆。

在构造上，支管焊于主管上且不穿透主管壁而使主管保持连续。

钢管相贯节点的优点主要表现在外观简洁明快构造简单，没有外凸的节点零件，使次要构件的连接方便，耗钢指标低，不需要增加节点用钢量等方面，是最基本的一类管节点。

采用钢管相贯节点的结构不但美观而且节点承载力比较大，计算公式也比较成熟。

如新加坡218m跨樟宜机库网架采用相贯节点，杆件受力达1500吨，整个结构的经济指标也比较好，因此结构工程师也乐于采用。

但是，钢管相贯节点的焊接残余应力常常会影响节点的受力状态和施工安装精度。

尤其是汇交支管数量多，焊缝集中的地方这种影响尤为突出，如果处理不当，节点极易发生脆性破坏，严重影响整个结构的安全使用。

铸钢节点因其具有良好的适用性，在国外已广泛应用于大跨度空间管桁架钢结构中。

在国内的大型民用标志性建筑钢结构中铸钢节点也在被逐步推广应用。

尤其是在荷载大，受力复杂，汇交支管多，夹角小的关键部位使用铸钢节点最为合适。

常见的铸钢节点主要有以下三种形式：（1）树状铸钢节点（见图1.1）。

主要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，以减少焊接应力的集中。

（2）铰接铸钢节点（见图1.2）。

常用于杆件端部连接处（如支座），可以简化节点，使节点简洁美观。

（3）混合型铸钢节点。

具有树状铸钢节点和铰接铸钢节点的共同特点。

图1.1 树状铸钢节点图1.2 铰接铸钢节点铸钢节点与普通管相贯节点、法兰盘节点及球节点相比具有以下特点：（1）铸钢节点可根据实际结构设计形式铸造，可塑性强，造型美观。

（2）铸钢节点一般为实心，仅在接口处局部挖空，因此承载力高，抵抗变形能力强。

（3）铸钢节点常以对接焊缝取代钢管相贯焊缝，起到分散焊缝，减少焊接工作量，减小焊接应力集中的作用。

铸钢材料本身也具有很多优点，比如：（1）冶金性能优越，主要表现在各向同性。

多数铸钢件的组织是等晶轴的，没有轧制件上存在的各向异性。

铸钢件的纵向机械性能与横向机械性能没有差别。

轧制钢和锻钢的重要特性，就是所谓性能方向性。

在轧制温度下，处于塑性状态的非金属夹杂物沿着轧制方向延伸。

与此同时，凝固过程中形成的钢局部成分偏析也被拉长。

这种方向性几乎在所有冷作钢和热作钢中都存在，因此引起了机械性能的各向异性，降低钢材垂直于轧制方向的塑性、冲击韧性和疲劳性能。

（2）焊接性能好。

铸钢件既能很好地相互焊接，也能与热轧钢管及锻钢件焊接。

铸钢件几乎都要进行热处理，而一般钢材焊接件即使在进行热处理后焊接残余应力还依然存在。

因为焊接需要局部加热的缘故，焊接结构的变形比铸钢件大。

铸钢件没有连接面，不需要象焊接件那样，在接合处人为地开坡口，也很少发生漏焊和局部欠焊问题。

此外，铸钢件的装配误差较小。

（3）易于切削加工。

此外，就铸钢节点在设计和制作上而言也具有很多独到的长处，比如：（1）设计和造型上的灵活性。

主要表现在从设计到成品的周期较短，设计改进迅速。

尺寸和形状不受限制，除了受运输工具能力限制外，铸钢节点的主要尺寸没有限制。

（2）在局部高应力区形成圆角和过渡圆滑的截面。

因此，铸钢节点的应力集中小且具有美观的流线型外形。

另外，整体构件所具有的结构刚性比焊接组合件的刚性要大得多，而且不存在可能出现的紧固件松动的接头。

（3）尺寸精度高，且表面光洁度好，光洁度可达63～1000uin。

（4）铸件上的孔可用型芯成形，大大减少了钻孔费用。

如果要求铸钢件具有复杂曲面，尤其是变截面的流线型零件的设计，不宜用锻造、焊接等加工方法来制造，但用铸造方法就很容易实现。

（5）适于大量生产。

综上所述，铸钢材料及铸钢节点在空间结构领域具有良好的应用前景。

1.3铸钢节点的应用现状近些年来，随着钢管结构应用范围的不断扩展，一些造型新颖独特、结构形式复杂的结构体系也随之涌现出来。

结构工程师在处理钢管结构节点时利用铸钢材质均匀、不同方向力学性能相同、无残余应力等优点，使得设计出的铸钢节点设计形式灵活多样，受力工作性能安全可靠。

铸钢节点本身与钢管也可较容易地进行等强焊接，给施工带来较便利的条件。

基于以上优点，铸钢节点正在钢结构中得到越来越广泛的应用，并在一些重要结构中逐步取代钢管相贯节点。

现代网架、网壳空间结构中经常会出现多根管件小夹角相贯现象，如果用传统的相贯焊接的方法解决连接构造问题，其结果是焊缝较长，局部残余应力较大，对结构受力和外观都不利。

这时，采用铸钢节点会比较合理地解决以上问题，如上海新国际博览中心钢屋盖结构（见图1.3）、深圳文化中心黄金树等。

图1.3 上海新国际博览中心钢屋盖广州国际会展中心张弦梁端部铸钢节点（见图1.4，节点重60吨，规格为1.5m×2m×1m）成功地解决了大型张弦梁（跨度达136m）下弦钢索在支座处的锚固问题。

图1.4 广州国际会展中心张弦梁端部铸钢节点另外，南京奥林匹克网球中心训练馆三铰拱拱脚节点也采用了铸钢节点（见图1.5、图1.6）。

1号及4号铸钢节点不仅解决了三根管件小夹角相贯连接的问题，而且使三铰拱桁架的内外或上下弦杆的拉压力在铸钢节点过渡处逐渐抵消，这样使得传至落脚处销栓的力相对较小，有利于节点的安全可靠工作。

图1.5 南京奥林匹克网球中心训练馆三铰拱拱脚 (4号铸钢节点)图1.6 南京奥林匹克网球中心训练馆三铰拱拱脚 (1号铸钢节点)另外，国外早已有铸钢吊索锚具应用的工程实例，如曼彻斯特的Corporation 街桥、英国卡的夫Millennium 露天体育场、英国诺丁汉内地税收大楼、德国2000年Brucken Hannover 世界博览会场、阿拉伯联合酋长国迪拜的Burj Al Arab 酒店等。

国内也有厂家生产铸钢吊索锚具，并且已经广泛应用于预应力工程中。