深圳大运会主体育场铸钢节点制作新技术

深圳大运会主体育场铸钢节点制作新技术

曹富荣

（江苏永益铸管股份有限公司，靖江214500）

摘要：简述铸钢节点的优点，概述深圳世界大学生运动会主体育场钢结构工程铸钢节点的工程概况、结构特点以及化学性能和力学性能特殊要求。结合铸钢节点的生产过程，阐述深圳世界大学生运动会主体育场钢结构工程铸钢节点在深化设计、应力分析、铸造模拟凝固、造型、冶炼、浇注、热处理、机械加工等方面采用的新技术、新工艺，以及铸钢节点的化学成分检测、力学性能检测、无损探伤检测和焊接工艺评定。介绍铸钢节点在桥梁结构、海洋工程结构等疲劳荷载下的工程应用实例。关键词：铸钢节点先进技术工艺创新疲劳性能

一、引言

随着我国体育场馆、会展中心、机场候机楼、铁路车站、高层建筑等大型复杂钢结构工程建设的快速发展，铸钢节点以其优美的外观造型、优良的力学性能及焊接工艺性能，越来越受到工程界的关注。近年来，在大跨度空间结构及高耸结构中，承载力大、构造复杂的铸钢节点日益得到广泛应用[1-14]，并取得良好的技术经济效益。

与焊接节点相比，铸钢节点的设计自由度大，具有良好的结构工艺性，可以按照受力状况采用最合理的截面形状，设计出具有复杂外形和内腔的结点，以满足建筑造型要求，并可根据需要设置加劲肋，提高结点的强度和刚度。铸钢节点可在工厂内进行整体浇铸，消除了相贯线重叠焊缝焊接产生的焊接应力超标现象，改善了结点的应力分布，提高了结点的承载能力。多支管铸钢节点的空间角度一致性好，可保证空间结构对节点制作尺寸精度的要求。铸钢节点的各向力学性能均匀性好，其优良的焊接工艺性能可保证厚壁铸钢节点现场焊接的焊缝质量。本文结合深圳世界大学生运动会（以下简称“大运会”）主体育场钢结构工程铸钢节点的生产实际，介绍大运会铸钢节点制作过程中所采用的新技术、新工艺。

二、大运会主体育场钢结构工程铸钢节点制作新技术

大运会主体育场钢结构工程采用了内设张拉膜的钢结构体系，钢屋盖结构形式为单层折面网格结构，平面形状为椭圆形，平面尺寸为285m×270m，钢屋盖最高点的高度分别为51.9m到68.4m。屋盖结构为双轴对称结构，包括马鞍形的外圈和内圈，外圈的高差为12m，内圈的高差为8.6m。大运会主体育场工程效果图见图1。

大运会主体育场钢结构构件通过球铰支座底板、球铰支座上部铸钢节点、背谷铸钢节点、背峰铸钢节点、肩谷铸钢节点、肩峰铸钢节点、冠谷铸钢节点、冠峰节点、内环节点等承力节点进行连接，形成稳定的复杂空间结构体系。其中球铰支座底板通过锚杆及抗剪键与混凝土承台连接，球铰支座上部节点的凹球面通过穿心螺杆与球铰支座底板的凸球面实现铰接，用以承受整个钢屋盖荷载。大运会主体育场钢结构节点分布图见图2。

大运会主体育场钢结构工程铸钢节点计有球铰支座底板、球铰支座上部铸钢节点、背谷铸钢节点、背峰铸钢节点、肩谷铸钢节点、肩峰铸钢节点、冠谷铸钢节点7类，每类各20件，总数量为140件，总重量为0.42万吨。大运会主体育场铸钢节点轴测图见图3。

大运会肩谷铸钢节点(见图3e)的最大外形尺寸为5400mm×4600mm×3400mm，结构特点为10根支管

图1 大运会主体育场工程效果图

图2 大运会主体育场钢结构节点分布图

密集相贯，密集相贯部位球头壁厚为400mm，与Φ1400×200钢管连接的焊缝深度为200mm，最大单重98.6t，是目前国内钢结构工程单重最大的铸钢节点。铸钢节点质量要求高，制作难度大，因而对铸钢节点制作厂家的技术工艺水平和生产装备能力提出了极高的要求。铸钢节点制作厂家需要采用各种先进技术，并进行工艺创新，才能生产出符合大运会主体育场钢结构工程设计和使用要求的合格铸钢节点。

a）球铰支座底板b）球铰支座上部铸钢节点

c）背谷铸钢节点d）背峰铸钢节点

e）肩谷铸钢节点f）肩峰铸钢节点g）冠谷铸钢节点

图3 大运会主体育场铸钢节点轴测图

（一）铸钢节点的化学成分

按照文献[15]推荐，铸钢节点的牌号为G20Mn5，其化学成分见表1。

表1 G20Mn5铸钢的化学成分（％）

大运会主体育场钢结构工程铸钢节点的牌号设计指定为GS－20Mn5，其化学成分见表2。

表2 GS－20Mn5铸钢的化学成分（％）

由表2可见，大运会铸钢节点的化学成分中有害元素硫及杂质元素镍的含量更低，对杂质元素铬、钼的含量也提出了明确的最高含量要求，并规定加入稀土（RE）0.20％～0.35％，净化钢液和细化钢的晶粒，以便铸钢节点热处理后能获得良好的力学性能，同时提高铸钢节点的焊接工艺性能，因而必须采用先进的冶炼工艺，才能满足大运会铸钢节点的化学成分要求。

（二）铸钢节点的力学性能

按照文献[15]推荐，铸钢节点的牌号为G20Mn5，其力学性能见表3。

表3 G20Mn5铸钢的力学性能

大运会主体育场钢结构工程铸钢节点的牌号设计指定为GS－20Mn5，其力学性能见表4。

表4 GS－20Mn5铸钢的力学性能

由表4可见，大运会铸钢节点的部分壁厚已突破文献[15]推荐的最大设计壁厚t≤100mm限制，大运会肩谷铸钢节点的最大壁厚为400mm。因此，在保证大运会铸钢节点化学成分的前提下，还必须采用先进的热处理工艺，才能提高大运会铸钢节点的力学性能。

（三）铸钢节点的深化设计

在大运会铸钢节点的深化设计过程中，运用先进的三维实体建模技术及AutoCAD、Solidwork等软件进行铸钢节点的三维实体设计，实现了空间复杂节点（见图3e肩谷铸钢节点）的构造要求以及特殊铸钢节点（见图3b球铰支座上部铸钢节点）的外形设计要求，铸钢节点设计造型效果直观，设计调整便利，并能准确获得二维平面详图、空间轴线及形体定位角度和尺寸等，用于指导复杂铸钢节点的模具制作及铸钢节点的几何尺寸控制、检测和安装。

（四）铸钢节点的有限元应力分析

在大运会铸钢节点的应力分析过程中，运用ANSYS、ABAQUS等软件计算铸钢节点在荷载作用下的内力和位移，对铸钢节点与构件连接处、铸钢节点内外表面拐角处等易产生应力集中的部位，按强度条件和刚度条件验算铸钢节点的几何尺寸（见图4a肩谷铸钢节点Φ1400支管的过渡圆弧半径R800），得到铸钢节点的构造规则及其合理形式（见图3b球铰支座上部铸钢节点的加劲肋），并可为铸钢节点的试验结果提供对比依据。