建筑用铸钢节点设计的若干关键问题

Som e Key Techn iques for the D esign of Connection s of Structura l Steel Ca sting
ZHAO Xianzhong3 SHEN Zuyan CHEN Yiyi
(Department of Building Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)
铸件壁较厚时 ,其表面与芯部冷却速度差别较 大 ,导致芯部结晶组织与力学性能明显差别于表面
Structural Engineers Vol. 25, No. 4
·14·
Study of Design M ethod
部分。因而 ,较厚铸件的组织性能比较薄铸件要 差 ,其强度 、伸长率 、冲击功等力学指标亦会随壁厚 的增加而降低 。试验结果表明 , 30 mm 基尔试块与 <500～<600 mm 试棒芯部相比 ,后者抗拉强度下 降约 10% ,屈服强度下降约 25% ,伸长率 、面缩率 和冲击功下降约 40%。因此 ,设计时不宜选用过 大的壁厚 ,否则应考虑相应力学指标的降低 。目 前 ,中国和日本的铸钢材料标准均未列出壁厚分组 及相应的指标值 ,但中国标准在附录条款中说明所 规定的力学性能指标可用于壁厚小于 100 mm 的 铸件 ,并且屈服强度值还可用于 t > 100 mm 铸件的 设计 ;德国 1992年 D IN17182规定了不同壁厚的不 同强 度 等 力 学 指 标 , 但 2005 年 修 订 后 的 D IN EN10293则取消了壁厚分组 ,同时对 G17Mn5QT, G20Mn5N 只规定了壁厚 50 mm与 30 mm以下时的 力学性能指标 , G20Mn5QT规定了壁厚 100 mm 以 下时的力学性能指标 。参照德国标准和工程经验 , 建议铸钢件最大壁厚取为 150 mm,此时其屈服强 度及强度设计值应予折减 。 4. 1. 4 调质处理
图 3 铸钢节点形式 Fig. 3 Configurations of cast steel joints
铸钢节点与钢结构构件可采用焊接连接 、螺 栓连接和销轴连接 (图 4) 。焊接连接是最常采用 的一种连接方式 。为保证连接质量 ,铸钢节点应 开启槽口并与相邻构件对接焊接 [ 11 ] 。
图 4 铸钢节点与钢构件的连接 Fig. 4 M ethods connecting cast joint and steel members
在求取铸钢材料的抗力分项系数时 ,根据同 济大学 5 个铸钢节点试验的 122 个测点应变的实 测值和有限元计算值的对比确定计算模型不定性 的统计量 ;同时 ,考虑了结构恒载 、(住宅和办公 楼 )活载 、风载的不同比例的组合 。当取可靠指 标为 3. 7 时 ,恒载 +住宅活载作用下的抗力分项 系数为 1. 271;恒载 +办公活载作用下的抗力分 项系数为 1. 200;考虑到《钢结构设计规范 》( GB 50017 —2003 )中 给 出 的 非 焊 接 铸 钢 的 抗 力 分 项 系数为 1. 282,而焊接铸钢的材料性能普遍好于 非焊接铸钢材料 ,因此 ,偏安全地取 1. 282作为确 定可焊铸钢强度设计值时的抗力分项系数 。 4. 1. 3 铸件壁厚
1 引 言
构件 ,节点刚度大 ,整体性好 ; (4) 疲劳性能 、耐腐蚀性能 、抗震性能好 [ 3 ] 。
建筑用铸钢节点是将铸钢材料通过铸型浇注 而成的一种节点 ,用以将钢结构构件 、部件或板件 连接成一整体 。相比于传统焊接节点 ,铸钢节点 具有如下特点 :
(1) 避免或降低了多杆交汇时造成的过大残 余应力 ,对于钢管相贯节点 ,由于铸钢节点避免了 高温焊接及倒角的存在 ,其应力集中系数可减少 60%以上 [ 2 ] (图 1) ;
Structural Engineers Vol. 25, No. 4
·12·
基于上述特点 ,铸钢节点从 20世纪 80 年代 起广泛应用于英国北海的采油平台结构中 ,并在 德国 、日本的一些工业与民用建筑中逐步应用 。 目前 ,我国兴建的大型空间结构 ,如国家体育场 (鸟巢 ) 、上海浦东国际机场二期工程 、奥运会老 山自行车馆 、哈尔滨会展中心等均采用了铸钢节 点 ,以实现多杆连接时良好的传力性能 。事实上 , 对于传力要求高 、构形复杂 、板件厚度较大的节 点 ,尤其在可批量生产时 ,铸钢节点亦不失为一种 经济的选择 [ 4 ] (图 2) 。
含量控制严格 ,确保了材料的塑性和韧性性能 ,尤 其是与钢构件之间的可焊性能 ,因而广泛应用于 国内外工程中 。 4. 1. 2 铸钢材料设计指标
对永益铸管股份有限公司 、乐山斯堪纳机械 制造有限公司 、沪东中华造船有限公司 、中核苏阀 等铸钢供应商生产的 269 个铸钢试件的材料强度 进行统计 ,发现其屈服强度的概率分布形式基本 满足正态分布 。根据《建筑结构可靠度设计统一 标准 》( GB 50068—2001)规定 ,材料强度的标准 值可取其概率分布的 0. 05 分位值确定 ; 类似于 Q235的统计方法 ,铸钢材料的标准值可取为其屈 服强度值 。
·设计方法研究 ·
·13·
结构工程师第 25卷第 4期
3 铸钢节点设计流程
建筑用铸钢节点设计是建筑师 、结构工程师
和铸造工程师密切合作的过程 。节点设计流程一 般如图 5所示 。为检验铸钢节点的设计结果 ,设 计方在必要时可提出对铸钢节点的试验验证 要求 。
图 5 铸钢节点设计流程 Fig. 5 Design p rocedure for cast steel joints
Abstract Connections of structural steel casting have been w idely used in China in recent years, largely ow ing to the excellent chrematistics including stream lined shapes w ith m inimum stress concentration, unlim ited choice of joint form s and elegant appearance. B ased on the comp iling of the technical specification for app lication of connections of structural steel casting CECS 235 ∶2008, issues including the selection of configurations and materials of structural cast steel joint, the calculation method of joint ultimate capacity, the p rincip le of finite element analysis and experim ents, the detailing of joints, as well as the requirement of foundry, are described in the paper. Keywords steel casting, joint, finite element method, details
铸钢件的铸态组织取决于化学成分和凝固结 晶过程 ,一般存在较严重的枝晶偏析 、组织极不均 匀以及晶粒粗大等问题 ,需要通过热处理消除或 减轻其有害影响 ,改善铸钢件的力学性能 。此外 , 由于铸钢件结构和壁厚的差异 ,同一铸件的各部 位具有不同的组织状态 ,并产生相当大的残余应 力 。因此 ,铸钢件尤其是合金铸钢件 ,一般均应以 热处理状态供货 。当铸件尺寸较大 、壁厚较厚时 , 宜以正火状态交货 ;尺寸较小并对性能要求较高 时 ,宜以调质状态交货 。目前国内铸造厂商缺少 超大型淬火池 ,对特大型铸件调质后的变形也无 法控制 ,按国内近年来的生产经验 ,壁厚较厚的 G20M n5铸件采用正火工艺处理后亦可保证较高 的应用性能 。
Study of Design M ethod
图 2 铸钢节点与焊接节点的成本对比 Fig. 2 Cost comparison between cast and welded joints
2 铸钢节点形式
铸钢节点可分为铸钢相贯管节点 、铸钢空心 球节点 、铸钢板式节点 、铸钢铰接节点和铸钢组合 节点等 5种节点形式 [ 1 ] (图 3) 。铸钢相贯节点类 似于钢管相贯节点 ,但其管管相交处存在倒角 ;铸 钢空心球节点类似于焊接空心球节点 ,其铸钢管 与空心球之间 、铸钢管之间存在倒角过渡 ,且与空 心球整体浇注而成 ;铸钢板式节点将与钢构件相 连的板件直接浇注在一起而形成节点 ;铸钢铰接 节点一般为支座节点 ,利用多铸件间的接触 、咬合 传递外力 ;铸钢组合节点是上述两种或两种以上 连接方式融合在一起而形成的一种节点 。
(2) 节点设计自由度大 ,可根据建筑外形 、受 力状况 、浇Leabharlann Baidu工艺等设计出最合理的截面形状 ,以 改善节点的应力分布状况 ;
(3) 节点整体浇注而成 ,壁厚一般大于相邻
收稿日期 : 2008 - 12 - 04 3 联系作者 , Email: x. zhao@ tongji. edu. cn
图 1 铸钢节点与焊接节点的应力集中程度对比 Fig. 1 Comparison of stress concentration between cast and welded joints
第 25卷第 4期 2009年 8月
结 构 工 程 师 Structural Engineers
Vol. 25, No. 4 Aug. 2009
建筑用铸钢节点设计的若干关键问题
赵宪忠 3 沈祖炎 陈以一
(同济大学建筑工程系 ,上海 200092)
摘 要 建筑用铸钢节点由于避免或降低了构件相接处的应力集中程度 ,具有节点设计自由度大 、外形 美观等特点 ,已在我国越来越多的工程中采用 。结合《铸钢节点应用技术规程 》(CECS 235∶2008)的编 制 ,从铸钢节点形式 、铸钢材料选用 、节点承载力计算方法 、有限元分析原则 、铸钢节点试验方法 、节点构 造和铸造工艺要求等方面对铸钢节点的设计进行了阐述 ,以便于工程技术人员更好地应用铸钢节点 。 关键词 铸钢 , 节点 , 有限元 , 构造
4 铸钢节点设计的几个关键问题
结合《铸 钢 节 点 应 用 技 术 规 程 》( CECS 235∶2008)的编制过程 ,给出铸钢节点设计的若 干关键问题 。
4. 1 铸钢材料
4. 1. 1 铸钢材料的选用 铸钢选材时应综合考虑结构的重要性 、荷载
特性 (承受静力荷载或间接动力荷载 、承受直接 动力荷载或 7～9度设防的地震作用 ) 、节点类型 (单管或多管节点 ) 、应力状态 (单 、双向受力或三 向受力 ) 、铸造工艺 (工艺设计与装备 ) 、工作环境 温度等因素 ,选择技术可靠 、经济合理的铸钢材 料 。目前国内工程中采用的非焊接铸钢材料有现 行国 家 标 准《一 般 工 程 用 铸 造 碳 钢 件 》( GB / T 11352—2009 ) 的 ZG230 - 450, ZG270 - 500, ZG310 - 570, ZG340 - 640等铸造碳素钢 ;采用的 焊接铸钢材料有现行国家标准《焊接结构用碳素 钢铸 件 》( GB / T 7659—1987 ) 规 定 的 ZG230 450H , ZG275 - 485H 铸钢 ,日本《焊接结构用铸钢 件 》( J ISG 5102 ) 规 定 的 SCW 410, SCW 450, SCW 480, SCW 550等牌号铸钢 ,以及德国《一般工 程 用 铸 钢 》( D IN EN 10293 ∶2005 ) 规 定 的 G17M n5QT, G20M n5N , G20M n5QT 等 牌 号 铸 钢 。 德国牌号铸钢的硫 、磷含量均控制在 0. 02%以 内 ,远比中国 、日本各牌号铸钢中 0. 04%的硫 、磷