铸钢节点在大跨度管桁架建筑钢结构中应用.docx

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铸钢节点在大跨度管桁架建筑钢结构中应用

铸钢节点在大跨度管桁架建筑钢结构中应用

摘要:

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展览馆等大型民用标志性建筑中均应用到了铸钢节点。

在这些工程中,我们取得了一些铸钢节点设计、铸造、焊接的经验。

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安全,十分重要。

关键词:

铸钢节点建筑钢管

1铸钢节点的常用结构形式及其特点

1.1铸钢节点的常用结构形式

铸钢节点的常用结构形式有树形铸钢节点、铰接铸钢节点及混合形铸钢节点等。

树形铸钢节点如图1所示,用来取代主管与多根支管相贯的节点,使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,其造型美观。

混合形铸钢节点如图3所示,具有树形铸钢节点和铰接铸钢节点的共同特点。

在南京奥运体育中心项目中还设计了铸钢球节点。

1.2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:

可根据实际需要设计,可塑性强、造型美观;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;铸钢节点常以对接焊缝取代管管相贯焊缝、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;匀质性相对较差。

2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

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,铸钢节点在国内广泛推广应用迫切需要解决的主要问题如下。

2.1铸钢件标准

国内现行铸钢标准《焊接结构用碳素钢铸件》（GB7659-87）是80年代编制的,材料的S、P含量控制较宽松（≤0.04%）,对材料的碳当量没有限制。

对于铸钢件的尺寸公差、铸件的表面质量也要求较低。

材料的冲击值较低。

根据该标准生产的铸件远不能满足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。

2.2铸钢件生产

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,均出现过因铸钢件质量问题而返工的现象,成本大大增加。

另外,现有铸造厂冶炼炉的容积较小（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的改造。

2.3铸钢件无损检测

超声波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,超声波探伤是最常用的一种检测方法。

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30mm也很常见,该部位是十分重要的,但按国标则无法检测。

2.4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））,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,焊缝超声波探伤的评审困难,焊缝检测现也无相应标准可循。

3铸钢节点质量控制

虽然铸钢节点在国内广泛推广还需解决一系列问题,但设计师们正不断采用该结构形式。

铸钢节点已成功应用于多个大型民用标志性建筑工程,如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展览馆等钢结构工程。

图4为上海新国际博览中心工程中铸钢节点工程实例。

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。

3.1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。

铸钢件细部设计应避免尖角或直角,且有利于气体排出。

铸钢件焊接应采用对接焊缝,尽量避免T型接头,以降低焊接应力。

明确铸钢件的化学成份、机械性能、热处理制度、精度要求、检验方法和合格等级等。

3.2铸造

大跨度管桁架结构用铸钢件与其他铸钢件相比,结构形式复杂、化1铸钢节点的常用结构形式及其特点

1.1铸钢节点的常用结构形式

铸钢节点的常用结构形式有树形铸钢节点、铰接铸钢节点及混合形铸钢节点等。

树形铸钢节点如图1所示,用来取代主管与多根支管相贯的节点,使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,其造型美观。

混合形铸钢节点如图3所示,具有树形铸钢节点和铰接铸钢节点的共同特点。

在南京奥运体育中心项目中还设计了铸钢球节点。

1.2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:

可根据实际需要设计,可塑性强、造型美观;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;铸钢节点常以对接焊缝取代管管相贯焊缝、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;匀质性相对较差。

2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

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,铸钢节点在国内广泛推广应用迫切需要解决的主要问题如下。

2.1铸钢件标准

国内现行铸钢标准《焊接结构用碳素钢铸件》（GB7659-87）是80年代编制的,材料的S、P含量控制较宽松（≤0.04%）,对材料的碳当量没有限制。

对于铸钢件的尺寸公差、铸件的表面质量也要求较低。

材料的冲击值较低。

根据该标准生产的铸件远不能满足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。

2.2铸钢件生产

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,均出现过因铸钢件质量问题而返工的现象,成本大大增加。

另外,现有铸造厂冶炼炉的容积较小（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的改造。

2.3铸钢件无损检测

超声波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,超声波探伤是最常用的一种检测方法。

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30mm也很常见,该部位是十分重要的,但按国标则无法检测。

2.4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））,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,焊缝超声波探伤的评审困难,焊缝检测现也无相应标准可循。

3铸钢节点质量控制

虽然铸钢节点在国内广泛推广还需解决一系列问题,但设计师们正不断采用该结构形式。

铸钢节点已成功应用于多个大型民用标志性建筑工程,如上海新国际博览中心、深圳游泳跳学成份控制严、质量要求高、铸造难度大。

应自管理入手,从原材料控制、铸造工艺、铸模精度控制、热处理、化学分析、力学性能试验及检验等几个方面严把质量关。

铸造大跨度管桁架结构铸钢节点用的钢水应采用杂质含量低的优质钢水,尤其是S、P等的含量,确保铸件的化学成份、力学性能及焊接性。

铸造工艺直接影响铸件的内部质量及表面质量。

应根据铸件结构形式、技术要求制定切实可行、满足设计要求的铸造工艺。

大部分结构用铸钢件由于结构复杂,对铸件加工精度要求高,且表面不能机加工。

铸模加工精度及表面质量决定铸钢件尺寸及表面质量,因此,必须严格控制铸模精度。

由于铸态组织晶粒粗大,力学性能差,不能满足结构使用要求,必须进行热处理。

常用的热处理方法有退火、正火和调质。

热处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定严格的热处理工艺,包括铸件在炉内的堆放,以确保炉内温度均匀。

热处理炉应有自动控温装置,保证热处理质量。

控制铸钢件质量的最后关键环节是出厂前的检验,包括化学分析、力学性能、外观检查和无损检测。

对于不合格产品应禁止出厂,交付使用。

化学分析应按熔炼炉进行检验、力学性能应按热处理炉进行检验。

力学性能试件可采取单铸或附铸试件任一形式。

在条件允许的情况下,应尽可能采用附铸试件。

3.3铸钢节点焊接及焊接检验

3.3.1焊接工艺评定

铸钢节点焊前首先要进行焊接工艺评定。

可参照《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）或《钢制压力容器焊接工艺评定》（JB4708-2000）进行。

弯曲试验是否可免做,应征得设计或监理的同意。

3.3.2焊接方案及实施

焊接工艺评定合格后,应根据评定结果及结构形式编制详细的焊接方案,以指导施工。

焊工正式焊接铸钢件前,应进行焊前模拟考试,并接受安全、技术交底。

铸钢节点焊接除应做好焊材烘烤、坡口清理、逐层清渣等常规焊前准备、焊接过程质量控制工作之外,还应重点考虑以下几个方面的工作。

预热及层间温度。

由于铸钢节点大部份较厚,工艺要求进行预热。

但铸钢件形状不规则,厚度也不均匀,给预热带来很大难度。

为了避免焊缝产生冷裂纹,必须采取有效预热措施,确保达到预热温度且温度均匀。

焊接应连续进行,保证层间温度不低于预热温度。

焊缝返修。

在施工过程中,由于大多数铸钢件焊缝为全位置单面对接焊缝,焊接难度大,出现焊缝需返修是正常的。

但铸钢件刚性大,返修会使局部应力增加,返修还可能降低调质态铸钢的强度,因此应采取切实有效措施降低返修率,避免二次返修。

4结语

近年来,随着科学技术的发展,钢结构技术得到突飞猛进的发展。

北京申奥和上海申博的成功使大跨度管桁架结构应用前景更加广阔,大跨度焊接结构用铸钢节点愈来愈受到人们的重视。

虽然在应用中存在这样那样的问题,但我们相信,随着对铸钢节点研究、应用的深入,这些问题必然会逐步得到解决,大跨度焊接结构用铸钢件的理论及应用技术将日益完善。

参考文献

[1]铸造标准.中国标准出版社[M].1998.