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鑄鋼節(jié)點(diǎn)在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

【摘要】

隨著建筑業(yè)的飛速發(fā)展，為 T滿足建筑造型及功能要求，新型建筑體 系不斷出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)跨度度愈來愈大，這將使連 接各構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的節(jié) 點(diǎn)形式已不能滿足現(xiàn)代結(jié)構(gòu)發(fā)展的要求。 鑄鋼節(jié)點(diǎn)作為我國新興的節(jié)點(diǎn)形式以其特 有的優(yōu)點(diǎn)在鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用中顯示出合理性與 適應(yīng)性，不僅解決了焊接球節(jié)點(diǎn)由于結(jié)構(gòu) 跨度的增大使球徑過大的困難，而且可解 決鋼管相貫節(jié)點(diǎn)由于進(jìn)行相貫線的切割導(dǎo) 致施工不便的問題。隨著鑄造工藝的提高， 鑄鋼節(jié)點(diǎn)在鋼結(jié)構(gòu)中將得到日趨廣泛的應(yīng) 用。然而我國對這方面的研究很少，還沒有 相關(guān)文獻(xiàn)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面系統(tǒng)研究鑄鋼節(jié) 點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】鑄鋼件；鑄鋼節(jié)點(diǎn)

目前，為了適應(yīng)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的快速發(fā)展， 我國準(zhǔn)備編制鑄鋼節(jié)點(diǎn)規(guī)范，因此對鑄鋼 節(jié)點(diǎn)的研究勢在必行。本文從鑄鋼節(jié)點(diǎn)的 特點(diǎn)、設(shè)計(jì)、質(zhì)量控制、焊接等方面進(jìn)行系 統(tǒng)研究，提出了鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，不僅 為該種節(jié)點(diǎn)在工程中的推廣應(yīng)用提供指 導(dǎo)，而且為今后規(guī)范的編制提供參考。

1、 鑄鋼節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)以及類型

1.1鑄鋼節(jié)點(diǎn)的常用結(jié)構(gòu)形式

鑄鋼節(jié)點(diǎn)的常用結(jié)構(gòu)形式有樹型鑄鋼 節(jié)點(diǎn)、釵接鑄鋼節(jié)點(diǎn)及混合型鑄鋼節(jié)點(diǎn)等。 樹型鑄鋼節(jié)點(diǎn)，用來取代主管與多根支管 相貫的節(jié)點(diǎn)，用對接焊縫取代相貫焊縫,焊 縫分散，減少了焊接應(yīng)力集中。釵接鑄鋼節(jié) 點(diǎn)，常用于桿件端部連接處（如支座處等）， 可簡化節(jié)點(diǎn)、造型美觀�；旌闲丸T鋼節(jié)點(diǎn)， 具有樹型鑄鋼節(jié)點(diǎn)和釵接鑄鋼節(jié)點(diǎn)的共同 特點(diǎn)。在南京奧林匹克體育中心項(xiàng)目中還 設(shè)計(jì)了鑄鋼球節(jié)點(diǎn)。

1.2鑄鋼節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)

鑄鋼節(jié)點(diǎn)與普通管相貫節(jié)點(diǎn)、管板節(jié) 點(diǎn)相比，具有以下特點(diǎn)：

1） 可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式,可 塑性強(qiáng)、造型美觀。

2） 鑄鋼節(jié)點(diǎn)一般為實(shí)心，僅在接口處 局部挖空，即使全為空心，也比鋼管或鋼 板厚。因此承載力高、抗變形能力強(qiáng)。

3） 鑄鋼節(jié)點(diǎn)常以對接焊縫取代管管相 貫焊縫、取消管板組合焊縫，可分散焊縫， 減少焊接量，減小焊接應(yīng)力集中。

4） 勻質(zhì)性相對較差

2、 鋼結(jié)構(gòu)用鑄鋼節(jié)點(diǎn)在國內(nèi)廣泛推廣需 要解決的幾個(gè)問題

在國內(nèi)，由于結(jié)構(gòu)用鑄鋼件應(yīng)用于大 型民用建筑鋼結(jié)構(gòu)中的重要節(jié)點(diǎn)剛剛起 步，鑄鋼節(jié)點(diǎn)廣泛推廣應(yīng)用迫切需要解決 的主要問題如下：

2.1鑄鋼件標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)現(xiàn)行鑄鋼標(biāo)準(zhǔn)《焊接結(jié)構(gòu)用碳素 鋼鑄件MGB7659-87）是20世紀(jì)80年代編 的,材料的S、P含量控制較寬松（M0104%）, 對材料的碳當(dāng)量沒有限制，材料的沖擊值 較低。實(shí)際上，目前我國鋼材的冶煉技術(shù)已 達(dá)到國際先進(jìn)水平，該標(biāo)準(zhǔn)對于鑄鋼件的 尺寸公差、鑄件的表面質(zhì)量也要求較低。根 據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的鑄件遠(yuǎn)不能滿足祖國大江 南北大跨度焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件的需要。因 此，國內(nèi)迫切需要一套適用于大跨度管桁 架焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件的標(biāo)準(zhǔn)。目前大跨度 管桁架焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件主要是引用國外 標(biāo)準(zhǔn)。

2.2鑄鋼件生產(chǎn)

由于我國現(xiàn)行鑄鋼標(biāo)準(zhǔn)要求不高，許 多鑄造廠生產(chǎn)設(shè)備簡陋，難以滿足大跨度 焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件交付技術(shù)條件要求。在 蘇州體育場、上海新國際博覽中心、深圳游 泳跳水館等工程的鑄鋼件生產(chǎn)中，均出現(xiàn) 過因鑄鋼件質(zhì)量問題而返爐重新澆鑄的現(xiàn) 象，成本大大增加。另外，現(xiàn)有鑄造廠冶煉 爐的容積較�。ㄆ毡闉�5t）,不能滿足單件重 量較大鑄件的需要。為了保證質(zhì)量、降低成 本、提高生產(chǎn)能力，滿足工程需要，鑄造大 跨度焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件的生產(chǎn)廠應(yīng)進(jìn)行技 術(shù)改造，包括從制模、冶煉、熱處理直至檢 驗(yàn)的全過程改造。

2.3鑄鋼件無損檢測

超聲探傷是檢驗(yàn)鋼材內(nèi)部質(zhì)量最方 便、經(jīng)濟(jì)、有效的檢測手段。在鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)， 超聲探傷是最常用的一種檢測方法。現(xiàn)行 國標(biāo)《鑄鋼件超聲探傷及質(zhì)量評級方法》 （GB7233-87）僅適用于厚度大于等于30mm 的鑄鋼件。事實(shí)上，大跨度焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼 件厚度是變化的，在焊接接口處常常較薄， 厚度小于30mm也很常見,該部位是十分重 要的，按國標(biāo)則無法檢測。

2.4鑄鋼件焊接及焊縫無損檢測

現(xiàn)行的有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)焊接的國家及行業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)中，包括最新發(fā)布執(zhí)行的《建筑鋼結(jié)構(gòu) 焊接技術(shù)規(guī)程?（JGJ81-2002）,均沒有針對 鑄鋼件焊接的有關(guān)規(guī)定。在參照執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) 時(shí)有爭議。例如：現(xiàn)行的鋼材焊接工藝評定 標(biāo)準(zhǔn)均要求進(jìn)行冷彎試驗(yàn)，但所有鑄鋼標(biāo) 準(zhǔn)對鑄鋼件并無冷彎性能要求。那么，進(jìn)行 鑄鋼件焊接工藝評定時(shí)是否應(yīng)進(jìn)行冷彎試 驗(yàn)?zāi)?/span>?另外，目前鑄鋼件焊接主要釆用手工 電弧焊，其他焊接方法應(yīng)用于鑄鋼件還有 待于進(jìn)一步實(shí)踐。

由于鑄鋼件組織不均勻、晶粒粗大、透 聲性差、衰減嚴(yán)重，焊縫超聲探傷的評審困 難，焊縫檢測現(xiàn)也無相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)可循。

3、鑄鋼節(jié)點(diǎn)質(zhì)量控制

雖然鑄鋼節(jié)點(diǎn)在國內(nèi)廣泛推廣還需解 決許多問題，但設(shè)計(jì)師們正不斷采用該結(jié) 構(gòu)形式。通過實(shí)踐，施工單位應(yīng)從設(shè)計(jì)、鑄 造、焊接、檢驗(yàn)等幾個(gè)方面嚴(yán)格控制鑄鋼節(jié) 點(diǎn)質(zhì)量。

3.1節(jié)點(diǎn)的細(xì)部設(shè)計(jì)

鑄鋼節(jié)點(diǎn)的細(xì)部設(shè)計(jì)在滿足承載能力 的同時(shí)，應(yīng)考慮滿足鑄造、制作及焊接工藝 要求。

1 ）鑄鋼件細(xì)部設(shè)計(jì)應(yīng)避免尖角或直 角，且有利于氣體排出。

2） 鑄鋼件焊接應(yīng)采用對接焊縫，盡量 避免T形接頭，以降低焊接應(yīng)力。

3） 明確鑄鋼件的化學(xué)成分、機(jī)械性能、 熱處理制度、精度要求、檢驗(yàn)方法和合格等 級等。

3.2鑄鋼多節(jié)點(diǎn)焊接及焊接檢驗(yàn)

3.21焊接工藝評定

鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊前首先要進(jìn)行焊接工藝評 定�？蓞⒄铡督ㄖ摻Y(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》 （JGJ81-2002）或《鋼制壓力容器焊接工藝評 定?（JB4708-2000）進(jìn)行。彎曲試驗(yàn)是否可免 做，應(yīng)征得設(shè)計(jì)或監(jiān)理方的同意。

3.22焊接方案及實(shí)施

焊接工藝評定合格后，應(yīng)根據(jù)評定結(jié) 果及結(jié)構(gòu)形式編制詳細(xì)的焊接方案，以指 導(dǎo)施工。焊工正式焊接鑄鋼件前，應(yīng)進(jìn)行焊 前模擬考試，并接受安全教育及技術(shù)培訓(xùn)。

鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊接除應(yīng)做好焊材烘烤、坡 口清理、逐層清渣等常規(guī)焊前準(zhǔn)備、焊接過 程質(zhì)量控制工作之外，還應(yīng)重點(diǎn)考慮以下 幾個(gè)方面。

1） 預(yù)熱及層間溫度。由于鑄鋼節(jié)點(diǎn)大 部分較厚,工藝要求進(jìn)行預(yù)熱，但鑄鋼件形 狀不規(guī)則，厚度也不均勻，給預(yù)熱帶來很大 難度。為了避免焊縫產(chǎn)生冷裂紋，必須采取 有效的預(yù)熱措施，確保達(dá)到預(yù)熱溫度且溫 度均勻。焊接應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，以保證層間溫度 不低于預(yù)熱溫度。

2） 焊縫返修。在施工過程中，由于大多 數(shù)鑄鋼件焊縫為全位置單面對接焊縫，焊 接難度大，岀現(xiàn)焊縫返修是正常的。但鑄鋼 件剛性大，返修會使局部應(yīng)力增加，返修還 可能降低調(diào)質(zhì)態(tài)鑄鋼的強(qiáng)度，因此應(yīng)采取 切實(shí)有效措施降低返修率，避免二次返修。

4、結(jié)束語

近星來扇結(jié)構(gòu)技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的 發(fā)展。北京申奧和上海shenbo的成功使大跨 度管桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)用前景更加廣闊，大跨度 焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼節(jié)點(diǎn)愈來愈受到人們的重 視。雖然在應(yīng)用中存在這樣那樣的問題，但 我們相信,隨著對鑄鋼節(jié)點(diǎn)研究的深入，這 些問題必然會逐步得到解決，大跨度焊接 結(jié)構(gòu)用鑄鋼件的理論及應(yīng)用技術(shù)將日益完 善。

°參考文獻(xiàn)

［1］ 林彥，劉錫良.鑄鋼球節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn) 及在工程中的應(yīng)用、工程力學(xué),2003（增刊）： 637?640

［2］ 林彥，劉錫良.鑄鋼節(jié)點(diǎn)在大跨度 空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用?工業(yè)建筑.2003（增刊）： 632—640

［3］ 林彥.鑄鋼節(jié)點(diǎn)的理論分析與試驗(yàn) 研究：［碩士學(xué)位論文］.天津，天津大學(xué)， 2004