铸钢节点在仿生造型建筑钢结构工程中的设计及应用

周禄1项玲芳2李宝泉3

摘要：仿生造型建筑常采用复杂大跨空间钢结构体系，结构及构件的复杂性导致传统的节点形式已不能满足设计与施工的需求，铸钢节点应运而生。本文结合工程实例，就铸钢节点的设计、应用等进行总结与探讨，希望对类似工程的设计及施工起到一定的指导作用。

关键词：铸钢节点；铸钢相贯管节点；仿生造型建筑

前言

随着时代的不断进步，建筑业正在飞速发展，为满足人们对建筑造型审美的要求，仿生造型建筑大量诞生。仿生造型建筑体系越来越复杂，结构跨度越来越大，这就使得连接各构件的节点构造日趋复杂，传统的节点形式已无法满足现代结构发展的要求了。铸钢节点作为我国新兴的节点形式以其特有的优点在工程应用中显示出合理性与适应性。随着仿生造型建筑的日渐普遍及铸造工艺的提高，铸钢节点在工程中必将得到日趋广泛的应用。本文结合工程实例，从铸钢节点的特点、设计、质量控制、焊接施工等方面进行阐述，希望对类似工程的设计及施工起到一定的指导作用。

一、工程概况

凤凰岛·凤凰之舟项目位于山东省青岛市黄岛区金沙滩路南，西海岸新区啤酒文化广场内，规划用地面积63425m2，总建筑面积为39025.67m2。项目主要建筑功能为剧院、演艺大厅、餐厅及底层部分商业，演艺大厅位于凤身及凤头，小剧场位于凤尾。

该工程整体造型为凤凰展翅，奔向大海飞翔的凤凰，屋盖钢结构为大跨异形空间结构，主要竖向承重构件为四榀正交放置的拱桁架，并通过顶部平面背部桁架进行彼此相连。头部结构由其下方楼层钢框架结构、斜柱支撑立面桁架、颈部平面桁架、雨棚与嘴部平台组成；两翼为立面斜柱环梁及悬挑钢梁组成；尾部为单层网壳及悬挑钢梁均通过中部形成的拱架和背部桁架实现大悬挑，装饰栅格为处于两翼及头部外的悬挑钢梁，屋面最高点位于头部悬挑钢梁顶部标高为+62m。

图1仿生造型建筑空间示意图

二、技术难点及解决措施

1.技术难点

本工程结构呈凤凰展翅之状，凤凰外观造型为大跨度曲屋面空间桁架，复杂的弯曲纵横管桁架和弯扭箱型边梁共同勾勒出凤凰展翅的美丽外观。结构形式复杂，构件纵横交错，连接节点非常复杂，多根构件多个方向汇交相贯的节点部位焊接不方便并且应力大。

2.解决措施

本工程V型柱铸钢节点、颈部斜柱与环梁交汇节点、尾部柱梁交汇节点、尾部两翼环梁交汇节点、两翼挑梁与栅格交汇节点等均采用铸钢节点，以保证建筑造型的完美呈现。铸钢节点统计明细详见表1。

表1铸钢节点统计明细

3.本工程铸钢节点的技术要求

（1）铸钢件的化学成分和力学性能应符合《铸钢节点应用技术规程》CECS235：2008中G20Mn5N的要求。化学成分符合表2，力学性能符合表3。

表2化学成分（%）

（2）铸钢件的化学成分，力学性能取样方法，数量及试验标准按《一般工程用铸造碳钢件》（GB/T11352-2009）中相应要求进行。

（3）铸钢件不允许有超标的夹渣、缩孔、缩松、气孔、微裂纹等缺陷存在；内部曲面相交处应避免锐角。

（4）铸钢件手工打磨，锐角倒钝，表面粗糙度比较样块，按《表面粗糙度比较样块铸造表面》GB/T6060.1-1997要求选定。铸钢件表面粗糙度评审符合《铸造表面粗糙度评定方法》GB/T15056-94标准，粗糙度Ra≤100μm。

（5）铸钢件外形尺寸公差符合《铸件尺寸公差与机械加工余量》GB/T6414-1999标准，等级CT13；相邻两轴线夹角的允许偏差≤30′。

（6）铸钢件的超声波检测执行《铸钢件超声检测第1部分：一般用途铸钢件》GB/T7233.1-2009，管口150mm范围内2级标准；其余3级标准。

（7）铸钢件的磁粉检测执行《铸钢件磁粉检测》GB/T9444-2007，管口150mm范围内2级标准；其余3级标准。

（8）表面涂装：铸钢件表面采用抛丸或喷砂除锈，除锈等级Sa2.5级。底漆：环氧富锌底漆2遍，总厚度≥100μm。焊缝50mm范围内、支管焊接区域不得涂装。

三、铸钢节点的类型及特点

1.铸钢节点的类型

建筑结构中铸钢的牌号分为以力学性能表示的铸钢牌号与以化学成分表示的铸钢的牌号两种。铸钢节点可根据其内部结构或节点形式进行分类。根据节点的内部构造可分为实心铸钢节点、空心铸钢节点、半空心半实心铸钢节点三类；根据节点形式主要分为铸钢空心球管节点、铸钢相贯节点、铸钢支座节点。

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：（1）可根据实际需要设计结构形式，可塑性强、造型美观；（2）承载力高、抗变形能力强；（3）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，克服了大量集中焊接造成的应力对整体结构带来的不利影响；（4）由于铸钢节点在工厂制作完成，大大减少了高空作业的工作量，使建筑成本降低，整体工程质量提高，并且大大降低了高空作业对施工人员带来的危害；5）匀质性相对较差。

四、铸钢节点的生产工艺及特点

1.铸钢节点的生产工艺

木模→造型→熔炼→浇注→脱模-清理→热处理-毛坯检验→机加工-出厂检验→包装-发货

2.铸钢节点的工艺特点

铸钢节点因为铸钢的熔点较高，钢液易氧化、钢水的流动性差、收缩大，其体收缩率为10～14%，线收缩为1.8～2.5%。为防止铸钢件产生浇不足、冷隔、缩孔和缩松、裂纹及粘砂等缺陷，必须采取复杂的工艺措施：

（1）由于钢液的流动性差，为防止铸钢件产生冷隔和浇不足，铸钢件的壁厚不能小于8mm；浇筑系统的结构力求简单、采用干铸型或热铸型；适当提高浇注温度，一般为1520°～1600°，因为浇筑温度高，钢水的过热度大、保持液态的时间长，流动性可得到改善。但是浇温过高，会引起晶粒粗大、热裂、气孔和粘砂等缺陷。因此一般小型、薄壁及形状复杂的铸件，其浇注温度约为钢的熔点温度+150℃；大型、厚壁铸件的浇注温度比其熔点高出100℃左右。

（2）由于铸钢的收缩、为防止铸件出现缩孔、缩松缺陷，在铸造工艺上大都采用冒口和冷铁等补偿措施，以实现顺序凝固。此外，为防止铸钢件产生缩孔、缩松、气孔和裂纹缺陷，应使其壁厚均匀、避免尖角和直角结构，在铸型用型砂中加锯末、早型芯中加焦炭、以及采用空心型芯和油砂芯等来改善砂型或型芯的退让性和透气性。

（3）铸钢的熔点高，相应的其浇注温度也高。高温下钢水与铸型材料相互作用，极易产生粘砂缺陷。因此，应采用耐火度较高的人造石英砂做铸型，并在铸型表面刷由石英粉或锆砂粉值得的涂料。为减少气体来源、提高钢水流动性及铸型强度，大多铸钢件用于干型或快干型来铸造，如采用CO2硬化的水玻璃砂型。

五、铸钢节点的设计

铸钢节点设计时，在满足铸造工艺要求的同时，必须充分考虑钢结构在安装过程中与节点相关的每一环节，并根据项目技术要求确定铸造节点基本设计原则。由于铸造节点的轴线为空间任意方向，因此必须采用有关软件进行节点的三维实体设计，其主要基本原则如下：

1.铸钢节点必须具有可焊性；

2.节点中各肢杆、拉索套管、筒身等各自中心线宜相交于空间坐标原点，避免产生偏心扭矩；

3.肢杆外径应与相应桁架杆件相同，其主要受力肢杆端面的壁厚宜为相接桁架杆件的2倍，次要受力的肢杆端面壁厚可与相接桁架杆件壁厚相同；

4.节点肢杆和桁架杆件间应为对接熔透焊缝，节点各肢杆在端面应做成适当坡口；

5.为避免节点模型在断面突变处产生过大的应力集中，在断面变化处宜采用圆滑曲面过渡；

6.将设计提供的铸钢节点荷载作用在支座节点各肢杆的端面上，进行铸钢节点分析和优化设计，并保证有足够的安全度。

六、铸钢节点的质量控制

1.节点细部设计

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。

（1）铸钢件细部设计应避免尖角或直角，且有利于气体排出。

（2）铸钢件焊接应采用对接焊缝，尽量避免T形接头，以降低焊接应力。

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

2.节点铸造

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、化学成分控制严、质量要求高、铸造难度大。应自管理入手，从原材料成分、铸造工艺、铸模精度、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。

3.节点焊接及焊接检验

铸钢节点焊前首先要进行焊接工艺评定。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，并接受安全教育及技术培训。

七、结语

本工程采用钢结构大跨空间可呼吸结构体系，充分利用铸钢节点的优越性能，使仿生造型建筑与结构完美结合，优雅呈现，实现了设计师模仿凤凰的概念与创意。随着我国工业的发展，铸造工艺不断提高，铸钢节点在我国必将得到更为广泛的应用。

参考文献

[1]陈荣毅.大型铸钢节点的设计与分析.广东土木与建筑（第2期），2004年2月.

[2]林彦，刘锡良.铸钢节点的设计以及在工程中的应用.工业建筑，2005年11期.