随着空间结构的不断发展，结构的跨度越来越大，结构形式日趋多样。结构中构件与构件之间节点的连接方式和力学性能都日趋复杂，传统的焊接球节点、钢管相贯节点等节点形式难以在构造及制作工艺上满足要求。节点构造的好坏，对结构的受力性能、施工工艺、工程造价都有着相当大的影响。因此，具有良好适用性的铸钢节点越来越受到工程界的青睐。在国外，铸钢节点已在结构工程中有很多成功实例，国内近来也在一些大型工程中大量使用，如重庆江北国际机场新航站楼、郑州国际会展中心、哈尔滨会展体育中心等工程就大量使用了铸钢节点。本文结合某国际机场旅客航站楼一期工程的近期扩建工程对铸钢节点进行深入分析。

1 工程概况

根据总体规划，某国际机场旅客航站楼一期工程的扩建工程拟分为三期：1)近期扩建：包括东三、西三指廊和相关连接楼等；2)第二次扩建：包括北主航站楼、东四、东五、东六指廊、西四、西五、西六指廊及相关连接楼等；3)第三次扩建：包括东七、西七指廊及相关连接楼等。近期扩建工程总建筑面积为146 535 m2，其中，东三、西三连接楼面积约占2／3，位于一期现有连接楼的北端。东三、西三指廊屋盖结构为混凝土柱支撑的管内预应力空间桁架结构，共24榀，每榀桁架支撑在两个混凝土柱上，柱间跨度为35 m，两端各向外悬挑7．3 m。每榀桁架下弦圆钢管内布置有两束无粘结预应力钢绞线拉索。图1a为东三指廊结构透视。连接楼一端由人字形支撑支承，另一端由桁架拱直接落地，中间为混凝土柱支撑的桁架结构。每个连接楼纵向由20榀桁架组成，间距18 m，横向人字形支撑至混凝土柱为35．65 m，混凝土至桁架落地点29 in，如图1b。

为满足建筑效果和使用功能的要求，该国际机场旅客航站楼一期工程的近期扩建工程大量采用了铸钢节点。这些铸钢节点的特点是节点由多根钢管以不同角度汇聚于一点，是结构的关键节点，连接的杆件内力较大，节点外形比较复杂。图2为桁架与混凝土柱连接典型铸钢支座节点正视图和轴测图。

2 铸钢节点的设计基本原则

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施工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的设计原则[6]。其基本原则以及注意细节如下：a．铸钢节点必须具有可焊性；节点中各肢杆、筒身等各自中一15。"线宜相交于空间坐标原点，避免产生偏心扭矩。b．为了保证钢液均匀平稳地进入内腔、确保钢水凝固速度，铸钢节点的壁厚不宜过薄。对于空心铸钢管来说，其壁厚为与之相连钢管壁厚的1．5倍～3倍。C．为避免出现尖角，铸钢节点的各铸件之间的内外壁应圆滑过渡，即设计倒角。根据倒角半径的允许范围，在不影响结构功能的条件下，可适当加大倒角半径。其中内腔倒角半径为20~30mm，外腔倒角半径为40～50 mm。d．在内力加大部位设置不影响浇筑的短加劲肋。e．由于铸钢节点要与钢管进行焊接，而且铸钢节点中的铸钢管壁厚比相应钢管要大，若将钢管与铸钢件直接焊接，势必在此处产生较大的焊接应力，因此在设计节点时，应考虑节点与钢管的焊接接口形式。铸钢节点与钢管的焊接为对接焊，在铸钢节点与钢管的焊接处通常要做焊接槽口，即在焊口部位处，铸钢管壁厚度应平滑过渡到与钢管相当的壁厚，槽口尺寸根据铸钢管壁厚和与之相连的钢管壁厚确定。图3为工程中铸钢节点常用的焊接接口形式。

3 铸钢材质选择

工程中铸钢节点与杆件采用焊接连接，所以，在选择铸钢材质时，不但要求材料的力学性能，即材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率、冲击韧性以及屈强比等必须满足设计要求外，还需具有良好的焊接性能，必须将C、S、P含量控制在合适的范围之内，即含碳量宜控制在0．12％～0．2％，S、P含量控制在0．045％以内，碳当量控制在0．44％以内，以便焊接时与钢管材质Q345一B相适应。铸造材料按照钢的化学成分可分为铸造碳钢和铸造低合金钢。由于铸造碳钢的淬透性和力学性能较差以及对大截面构件无法通过热处理进行强化，因此铸造材料主要采用低合金钢，其主要材料为锰(Mn)、硅(Si)、铬(cr)等，这些元素不仅提高了材料的强度，而且大大提高了铸钢塑性、韧性和可焊性。根据《建材机械用碳钢和低合金钢铸件技术条件》(JC 401．2—91)的规定，ZG40Cr和ZG35GrMo两种牌号钢材的屈服强度和抗拉强度基本满足本工程焊接连接用铸钢件的力学性能，但其化学成分中碳含量超出控制范围太多，且其延伸率也较低。另外，在《焊接结构用碳素钢铸件》(GB／T 7659—87)中给出的铸钢件标准，也存在含碳量偏高、强度偏低的问题。所以在上述两本规范中所列出的铸钢牌号并不适应于工程所有的铸钢节点。现在国际上采用的铸钢材料标准有国际标准ISO 3755、日本标准JISG5102、美国标准ASTMA 216、德国标准DIN 17182。其中，德国标准(欧盟标准)中的铸钢件化学成分含量和机械性能指标要求最严格。所以本工程的铸钢节点采用符合德国标准DIN 17182的GS-20Mn5V经调质处理可焊接高韧性的铸钢材料。表1、表2给出了其化学成分及力学性能指标和相关材料的性能。从表中可以看出，德国标准规定的GS-20Mn5V与Q345-B级钢较为匹配。

4 强度判别准则

对于三向受力状态并且具有一定塑性变形能力的铸钢节点，可以用Von Mises应力作为其等效应力，利用畸变能密度准则作为强度准则。

铸钢材料的延伸率都大于22％，具有良好的塑性，即使节点有局部区域进入塑性，也能够通过应力重分布有效地防止节点的破坏，保持其承载能力。根据《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)，可以对其屈服强度乘以一个大于1的有效应力系数β。在计算材料强度设计值时，要考虑钢材的抗力分项系数。根据规定，当结构杆件较重要时，其安全等级应提高一级，即相应的设计可靠度指标提高0．5，相当于作用效应增大10％。作用效应乘以1．1，等效于结构抗力除以1．1。由此，等效强度设计值为：

式中，β根据参考文献[3]可取1．1；对于铸钢材料，由于统计资料还不充分，可取1．282。．

结构强度设计准则可以表达为：

对于工程选用的铸钢材料，在壁厚小于50 mm时其屈服强度不小于360MPa，以360MPa为屈服点，可以计算其设计强度为：

5 有限元分析

5．1 有限元模型

有限元分析采用通用软件ANSYS。由于节点与多根空间汇交杆件相连，并且在铸钢管与球、铸钢管与铸钢管相交处都存在倒角，铸钢节点的体型比较复杂，直接在ANSYS中建模较困难，所以用AutoCAD建立节点的实体模型，然后将其存为SAT文件，直接输入到ANSYS中。节点建模采用10结点四面体实体单元Solid 92，每个结点3个自由度，弹性模量E=2．06×105MPa，泊松比取0．3。有限元模型的几何尺寸及约束条件按照实际情况确定。铸钢支座的底板下部为双向滑动球铰支座，由于该支座三方向均无线位移，因此将铸钢支座底板底面的3个方向的线位移全部约束，反映节点的真实边界条件。

有限元模型采用自由网格划分，对节点转角处适当加强网格密度。通过有限元程序的误差信息(能量百分比误差、单元应力误差、单元能量误差、应力上下限)确定网格划分是否满足要求。有限元模型如图4所示，共有71 090个单元，120 941个结点。节点荷载主要根据结构整体计算的各种工况，从中选取最不利工况下的杆件内力而得到，荷载的施加是将轴向集中力转换为面荷载加在铸钢管的端部。

5．2 节点计算结果分析

计算时，根据钢结构材料的弹塑性特点，对所使用的钢材，使用ANSYS程序中经典双线性随动强化选项(BKIN)，遵守VonMises屈服准则及其相关流动法则，该选项适合于解决初始各向同性的小应变问题，这包括大多数的金属。图5为最不利荷载工况下铸钢节点应力分布云图。由图5可以看力出，铸钢节点在设计荷载下的应力分布规律：在铸钢管与管交汇区域应力较大，局部有应力集中，但是其最大应力都小于材料等效设计强度281 MPa；在远离汇交区域的铸钢管上应力水平较低；在铸钢管与竖板的交界处有应力集中，且已超过材料等效设计强度，但其区域较小，可以通过在铸钢腔体内设置适当的铸造肋来改善此处的应力分布。另外，可以通过调整交汇区域平滑过渡的倒角来减小管交汇局部区域的应力集中。图6为设计荷载下铸钢节点的变形情况。图中深色区域表示发生最大位移的部位。铸钢节点在最不利工况下的最大位移为a1杆件(见图2)的Y向(竖向)节点位移0．74 mm。

6 铸钢节点的缺陷模拟分析与质量控制

6．1 铸钢节点的缺陷模拟分析

本文分析的节点体型大且外形复杂，相关技术条件允许铸钢件(在一定范围内)带缺陷工作。因此，有必要对其带缺陷的工作状态进行模拟，反映其带缺陷工作时的应力状况。为此用ANSYS模拟了铸钢节点带缺陷的工作状态，缺陷尺寸按照《建材机械用铸钢件交货技术条件》(JC 401．4—91)和《建材机械用铸钢件缺陷处理规定》(JC 401．3—91)的规定选取。

在铸钢节点a1杆件管臂上施加缺陷进行有限元分析，分两种缺陷条件进行模拟：A类缺陷为长80 mm、宽和深都为2 mm的裂纹；B类缺陷为半径为15 mm的半圆形孔。图7a为在A类缺陷下的应分布云图。从图7a可以看出，在缺陷边缘达到最大应力223．9 MPa，较不施加缺陷时杆件a1的最大应力192．6 MPa大了约16．3％。图7b为在B类缺陷下的应力分布云图。从图7b可以看出，在孔洞边缘达到最大应力234．5 MPa，较不施加缺陷时杆件a1的最大应力大了约21．7％。

6．2 铸钢节点的质量控制

综上所述，初始缺陷对铸钢节点的性能削弱很多，必须严格控制铸钢节点的质量。为此，在节点的生产及安装过程中主要需进行以下几方面的检测：a．模具制作完毕后，必须进行严格检查。b．化学成分的检测。目前，我国选用铸钢材质时遵循德国标准DIN 17182，制作时采用国内钢材，因此对其化学成分应进行严格检验，并提供相应的化学成分报告。c．力学性能检验。将浇铸钢件的同炉铁水制成标准试件，进行力学性能检验(包括抗拉强度、屈服强度、延伸率和冲击吸收功等)。d．无损探伤检测。对铸件进行无损探伤检测的方法主要为磁粉探伤与射线探伤。e．几何尺寸及空间位置检测。用三维坐标仪对铸钢节点的几何尺寸及空间位置进行检测，并根据测量结果在铸钢件上标出定位线，以利于节点的安装。f．对铸钢件的铸造内外侧倒角、表面粗糙度进行检测。

7结语

1)铸钢节点材质的选择不仅可以满足设计要求的力学性能，而且具有良好的焊接性能。

2)可以根据铸钢材料的屈服强度，考虑节点塑性的有效应力系数、材料的抗力分项系数和构件重要性系数，按照式(2)判别是否满足设计强度的要求。

3)在设计荷载作用下，本工程铸钢节点绝大部分区域的应力在弹性范围内，而整个铸钢节点的变形都很小，所以本工程铸钢节点可以满足强度和刚度的要求。

4)铸钢节点的倒角和短加劲肋能够较好地缓解节点的应力集中。

5)带缺陷铸钢节点的使用性能受到很大削弱，必须严格控制其质量，并对投人使用的铸钢节点进行质量检验。

参考文献

1 戴国欣，李万伟，邢世建。等．重庆江北国际机场新航站楼大跨钢桁架铸钢节点性能研究．建筑结构学报，2005，26(4)：70—75

2 冯维琦，戴国欣．重庆江北国际机场新建航站楼铸钢节点有限元分析．重庆建筑，2005(8)：61—64

3 童丽萍，李英灏．郑州国际会展中心铸钢节点S211一I的受力特性分析．郑州大学学报(理学版)，2005，37(1)：8z一86

4 郑鸿志，童乐为，陈以一，等．哈尔滨会展体育中心屋架铸钢节点性能研究．工业建筑，2005，35(1I)：35—38

5 李恺平，粱子彪，劳智源．广州白云机场东三、西三连接楼钢结构设计．钢结构，2007，22(2)：42—47

6 陈荣毅．大型铸钢节点的设计与分析．广东土木与建筑，2004(2)：6—8

7 刘锡良，林彦．铸钢节点的工程应用与研究．建筑钢结构进展，2004，6(1)：12一19