關(guān)于開孔鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)探討

1、關(guān)于開孔鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)探討賈立軍 靳宗偉 卓高柱 朱丹暉（濟(jì)南鍋爐集團(tuán)鍋爐技術(shù)中心，濟(jì)南250023；2.中鐵濟(jì)南設(shè)計(jì)院，濟(jì)南250023）摘 要：首先利用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)徐州火車站大跨度無站柱鋼結(jié)構(gòu)雨棚工程中開孔鑄鋼節(jié)點(diǎn)初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，提出方案中存在的問題，通過對(duì)問題的分析研究，給出兩種修改方案，以滿足設(shè)計(jì)要求；同時(shí)通過對(duì)工程項(xiàng)目的計(jì)算分析及設(shè)計(jì)研究，針對(duì)開孔鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提出應(yīng)注意的問題及解決方法，以供設(shè)計(jì)人員及生產(chǎn)廠家參考。關(guān)鍵詞：鑄鋼節(jié)點(diǎn)；應(yīng)力集中；有限元分析隨著大型空間鋼結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展，大跨度空間管鑄桁架鋼結(jié)構(gòu)因其用鋼少，造型優(yōu)美、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于

2、大型會(huì)展中心、體育場(chǎng)管、飛機(jī)廠等大跨度建筑。鑄鋼節(jié)點(diǎn)作為極其重要的構(gòu)件，具有受力明確、傳力直接、承載力大、便于加工等優(yōu)點(diǎn)，在國外已得到成功的應(yīng)用，今年來在過內(nèi)大跨度空間結(jié)構(gòu)中也逐漸得到推廣應(yīng)用，鑄鋼節(jié)點(diǎn)將成為大型空間結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位節(jié)點(diǎn)的主要形式之一。由于大型工程中鑄鋼節(jié)點(diǎn)的極其重要性，有限元分析和足尺試驗(yàn)做得越來越多，有限元分析作為鑄鋼節(jié)點(diǎn)的主要計(jì)算分析方法之一，大量的文獻(xiàn)和試驗(yàn)驗(yàn)證足以證明其分析的可靠性，其應(yīng)用越來越廣泛。本文對(duì)徐州火車站大跨度無站臺(tái)柱鋼結(jié)構(gòu)雨棚工程中開孔鑄鋼節(jié)點(diǎn)的初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有限元分析，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析研究，指出設(shè)計(jì)方案中存在的問題，對(duì)問題進(jìn)行詳細(xì)分析研究，給出2種解

3、決方案，通過對(duì)整個(gè)工程設(shè)計(jì)過程的分析研究，提出了開孔鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)基本原則，同時(shí)給出一些設(shè)計(jì)建議。開孔鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的基本原則：鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足鑄造工藝要求的同時(shí)，必須充分考慮鋼結(jié)構(gòu)在安裝施工過程中與節(jié)點(diǎn)相關(guān)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，并根據(jù)項(xiàng)目技術(shù)要求確定鑄鋼節(jié)點(diǎn)基本設(shè)計(jì)原則，主要有：鑄鋼節(jié)點(diǎn)必須具有可焊性，便于和結(jié)構(gòu)連接；節(jié)點(diǎn)中各肢桿、筒身等各自中心線宜交于空間坐標(biāo)原點(diǎn)，避免產(chǎn)生偏心扭矩；節(jié)點(diǎn)肢桿和桁架桿件間應(yīng)為對(duì)接熔透焊縫，節(jié)點(diǎn)各肢桿在端面應(yīng)做成適當(dāng)?shù)钠驴诤瓦^渡圓?。辉谠O(shè)計(jì)開孔時(shí)應(yīng)盡量縮減開孔的面積區(qū)域，同時(shí)要進(jìn)行坡口的補(bǔ)強(qiáng)工作；在容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的地方，特別是主弦桿開孔位置因軸力而產(chǎn)生的應(yīng)力

4、集中，應(yīng)設(shè)置足夠的過渡圓弧或采用對(duì)集中應(yīng)力進(jìn)行分解、分散化處理；對(duì)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行有限元計(jì)算分析，做到設(shè)計(jì)有的放矢，安全可靠；鑄件設(shè)計(jì)完成后要進(jìn)行足尺試驗(yàn)以確保產(chǎn)品的安全可靠性能。工程實(shí)例：徐州火車站大跨度無站臺(tái)柱鋼結(jié)構(gòu)雨棚，上部鋼結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力張弦桁架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。4條斜腹桿和主弦桿交匯于鑄鋼節(jié)點(diǎn)處，由于斜拉索要穿過鑄鋼節(jié)點(diǎn)故形成了開孔鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。該鑄鋼節(jié)點(diǎn)的受力分析和設(shè)計(jì)十分重要，鑄件材料參照德國規(guī)范DIN17182,材質(zhì)為GS-20Mn5（調(diào)質(zhì)）相見表1。 開孔鑄鋼節(jié)點(diǎn)初步設(shè)計(jì)方案如圖2所示，雨棚結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示，鑄件厚度為30mm。圖1 雨棚上部預(yù)應(yīng)力張弦桁架結(jié)構(gòu)示意表1 鑄件

5、材料性能厚度/mm屈服強(qiáng)度/MPa屈服強(qiáng)度/MPa伸長率/%沖擊力/J505010036030050065050065024247050鑄鋼節(jié)點(diǎn)有限元分析：采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行分析，選用10節(jié)點(diǎn)四面體單元Solid92，該單元可以適用于復(fù)雜邊界形狀三維實(shí)體模型的網(wǎng)格劃分，具有良好的計(jì)算精度。采用自由劃分網(wǎng)格模式，對(duì)局部重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行細(xì)劃。節(jié)點(diǎn)分析時(shí)對(duì)1/2鑄件直筒段端面采用全約束形式，進(jìn)行線彈性分析，分析模型取整個(gè)開孔鑄鋼節(jié)點(diǎn)的1/2，開孔在上表面較弱的一半。鑄鋼材料的彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比=0.3。初步設(shè)計(jì)方案的應(yīng)力分析：對(duì)上述設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有限元線彈性分析

6、，圖4為鑄件等效應(yīng)力分布云圖，可以看出最大應(yīng)力出現(xiàn)在圖4的MX處，應(yīng)力值為765.515MPa；產(chǎn)生原因?yàn)閼?yīng)力集中，圓筒段的最大應(yīng)力約為426MPa，均超出材料的屈服強(qiáng)度360MPa，不能滿足設(shè)計(jì)要求。圖4 初步設(shè)計(jì)方案鑄件等效應(yīng)力云圖 Mpa從應(yīng)力結(jié)果和圖4可以看出：開孔區(qū)域應(yīng)力值較大，遠(yuǎn)離開孔區(qū)域應(yīng)力值較小，證實(shí)了開孔對(duì)鑄件的極大削弱作用，使鑄件的整體承載能力迅速下降。在開孔區(qū)域的接頭處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，MX處最大應(yīng)力值達(dá)到765.515MPa，應(yīng)力集中現(xiàn)象在工程設(shè)計(jì)中是極其危險(xiǎn)的，應(yīng)設(shè)法避免。直通段的最大應(yīng)力值為426MPa，超出材料的屈服強(qiáng)度，由于鑄件壁厚不夠造成強(qiáng)度不足。直筒段和腹桿

7、連接區(qū)域強(qiáng)度足夠不需加強(qiáng)。兩種解決方案的比較：針對(duì)以上對(duì)初步設(shè)計(jì)方案計(jì)算結(jié)果的分析研究，明確需要解決的問題為：1）在設(shè)計(jì)開孔時(shí)盡量縮減開孔的面積區(qū)域，同時(shí)要進(jìn)行開孔的補(bǔ)強(qiáng)工作；2）在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免產(chǎn)生應(yīng)力集中，對(duì)應(yīng)力集中處要進(jìn)行應(yīng)力分解、分散化處理；3）增加壁厚。以下給出2個(gè)主要修改方案：方案1，對(duì)應(yīng)力集中區(qū)進(jìn)行應(yīng)力分解、分散化處理，即把原先的圓弧過渡設(shè)計(jì)成中間為平段兩側(cè)為兩個(gè)圓弧平滑過渡，同時(shí)簡體和圓臺(tái)體厚度由30mm改為50mm，如圖5所示；方案2，將方案1中的厚度改為40mm，同時(shí)在應(yīng)力集中區(qū)設(shè)置一圈平滑的加強(qiáng)筋，對(duì)接頭端部進(jìn)行局部填充補(bǔ)強(qiáng)，如圖6所示。從兩種方案的計(jì)算分析結(jié)果圖7、圖

8、8看出，強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。 圖5 方案1模型圖6 方案2模型圖7 方案1分析等效應(yīng)力云圖 MPa最佳方案的確定：兩種方案的設(shè)計(jì)均滿足要求，方案1鑄件質(zhì)量為556，方案2鑄件質(zhì)量為470kg；從節(jié)約資源減少成本角度考慮，選用方案2進(jìn)行開孔鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。圖8 方案2分析等效應(yīng)力云圖 Mpa結(jié)尾和建議：本文首先提出了開孔鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)基本原則，然后利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)開空鑄鋼節(jié)點(diǎn)的初步設(shè)計(jì)方案及2中修改方案進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，通過對(duì)分析計(jì)算結(jié)果的比較研究，對(duì)開孔鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提出以下建議：1） 開孔鑄鋼節(jié)點(diǎn)的薄弱環(huán)節(jié)易出現(xiàn)在開孔處。2） 開孔區(qū)域應(yīng)力值較大，遠(yuǎn)離開孔區(qū)域應(yīng)力值較小，證實(shí)了開孔對(duì)鑄件的極大削弱作用，使鑄件的整體承載能力迅速下降。3） 在開孔區(qū)域的接頭處易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象：應(yīng)力值迅速升高而使鑄件