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在體育場大跨度鋼結構設計中，為了實現內柱從菱形截面到矩形截面的轉換，在內柱底部設置了多面體鑄鋼節(jié)點。介紹多面體鑄鋼節(jié)點的幾何構型方法與緩解多面體在交匯區(qū)應力集中的措施，有限元，計算方法與 強度設計準則，鑄鋼件材質要求以及制作流程、加工工藝、質量控制等方面的情況。

關鍵詞鑄鋼節(jié)點有限元，分析強度準則 圓化處理鑄造工藝

1.工程概況

體育場是北京 2008 年奧運會的主體育場。建筑頂面呈 鞍形，長軸為 332. 3m，短軸為 297. 3m, 點高 度為 68. 5m，點 高度為 40. l mo 屋 蓋中間 開洞 長 度 為 185. 3m，寬度為 127. 5mo 主 體 鋼結 構由 24 榻主楠架呈放射狀布置而成，與屋面及立面的次結構一起形成了“鳥巢”的特殊建筑造型。由于在體育場大跨度鋼結構中大量采用焊接薄壁 箱形構件，其節(jié)點構造與受力形態(tài)非常復雜，很多節(jié)點形式在國內外尚無相關的技術規(guī)范與工程實例， 因此需要針對各種節(jié)點進行大量的有限元計算分   析，并通過反復論證最終確定節(jié)點幾何構型的合理 性與加工制作的可行性，以保證節(jié)點設計的安全性。

椅架柱是體育場主體鋼結構的重要組成部 分，椅架柱由兩個近似方形的外柱、一個菱形內柱及腹桿組成 ，24 根巨大的椅架柱支承整個 上部屋蓋鋼結構。外柱以 13.o·～ 13. 9°向 外 傾 斜 ，在椅架柱底部 1 . 5m 標高處 ，兩個外柱與內 柱合 并在一起 ，在柱底形成 T 形合并段 ，如圖 1 所示。 為了使合并段的構造盡量簡單，需要在合并之前將內柱的菱形轉換 為矩形截面。

如何實現內柱從菱形截面到矩形截面的合理過渡，在保證其受力性能可靠的同時構造比較簡單，是設計中必須解決的關鍵問題。如果過渡段采用由多塊三角形鋼板焊接而成的節(jié)點，將會不可避免地出現多條焊縫交匯的情況，節(jié)點的受力性能與外觀質量都難以保證。為了避免焊接節(jié)點存在的不足，在標高 1. 500～ 3. 750m的區(qū)段內采用多面體鑄鋼節(jié)點實現內柱菱形截面到矩形截面的轉換。

由于楠架柱受力很大，菱形內柱作為精架柱的 受壓構件作用非常關鍵，因而內柱底部的鑄鋼節(jié)點 受力的可靠性對保證整個結構安全具有非常重要的意義。

本工程采用的鑄鋼節(jié)點具有外形尺寸大、單件 質量大、材料強度高等特點。由于菱形內柱的平面 尺 寸 為 2  599mm × 1  353mm ～ 1  892mm × 1 552mm，節(jié)點總高 達 2 . 02m，壁厚達 130mm ,

質量為18 .缸，其外形尺寸和單件質量在建筑領域中均屬罕見。由于菱形內柱受力巨大，采用了Q345JG、Q460 等高強鋼材，故對鑄鋼材料的強度與可焊性均有很高的要求。

在本工程鑄鋼轉換節(jié)點處，多面體幾何造型容易導致在面與面的匯交線處產生應力集中現象，需要通過構造措施減小其不利影響。另外，在設計中還需要考慮鑄鋼節(jié)點在加工制造過程中的工藝控制與驗收標準問題。由于目前國內尚無建筑鑄鋼節(jié)點的設計與加工技術規(guī)程，因此需要對鑄鋼節(jié)點提出相應的技術要求。

2.多面體鑄鋼節(jié)點設計

2.1 幾何構型

鑄鋼件壁厚的確定主要依據鑄鋼節(jié)點與相鄰上部菱形構件等強的原則。本工程在不同部位鑄鋼節(jié)點壁厚變化較大，壁厚為 130mm，最小壁厚僅為 36mm。

鑄鋼節(jié)點采用八面體幾何構型，傾斜側壁與菱形內柱表面夾角 為 159°，在八面體鑄鋼 節(jié)點的上、下端部設置水平加勁肋承擔傾斜側壁產生的水平分力，保證側壁的穩(wěn)定性，提高鑄鋼節(jié)點的整體剛度。綜合考慮鑄造工程中的清渣要求以及現場焊接的要求，分別 在 上、下端水平 加勁肋設置 650mm ×450mm 的橢圓形人孔與＜／＞150 的圓孔 �？紤]到部分鑄鋼節(jié)點尺寸較大，構件壁厚相對較薄，為了提高鑄鋼件側壁的穩(wěn)定性，在鑄鋼節(jié)點 1/ 4 截面處設置兩道縱向 加勁肋。在確定縱向加勁肋壁厚時，除需考慮節(jié)點構造特點與受力性能外，還應結合鑄造工藝要求，保證鋼水流動順暢，內、外表面散熱均勻，有效避免鑄鋼節(jié)點內部缺陷。鑄件內 壁的理想厚度〔1  〕應為外壁厚度的0. 7～ 0.8 倍。

在確定鑄件內部圓弧半徑時，應綜合考慮鑄造時流漿需要、節(jié)點受力特點，避免應力過于集中。但 鑄件內部圓弧半徑也不宜過大，否則將造成局部壁厚過大與用鋼量增加。傾斜側壁與垂直側壁之間倒角半徑均為1 103mm，使得鑄鋼節(jié)點在內力順利傳遞的同時，具有良好的外觀效果。

設計時采用 CAT IA 軟件進行三維空間建模， 菱形內柱Cl 2 與σ 的多面體鑄鋼節(jié)點實體模型如圖 2  所示。典型鑄鋼節(jié)點的構造與幾何參數分別如

圖3 和表1 所示。

1.2 鑄鋼材質要求

由于上部構件采用Q345GJ 、Q 460高強鋼材，材料應力比較高，故必須采用高強度鑄鋼材料。同鑄鋼節(jié)點必須有良好的機械性能與焊接性能。本工程鑄鋼件材質根據德國DI N -1 71 82標準，選用G S- 20 M n5 V（調質）材質。由于該鋼種具有較高的強度、良好的可焊性和低溫沖擊韌性，可以滿足本工程對鑄鋼節(jié)點材質的要求。

GS-20Mn5V爐前分析化學成分應符合表2的材要求，鑄件或單獨試塊的化學成分的偏差應滿足時，ISO4990的規(guī)定，如表3所示。經調質熱處理后，鑄鋼件的機械性能應滿足表4           的要求。為了滿足可焊性要求，鑄鋼材料的碳當量C不大于 0 . 45%。

為了與和架柱鋼材的性能保持一致，在設計中要求鑄鋼材料在-20 ℃時的沖擊韌性不小于34J。

2.3鑄鋼件接口設計

鑄鋼件與相鄰構件的連接是鑄鋼節(jié)點設計中的一個重要環(huán)節(jié)。對于鑄鋼節(jié)點與上部菱形內柱的連接，由于應力比較高，菱形柱采用Q345GJ 和 Q 460 高強鋼材，構件鋼材的強度高于鑄鋼材料，鑄鋼件壁厚一般大于構件的壁厚。為使高強材料與低強材料之間內力均勻傳遞，避免產生局部應力集中現象，在鑄鋼件上端接口同時設置水平焊縫與背部填充焊 縫，以保證鋼構件中的較高應力可以有效擴散為鑄鋼件中的較低應力。高強鋼材、焊接材料和鑄鋼件的有限元模型與其應力分析結果如圖4 所示。對于多面體鑄鋼件的下端口，由于應力較低，故鑄鋼件下端口與箱形構件僅設置水平焊縫，具體做法參見圖

4鑄造工藝與質量控制

由于對本工程鑄鋼件在材質、外形尺寸、鑄件單重、機械性能、焊接性能以及外觀質量方面都提出了很高的要求，若生產過程控制不當將會出現化學成分偏差、機械性能不合格、尺寸偏差、表面質量差以及鑄造缺陷等質量問題。因此，必須保證合理的鑄造工藝，并針對本工程鑄鋼件的特點制定一套完整的質量控制體系和檢驗方案，以保證對加工工藝流程的每個環(huán)節(jié)進行嚴格的控制，確保鑄鋼節(jié)點質量。本工程的鑄鋼件由樂山斯堪納機械制造有限公司和江蘇永益鑄管有限公司負責加工制作。

4.1體育場鑄鋼件鑄造工藝流程

鑄造工藝流程主要分為以下幾個方面：

1)模型制作

本工程的鑄鋼節(jié)點采用木質模塊。根據鑄鋼制作方案確定木模的結構，木模制作需要嚴格控制幾何尺寸精度與表面質量，每一步都要做到自檢、互檢，合格后方能轉入下道工序。其中著重解決木模的變形問題。

2）造型與合箱

造型材料采用樹脂粘結砂的加熱硬化工藝方法，它具有鑄件尺寸精度高、表面質量好等諸多優(yōu)點，在工藝規(guī)定的溫度下，樹脂迅速發(fā)生交聯反應而硬化，并采取有效措施避免鑄件在凝固后開始收縮 而受阻產生的裂紋問題。原砂的粒度大小、種類、型砂強度、型砂的密實度等均會影響鑄件表面質量。

合箱前對砂型表面進行烘干，吹凈型腔中散砂， 保證澆口、出氣孔暢通；合箱后，在澆、冒口上加蓋板以防止砂子進入型腔。

3） 熔 煉

確定 GS-20Mn5V 材質鋼種冶煉工藝，選用 優(yōu)質廢鋼作為熔煉原料，嚴格按工藝要求配料。冶煉 工藝控制包括熔化期早期脫磷操作；氧化期保證脫 碳量和脫碳速度以及凈沸騰的時間；還原期保證白 渣時間，利用光譜分析儀對成品樣進行化學成分檢 驗，采用電弧爐冶煉，通過吹氧等氣體攪拌精煉技 術，提高產品機械性能。

4） 澆 注

根據本工程鑄鋼件的具體情況，燒注杯口與冒 口功能合一，合理確定冒口的數量、大小與位置，防止熔渣、雜質和氣體卷入，同時起到排氣和收集（液流前沿混有夾雜物的鋼水）作用。當單個電弧爐容 量不足時，應保證鋼包烘烤溫度，出鋼后應根據溫度高低進行適當的，保證澆注溫度符合工藝要求。

5）調質熱處理

由于每爐熔煉金屬的化學成分存在一定的波 動，因此需要根據不同鑄件的成分對熱處理參數進行調整，以保證鑄鋼件的機械性能。裝爐時盡可能使同一冶煉爐次的鑄件同爐，裝爐時要墊平鑄件，防止產品變形。

鑄鋼件在調質過程中應嚴格把握加熱、保溫和冷卻三個環(huán)節(jié)，合理確定熱處理工藝參數。鑄件與鑄件、鑄件與爐體之間的間隙要保證，使鑄件各部分均勻受熱、冷卻。悴火時的冷卻速度對材料性能影響很大，因此對摔火用的水池容積提出嚴格要求，以控制碎火冷卻速度。

6）機加工工藝

本工程對鑄鋼件上、下端口與相鄰構件連接處   的幾何偏差控制較為嚴格，因此需對毛坯進行檢驗， 并進行相應的機加工處理。同時，建筑師對鑄鋼件的外觀要求很高，表面粗糙度不大于100?m ，需要時可采取拋丸、打磨等措施。

4.2質量控制與驗收標準

為了保證鑄鋼件的質量，針對本工程鑄鋼件制定了一系列包括尺寸偏差、外觀質量、鑄造缺陷等內容的質量控制措施及質量驗收標準。

1)熱處理后進行機械性能檢測，按本 工 程 制 定的施工驗收標準要求進行拉力試驗和  20℃下的沖擊韌性試驗。

2）鑄件粗磨后和成品均進行質量檢測，按《鑄鋼件超聲波探傷及質量評級方法》（GB  7233-1987) 進行超聲波探傷，應符 合 質量 等級 H 級 規(guī)定。 對不能進行超聲波探傷的部位進行磁粉探傷。

3）鑄鋼件應清理干凈，修理 飛邊 、毛刺，去除 澆注冒口、粘砂和氧化皮。

4）鑄鋼件表面不得有裂紋 、砂眼、氣孔及明顯凹坑等鑄造缺陷，表面應光滑平整，其內腔不得有可脫 落的殘余物質。

5）鑄件出箱和成品均進行尺寸、形狀檢測，尺寸  偏差按《鑄鋼件尺 寸公差》（擊/f 6414 一1986）中的CTlO 級執(zhí)行。

6）鑄件加工完成后需提供幾何尺寸、加工精度、鑄鋼材質化學成分、各項力學性能、無損探傷及與Q345GJ、Q460 之間的可焊性等方面的檢驗結果并提供第三方檢測報告。