铸钢节点在枝状空间钢结构中的应用

yingfeng201973

铸钢节点枝状空间钢结构
铸钢节点
由于结构新颖独特,尤其是 铸钢节点造型复杂、体积庞大，给节点的计算和受力分 析带来困难。
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铸钢节点具有不同性、多枝性、分枝多向性、体积庞大、重量大等特点。从模型选择与制作、骨架打孔 定位、插杆，到铸件精度控制，都是铸钢铸造的新课题。
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枝状空间结构为不规则结构，规模庞大，确保黄金树整体安装到位且控制其精度,是一大难题0
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黄金树的安装测控是一个复杂、庞大的体系。 安装过程中的累计误差控制难,相关节点的协调和修 正难。

枝状空间结构焊接约束较多，焊接变形控制较难，铸钢件体形复杂、现场焊接空间狭窄，而且铸件与 钢管对接为不同材质、不同壁厚的高空全位置焊接。

铸钢节点案例
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; g6 z; P- \* }$ Y$ ~1 J5 z( A黄金树结构与铸钢节点造型的深化设计、节点铸 造、结构安装、测控与焊接等方面的综合技术在国内尚 无先例可循，具有较大难度。
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巨型复杂铸件的设计及验算
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. s4 l6 {0 v4 w; T, h! X4 `通过对节点的大量计算 和分析，创造性地釆用半空 心半实心的节点形式(见图 2),解决了铸钢节点的构造和受力难题。

# ]' u+ ?! w4 f- v& Q. ]材质 通过化学成分、力学性能比较,选用中 国牌号ZG275485H代换原牌号(日本)SCW480焊接结 构用铸钢件。
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模型建立 节点设计既要保证建筑安全，又要 满足铸造工艺可行，安装方便。选取一些代表性的节 点建立计算模型进行分析G
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节点计算 运用ANSYS**计算节点的弹塑 性应力分布及极限承载力，考核其节点的破坏机理。
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4 C9 t) V! k  D2 b节点分析与选择实心节点极限承载力 为设计承载力的45倍左右，铸造相对容易，但造成材 料的浪费，加大了节点的自重，同时难以解决一些焊接 技术问题，对整个黄金树结构受力将产生不利的作用； 空心节点 模型壁厚取28mm时，极限承载力为设 计承载力的5.71倍，材料省，自重轻，但给铸造带来相 当大的困难；半实心节点节点管径450mm或 350mm,壁厚40mm。极限承载力为设计承载力的15倍 左右，可以减轻节点自重，能解决节点焊接难度，同时 铸造工艺可行;根据各类型节点受力状况及铸造、安 装、焊接难度进行综合考虑，选择安全、经济、合理可行 的半空心半实心节点。
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铸件的铸造工艺
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& _! V! Q$ u! K1 s* ^: W8 g  @针对铸件体积大、重量大、分枝多及半空心等特 点，经查询资料和市场调研，传统的木模、蜡模、金属模 等工艺均不能解决制模问题，这就要求在模型选择与 制作、铸造工艺、成品的精度控制等方面采用新工艺。
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1 ^5 ~* n# J/ N& [, m, D- A1 f% k模型选择消失模铸造工艺广泛运用于汽车 制造业，模具的材料可以随钢水自然挥发消失,但用于 如此复杂的建筑还是第一次。经过改进，采用消失模 铸造工艺。

6 P- J# l; s/ w模型制作将图纸数据转换成机床能够识别 的数据格式，然后制作模型骨架，在骨架中心处的圆球 上打孔定位,然后将经特殊处理的杆件插入孔内，既保 证杆件空间位置的准确性,又控制了每根杆件的长度。 经修整后，形成模型骨架。
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铸造工艺 主要控制内容:采用透气性好、 强度高、干燥快的醇基涂料;布设浇铸系统;向砂 箱内通COz气体，使砂型硬化，然后注入钢水进行浇 铸;热处理改善钢性能;后处理控制铸件外观。
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. x* {4 A9 [; \4 w! z: q* I精度控制在铸造过程中，采用三坐标仪测量 控制铸钢件空间位置精度。为确保铸钢件铸造工艺更 加合理，使节点几何形状、外观达到建筑设计要求，在 正式生产前，选取典型的429号节点，按照1 ： 1的比例 进行模具制造试验及浇铸试验。

树枝结构安装工艺

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" a0 e. r% k  D/ j4 ~+ M, Y! I1 Q枝状空间结构打破了传统的横平竖直的结构形 式,对现场安装提出了较高的技术要求I枝状空间结 构为不规则结构，节点铸件形状各异、外形复杂、体积 庞大。针对其形式和特点，制定了由下向上、由内及 夕卜、由主枝到次枝的空间定位安装工艺:

" @5 Y: O3 Y' W5 ?% H* u1 \根据黄金树结构及安装工艺，建立计算模型， 进行各安装工况和胎架拆除过程中树枝结构整体内力 分析,为结构安装提供计算依据。
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, X/ f* t0 X5 p' O, M4 i黄金树1:10现场安装模拟，核实安装工艺。

高空组装采取由下向上、由中间向四周、由主 到次依次安装，将每个节点安装与精校到位。实际安 装按照主干、第1层主杆件、组合空间三角形构件、组 合三棱锥体构件、伞形屋面杆件的顺序进行。

2 p3 R1 r/ R& u- K( i" O3 C在铸钢节点下方搭设节点安装与校正专用固 定架与支撑架，吊装节点至支撑架上，调校节点至设计 位置。

选择合理的焊接工艺，制定焊接顺序,减少焊 接约束，有效控制焊接变形。

9 `: G) D7 N' S1 f7 L5 X对结构内力进行监控。在安装过程、焊接前 后、胎架拆除前后进行黄金树整体结构的应力-应变测 试,确保结构施工过程的安全。
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庞大的树枝结构测控技术

  P1 C+ s: a1 p采取有效的测控技术进行树枝结构全程测控，并 采用预先控制，坐标引出，跟踪测量，严格控制安装顺 序、工艺流程等技术措施。

采用计算机编程，在制作厂将节点中心坐标转化 为实物表面三维坐标，每个铸件选取3个以上测量标 志点。树枝结构全程测控釆取全站仪极坐标测量法， 分4个步骤重点控制:着重测控单个节点精度;利 用结构上铸件与杆件形成的第1层面的封闭的三角 形，在单个节点精确安装的基础上，精确调校三角形的 空间位置;在三角形框架基础上，得到相对稳定的组 合三棱锥体，精确调校三棱锥体的各个构件及锥体的 空间位置;精确控制黄金树的整体外形尺寸° 2.5异种钢材焊接技术
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# O) f& b& ^% v( s; @6 f" u2 T/ g通过优化和改进焊接工艺,控制整体焊接变形、控 制节点各分枝焊接变形、控制单个接头焊接变形，从而 解决了不同材质、不同壁厚钢管对接焊的难题,保证了 焊接质量和节点传力的安全。
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2 L9 `& `# i# Z& N+ q$ ^% C& c铸件与钢管对接为不同材质、不同壁厚的全方位 高空焊接，且在树枝枝杈附近焊接空间极其狭窄。在 节点的设计及验算中，为保证焊接质量,要预先考虑足 够的焊接空间。正式焊接前，进行1：1的多参数模拟 焊接与试验检测，以确定佳的焊接参数及工艺措施