建筑结构铸钢节点设计课件.pptx
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- 建筑结构 铸钢 节点 设计 课件
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1、引言随着建筑业的飞速发展,为了满足建筑造型及功能要求,新型结构体系不断出现,特别是近几年来,随着空间结构的不断发展,结构跨度愈来愈大,使结构中构件与构件之间的连接变的越来越复杂,连接各构件的节点构造也日趋复杂,使得传统的焊接球节点、相贯节点已不能满足现代钢结构的发展需要;铸钢节点作为我国新兴的节点形式,具有结构多样化、外形美观等特点以及良好的受力性能和适应性以其特有的合理性和实用性而越来越受到工程界的青睐。不仅解决了焊接球节点由于结构跨度的增大使球径过大的困难,而且可解决钢管相贯节点由于进行相贯线的切割导致施工不便的问题。铸钢节点正逐渐应用于大跨度空间钢结构,大型钢结构建筑、桥梁等工程中。铸钢
2、节点在国外,特别是在德国、日本等发达国家,铸钢件节点已得到非常广泛的应用。国内铸钢节点在实际工程中应用逐渐也越来越多。如哈尔滨国际会展中心、郑州国际会展中心、上海新国际博览中心、合肥体育场、广州歌剧院等工程中关键部位均采用铸钢节点。铸钢节点的发展前景然而、目前我国对铸钢节点的研究还比较缺乏,没有一套成熟的设计方法、产品标准和相关规范。还没有相关文献从结构设计方面系统研究铸钢节点。且在实际荷载作用下铸钢节点的应力状况十分复杂,因此对形状复杂的大型铸钢节点大多通过试验(主要是模型试验)研究来取得必要的设计参数。直接制约了其推广应用,因此对大型或形状复杂的铸钢节点有必要进行一系列的设计、制作和试验研
3、究分析。为了适应铸钢节点的快速发展,我国正在编制铸钢节点规范,届时铸钢节点的设计、铸造、施工将有据可依,同时会进一步推动铸钢节点的发展 与此同时,随着国内铸造工艺的提高,铸造成本的下降,以及国内大型会展中心、体育场、飞机场等公共建筑的大量修建,大型空间结构发展迅猛。铸钢节点将更广泛受到工程界的关注。铸钢节点以其可设计为大尺寸,承载能力高,可以铸造成任意形状,适应多方向的传力,预留连接端口与工地杆件连接,工地施焊方便,因此可以很好地满足结构受力、构造、施工的需要。可以预见的是,铸钢节点将成为建筑业尤其是大型空间结构关键部位节点的主要形式之一。铸钢材料及标准铸钢材料及标准铸钢材料按照钢的化学成份分
4、为可分为碳素铸钢,低合金铸钢和高合金铸钢。建筑结构一般主要采用碳素铸钢,低合金铸钢,只有少量在高温,腐蚀环境严重才采用特殊性能的高合金铸钢。由于铸造碳钢的淬透性与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,其主要的合金元素为锰(Mn)、硅(Si)、铬(Cr)等,这些元素不仅提高了材料的强度,而且大大改善了铸钢的塑性、韧性及可焊性。目前广泛应用于工程界的铸钢件标准有很多,主要有国际标准ISO3755、中国标准一般工程用铸造碳钢件(GB1135289)和德国标准的高焊接性能和韧性的通用铸钢件(DIN171821992)以及日本的溶接构造用铸钢品(JIS G 5
5、102)和美国的ASTM A216等。目前铸钢件设计中主要采用德国标准,牌号通常为 GS20Mn5,这种材料的 C、S、P含量限制较严格。C:0.170.23 S:0.015 P 0.02,保证其可焊性,材料的延伸率22,有良好的塑性。铸钢节点类型及特点 可根据实际建筑、结构需要设计出复杂的结构外观和内部构造的节点形式,造型美观,可塑性强。可根据实际的受力状况设计出合理的截面形状,进一步改善节点的应力分布状况。铸钢节点在工厂整体浇筑,与相贯节点相比,可以避免相贯线切割和隐蔽焊缝及焊缝交叉重叠引起的应力集中,大大减少焊接量。铸钢管厚度可根据实际受力需要设计出不同的壁厚,承载力高,抵抗变形能力大。
6、在建筑领域中铸钢节点中化学成分要求比其他领域内铸钢件中的化学成分要求高,对C、P、S的含量严格限制,因此材质有具有较好的塑性、韧性和可焊性。铸钢节点适应性较强,不受节点位置限制。既可以用于支座节点,又可以用于中部节点铸钢件中铸造组织疏松、晶粒粗大,内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷,因此,铸件的力学性能,低于同种材料的锻件。铸件质量不够稳定。铸钢节点类型 实心铸钢节点实心铸钢节点虽然承载力比较大,但由于其在铸造时需要大量钢水,不仅浪费材料,而且使其造价大大提高;此外,实心的铸钢节点由于其本身的自重很大,对结构整体承载力非常不利,故在实际工程中很少采用。半实心半空心铸钢节点 半实心半空心铸钢节点是
7、在实心节点的基础上在某些部位设置减重孔的铸钢节点。为了避免应力集中现象,减重孔的内壁均为光滑的曲面(平面与平面相交处均应圆滑过度,即设倒角),减重孔的位置应避免在各杆件的交汇处,节点在杆件的交汇处是实心的,该节点的承载力和重量均介于实心铸钢件和空心铸钢件之间,此种铸钢件在建筑结构中应用最广。下图为郑州国际会议展览中心的铸钢支座节点图半实心半空心铸钢节点实体模型 空心铸钢节点空心铸钢节点是在实心铸钢节点的基础上,将所有的杆件内部掏空制作成的铸钢节点。下图为郑州国际会议展览中心的空心铸钢节点。该节点的承载力虽然较低,但可大大减少节点重量、降低造价,在满足节点强度和铸造工艺的前提下应该优先采用空心铸
8、钢节点实体模型重庆奥林匹克体育场铸钢空心球管节点 铸钢节点按节点形式分类 铸钢节点根据节点的形式可以分为铸钢空心球管节点、铸钢相贯节点、铸钢支座节点三类。铸钢空心球管节点铸钢空心球管节点与以前普遍采用的焊接空心球节点有很多相似之处。铸钢空心球管节点是将球与钢管根部整体浇注在一起,在管与球相交处圆滑过度,即设置倒角,焊缝位置位于铸钢管上,下图为重庆奥林匹克体育场铸钢球管节点图。铸钢空心球管节点实体模型铸钢相贯节点铸钢相贯节点是根据节点外形将多根杆件的汇交处在厂内浇铸而成,内腔可以是空心,也可以是半空心半实心。空心铸钢相贯节点与钢管相贯节点有很多相似之处但两者有根本区别。钢管相贯节点是主管直通,支
9、管加工成相贯面后,直接与主管焊接。而铸钢相贯节点可根据各汇交杆件的空间位置铸造成各种形式,不受主管直通的限制。与铸钢球管节点一样,在主管与次管的相交处圆滑过度,即设置倒角,见下图铸钢相贯节点实体模型哈尔滨国际会展中心铸钢相贯节点 湖南省政府张弦钢屋盖节点铸钢支座节点铸钢支座是一种特殊的节点形式,是将上部荷载传给下部结构的重要受力节点,因此节点设计的是否合理直接关系到整个结构的安全,但由于其形式差别很大,故很难统一而论,视具体要求而定,见下图。铸钢支座节点郑州会展展览大厅铸钢支座节点 广州歌剧院 铸钢支座节点铸钢节点的设计铸钢节点的设计铸钢节点设计时,在满足铸造工艺构造及强度要求的同时,还应充分
10、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:铸钢节点的设计原则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1.53 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
11、圆滑曲面过渡;6)将设计提供的铸钢节点荷载作用在铸钢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。铸钢节点构造设计 铸件的工艺构造,对铸件的质量和铸造生产的过程有很大的影响。钢水有流动性差、熔化时吸气多、浇注温度高、在铸型中凝固冷却时的线收缩和体收缩大等特点,浇铸钢件时就容易产生浇不足、缩孔、裂纹、变形、枯砂和气孔等缺陷。铸件结构设计不合理,不但增加铸造的困难,提高铸件成本,甚至会导致铸件报废。所谓工艺性好的铸件结构,主要应满足两方面的要求:一方面铸件结构应尽可能简化方便铸件造型和清砂的工艺过程,另一方面在钢水充填铸型及其随后的凝固冷却过程中,要尽量减少在铸件上出现各种
12、缺陷的可能性。因此铸件设计考虑以下几方面:铸钢节点构造设计(1)为使造型(芯)容易,铸件的外形和内腔要尽可能由直面构成,减少突出部分,相邻的凸台要合并,避免在铸件上出现尺寸窄小的内腔和尖角区。简单的铸件外形,还要考虑使铸件在凝固冷却收缩时少受阻碍,以减少产生裂纹变形的可能性。(2)壁上和筋上要适当开孔。对具有封闭形状的铸件来说,为便于治理和防止裂纹,开孔的数量和大小要足够。箱形封闭结构的断面要尽量改成开放形,如“I”形和“”形。(3)为使钢水能很好地充填铸型,铸件壁应有一定的厚度,以免出现浇不足、冷隔等缺陷。(4)为使铸件避免缩孔、缩松的缺陷,铸件结构要具有同时凝固成顺序凝固的条件,尽量减少热
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