鑄鋼節(jié)點枝狀空間鋼結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用

深圳文化中心黃金樹為鑄鋼節(jié)點枝狀空間鋼結(jié)構(gòu)，介紹了巨型復(fù)雜鑄件的設(shè)計與鑄造工藝,樹枝結(jié)構(gòu)安裝 工藝及測控手段，復(fù)雜條件下異種鋼材的焊接。

鋼結(jié)構(gòu);空間結(jié)構(gòu);鑄鋼;節(jié)點;設(shè)計;鑄造;安裝;焊接變形

深圳市文化中心由音樂廳、圖書館和室外大平臺 組成，長312m,寬89.7m,高40m,總建筑面積8.98萬 m\圖書館和音樂廳入口處均設(shè)有對稱分布的樹型結(jié) 構(gòu)的大前廳,樹型結(jié)構(gòu)表面裝飾成黃金色，故稱黃金 樹。黃金樹按照樹的生長機理設(shè)計，從下至上由主干、 粗枝、中枝和端枝組成，多根鋼管桿件以不同的角度匯 交于一點,為鑄鋼節(jié)點枝狀空間鋼結(jié)構(gòu)(見圖1)。黃金 樹建筑高度達40m,2棵樹投影面積約3400m2 0匯交節(jié)

點共計67個，形 狀各異，節(jié)點伸出 的枝管數(shù)量為3~ 10個。鋼結(jié)構(gòu)工 程量約1200t,主桿 件共計216根。復(fù)雜鑄鋼節(jié)點達

10個分枝、重達7.71U

鑄鋼節(jié)點

本工程的深化設(shè)計按國外做法由施工單位完 成，設(shè)計單位只進行審查。由于結(jié)構(gòu)新穎,尤其是 鑄鋼節(jié)點造型復(fù)雜、體積龐大，給節(jié)點的計算和受力分 析帶來困難。

鑄鋼節(jié)點具有不同性、多枝性、分枝多向性、體 積龐大、重量大等特點。從模型選擇與制作、骨架打孔 定位、插桿，到鑄件精度控制，都是鑄鋼鑄造的新課題。

枝狀空間結(jié)構(gòu)為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，規(guī)模龐大，確保 黃金樹整體安裝到位且控制其精度,是一大難題0

黃金樹的安裝測控是一個復(fù)雜、龐大的體系。 安裝過程中的累計誤差控制難,相關(guān)節(jié)點的協(xié)調(diào)和修 正難。

枝狀空間結(jié)構(gòu)焊接約束較多，焊接變形控制較 難，鑄鋼件體形復(fù)雜、現(xiàn)場焊接空間狹窄，而且鑄件與 鋼管對接為不同材質(zhì)、不同壁厚的高空全位置焊接。

鑄鋼節(jié)點案例

黃金樹結(jié)構(gòu)與鑄鋼節(jié)點造型的深化設(shè)計、節(jié)點鑄 造、結(jié)構(gòu)安裝、測控與焊接等方面的綜合技術(shù)在國內(nèi)尚 無先例可循，具有較大難度。

2.1巨型復(fù)雜鑄件的設(shè)計及驗算

通過對節(jié)點的大量計算 和分析，創(chuàng)造性地釆用半空 心半實心的節(jié)點形式(見圖 2),解決了鑄鋼節(jié)點的構(gòu)造和受力難題。

材質(zhì) 通過化學(xué)成分、力學(xué)性能比較,選用中 國牌號ZG275485H代換原牌號(日本)SCW480焊接結(jié) 構(gòu)用鑄鋼件。

模型建立 節(jié)點設(shè)計既要保證建筑安全，又要 滿足鑄造工藝可行，安裝方便。選取一些代表性的節(jié) 點建立計算模型進行分析G

節(jié)點計算 運用ANSYS軟件計算節(jié)點的彈塑 性應(yīng)力分布及極限承載力，考核其節(jié)點的破壞機理。

節(jié)點分析與選擇實心節(jié)點極限承載力 為設(shè)計承載力的45倍左右，鑄造相對容易，但造成材 料的浪費，加大了節(jié)點的自重，同時難以解決一些焊接 技術(shù)問題，對整個黃金樹結(jié)構(gòu)受力將產(chǎn)生不利的作用； 空心節(jié)點 模型壁厚取28mm時，極限承載力為設(shè) 計承載力的5.71倍，材料省，自重輕，但給鑄造帶來相 當(dāng)大的困難；半實心節(jié)點節(jié)點管徑450mm或 350mm,壁厚40mm。極限承載力為設(shè)計承載力的15倍 左右，可以減輕節(jié)點自重，能解決節(jié)點焊接難度，同時 鑄造工藝可行;根據(jù)各類型節(jié)點受力狀況及鑄造、安 裝、焊接難度進行綜合考慮，選擇安全、經(jīng)濟、合理可行 的半空心半實心節(jié)點。

2.2鑄件的鑄造工藝

針對鑄件體積大、重量大、分枝多及半空心等特 點，經(jīng)查詢資料和市場調(diào)研，傳統(tǒng)的木模、蠟?zāi)！⒔饘倌?等工藝均不能解決制模問題，這就要求在模型選擇與 制作、鑄造工藝、成品的精度控制等方面采用新工藝。

模型選擇消失模鑄造工藝廣泛運用于汽車 制造業(yè)，模具的材料可以隨鋼水自然揮發(fā)消失,但用于 如此復(fù)雜的建筑還是次。經(jīng)過改進，采用消失模 鑄造工藝。

模型制作將圖紙數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成機床能夠識別 的數(shù)據(jù)格式，然后制作模型骨架，在骨架中心處的圓球 上打孔定位,然后將經(jīng)特殊處理的桿件插入孔內(nèi)，既保 證桿件空間位置的準(zhǔn)確性,又控制了每根桿件的長度。 經(jīng)修整后，形成模型骨架。

鑄造工藝 主要控制內(nèi)容:采用透氣性好、 強度高、干燥快的醇基涂料;布設(shè)澆鑄系統(tǒng);向砂 箱內(nèi)通COz氣體，使砂型硬化，然后注入鋼水進行澆 鑄;熱處理改善鋼性能;后處理控制鑄件外觀。

精度控制在鑄造過程中，采用三坐標(biāo)儀測量 控制鑄鋼件空間位置精度。為確保鑄鋼件鑄造工藝更 加合理，使節(jié)點幾何形狀、外觀達到建筑設(shè)計要求，在 正式生產(chǎn)前，選取典型的429號節(jié)點，按照1 ： 1的比例 進行模具制造試驗及澆鑄試驗。

2.3樹枝結(jié)構(gòu)安裝工藝

鑄鋼節(jié)點-深圳機場

枝狀空間結(jié)構(gòu)打破了傳統(tǒng)的橫平豎直的結(jié)構(gòu)形 式,對現(xiàn)場安裝提出了較高的技術(shù)要求I枝狀空間結(jié) 構(gòu)為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，節(jié)點鑄件形狀各異、外形復(fù)雜、體積 龐大。針對其形式和特點，制定了由下向上、由內(nèi)及 夕卜、由主枝到次枝的空間定位安裝工藝:

根據(jù)黃金樹結(jié)構(gòu)及安裝工藝，建立計算模型， 進行各安裝工況和胎架拆除過程中樹枝結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力 分析,為結(jié)構(gòu)安裝提供計算依據(jù)。

黃金樹1:10現(xiàn)場安裝模擬，核實安裝工藝。

高空組裝采取由下向上、由中間向四周、由主 到次依次安裝，將每個節(jié)點安裝與精校到位。實際安 裝按照主干、第1層主桿件、組合空間三角形構(gòu)件、組 合三棱錐體構(gòu)件、傘形屋面桿件的順序進行。

在鑄鋼節(jié)點下方搭設(shè)節(jié)點安裝與校正專用固 定架與支撐架，吊裝節(jié)點至支撐架上，調(diào)校節(jié)點至設(shè)計 位置。

選擇合理的焊接工藝，制定焊接順序,減少焊 接約束，有效控制焊接變形。

對結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行監(jiān)控。在安裝過程、焊接前 后、胎架拆除前后進行黃金樹整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變測 試,確保結(jié)構(gòu)施工過程的安全。

2.4龐大的樹枝結(jié)構(gòu)測控技術(shù)

采取有效的測控技術(shù)進行樹枝結(jié)構(gòu)全程測控，并 采用預(yù)先控制，坐標(biāo)引出，跟蹤測量，嚴(yán)格控制安裝順 序、工藝流程等技術(shù)措施。

采用計算機編程，在制作廠將節(jié)點中心坐標(biāo)轉(zhuǎn)化 為實物表面三維坐標(biāo)，每個鑄件選取3個以上測量標(biāo) 志點。樹枝結(jié)構(gòu)全程測控釆取全站儀極坐標(biāo)測量法， 分4個步驟重點控制:著重測控單個節(jié)點精度;利 用結(jié)構(gòu)上鑄件與桿件形成的第1層面的封閉的三角 形，在單個節(jié)點精確安裝的基礎(chǔ)上，精確調(diào)校三角形的 空間位置;在三角形框架基礎(chǔ)上，得到相對穩(wěn)定的組 合三棱錐體，精確調(diào)校三棱錐體的各個構(gòu)件及錐體的 空間位置;精確控制黃金樹的整體外形尺寸° 2.5異種鋼材焊接技術(shù)

通過優(yōu)化和改進焊接工藝,控制整體焊接變形、控 制節(jié)點各分枝焊接變形、控制單個接頭焊接變形，從而 解決了不同材質(zhì)、不同壁厚鋼管對接焊的難題,保證了 焊接質(zhì)量和節(jié)點傳力的安全。

鑄件與鋼管對接為不同材質(zhì)、不同壁厚的 高空焊接，且在樹枝枝杈附近焊接空間極其狹窄。在 節(jié)點的設(shè)計及驗算中，為保證焊接質(zhì)量,要預(yù)先考慮足 夠的焊接空間。正式焊接前，進行1：1的多參數(shù)模擬 焊接與試驗檢測，以確定佳的焊接參數(shù)及工藝措施