铸钢节点在钢结构中的重要作用
随着建筑业的飞速发展，为了满足建筑造型及功能要求，新型建筑体系不断出现，结构跨度愈来愈大，这将使连接各构件的节点构造日趋复杂，传统的节点形式已不能满足现代结构发展的要求 。铸钢节点作为我国新兴的节点形式以其特有的优点在钢结构应用中显示出合理性与适应性 ，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 。随着铸造工艺的提高，铸钢节点在钢结构中将得到日趋广泛的应用。然而我国对这方面的研究很少，还没有相关文献从结构设计方面系统研究铸钢节点。
目前 ，为 了适应铸钢节点的快速发展 ，我国准备编制铸钢节点规 范 ，因此对铸钢节点 的研究 势在 必行。本文从铸钢节点的特点 、设计 、质量控制 、焊接等方面进行系统研究 ，提出了铸钢节点的设计准则 ，不仅为该 种节 点在工 程 中的推广 应用提供 指
导 ，而且为今后规范的编制提供参考。
1、铸钢节点的特点以及类型
1．1 铸钢节点的常用结构形式
铸钢节点的常用结构形式有树型铸钢节点 、铰接铸钢节点及混合型铸钢节点等。树型铸钢节点 ，用来取代 主管 与多根支管相贯 的节点 ，用对接焊缝取代相贯焊缝 ，焊缝分散 ，减少了焊接应力集 中。铰接铸钢节点，常用 于杆件端部连接处(如支座 处等)，可简化点 、造型美观 。混合型铸钢节点 ，具有树型铸钢节点和铰接铸钢节点的共同特点 。在 南京奥林 匹克体育 中心项 目中还设计 了铸 钢球节点 。
1 ．2 铸钢节点的特点
铸钢节点与普 通管相贯节点 、管板节点相 比，具有 以下特点 ：
1)可根据 实际需要设计结构形式 ，可塑性 强、造型 美观 。
2 )铸钢节点一般为 实心 ，仅在接 口处局部挖 空 ，即使全 为空心 ，也比钢 管或钢板厚 。因此承载力 高、抗变形能力强 。
3)铸钢节点常以对接焊缝取代管管相贯焊缝 、取消管板组合焊缝 ，可分散焊缝 ，减少焊接量 ，减小焊接应力集中。
4 )匀质性相对较差
2、钢结构用铸钢节点在国内广泛推广需要解决的几个问题

在 国内，由于结构用铸钢件应用于大型 民用建 筑钢 结构 中的重要 节点 刚刚起步 ，铸钢节点广泛推广应用迫切需要解决的主要 问题如 下 ：

2 ．1 铸钢件标准
国内现 行铸钢标准《焊 接结构用碳素钢铸件))(G B 7659- 87 )是20世纪80年代编
的，材料的S 、P 含量控制较宽松(≤0104％)，对材料 的碳当量没有限制 ，材料的冲击值
较低 。实际上 ，目前我国钢材的冶炼 技术 已达到国际先进 水平 ，该标准对于铸钢件 的
尺寸公差 、铸件的表面质量也要求较低 。根据该标准生产的铸件远不能满足祖国大江南北 大跨 度焊接结构用铸钢件 的需要 。因此，国内迫 切需要一 套适 用于大跨 度管桁架焊 接结 构用铸钢件的标准 。目前大跨度管桁架焊接结构用铸钢件 主要是引用国外
标 准。
2 ．3 铸钢件无损检测
超声 探伤 是检 验钢 材 内部质 量最 方便、经济、有效的检测手段 。在钢结构行业 ，超声探伤是最常用 的一 种检测方法 。现行国标《铸 钢件超 声探伤 及质量 评级方 法》
(G B 7233- 87)仅适用于厚度大于等于30m m的铸钢件。事实上 ，大跨度焊接结构用铸钢
件厚度是变 化的，在焊接接 口处常常较薄 ，厚度小于30r a m 也很常见 ，该部位是十分重要的，按 国标则无法检测 。
2 ．4 铸钢件焊接及焊缝无损检测
现行 的有关钢结构焊接 的国家及行业标准 中，包括最新发布执行的《建筑钢结构焊接技术规程))(JG J81- 2002)，均没有针对铸钢件焊 接的有关规定 。在参照 执行 标准时有争议。例如：现行的钢材焊接工艺评定标 准均要求进行 冷弯 试验 ，但所有铸钢标准对铸钢件 并无冷弯性能要求。那么 ，进行铸钢件焊接工艺评定时是否应进行冷弯试验呢?另外 ，目前铸钢件焊接主要采用手工电弧焊 ，其他焊接方法应用于铸钢件还有待于进一步 实践。由于铸钢件 组织不均匀、晶粒粗大 、透声性差 、衰减严 重，焊缝超 声探伤的评审困难 ，焊缝检测现也无相应标准可循 。

3 、铸钢节点质量控制

虽然铸钢节 点在 国内广泛推广还需解决许多 问题 ，但设计师们正不断采用该结构形式 。通过实践 ，施工 单位 应从设计 、铸造、焊接、检验等几个方面严格控制铸钢节点质量 。
3 ．1 节点的细部设计
铸钢节点的细部设计在满足承载能力的同时，应考虑满足铸造、制作及焊接工艺要 求 。
1 )铸钢件 细部设 计应避免 尖角或直角 ，且有 利于气体排出。
2 )铸钢件焊接应 采用对接焊缝 ，尽量避免T 形接头 ，以降低焊接应力。
3)明确铸钢件 的化学成分、机械性 能、热处理制度、精度要求 、检验方法和合格等
级等 。
3 ．2铸钢多节点焊接及焊接检验
3．2 1 焊接工艺评定
铸钢节点焊 前首先要进行焊接工艺评定 。可 参照 《建筑 钢 结构 焊接 技术 规程 》
(JG J81- 2002)或《钢制压力容器焊接工艺评定))(JB4708—2000)进行 。弯曲试验是否可免
做 ，应征得设计或监理 方的同意 。
3 ．22 焊接方案及实施
焊接工 艺评定合格后 ，应根据评 定结果及结构形式编制详细的焊接方案 ，以指导施工 。焊工正 式焊接铸钢件前，应进行焊前模拟考试 ，并接受安全教育及技术培训。铸钢节 点焊 接除应做好焊材烘 烤、坡口清理 、逐层 清渣等常规焊前准备 、焊 接过程质量控制工作之外 ，还应重点考虑 以下几个方面 。
1)预热及层 间温度 。由于铸钢节点大部分较厚 ，工艺要求进行预热 ，但铸钢件形状不规则 ，厚度也不均匀 ，给预热带来很大难度 。为了避免焊缝产生冷裂纹 ，必须采取有效的预热措施 ，确保达到预热温度且温度均匀 。焊接应连续进行 ，以保证层间温度不低于预热温度 。
2)焊缝返修。在施工过程 中，由于大多数铸钢 件焊缝 为全位置单 面对接焊缝 ，焊接难度大 ，出现焊缝返修是正常 的。但铸钢件 刚性大 ，返修会使局部应力增加 ，返修还可能降低调质态铸钢 的强度 ，因此应采取切实有效措施降低返修率 ，避免二次返修 。
4 、结束语
近年来 ，钢结构技术得 到突飞猛 进的发展 。北京 申奥和上海 申博 的成 功使 大跨
度 管桁 架结构应用前景更加广 阔，大跨度焊接结构用铸钢节点愈来愈受到人们的重视 。虽然在应用中存在这样那样的问题 ，但我们相信，随着对铸钢节点研究的深入 ，这些 问题必然会逐步得到解决 ，大跨度焊接结构用铸钢件的理论及应用技术将日益完善 。
铸钢节点
空间网格结构中杆件汇交密集、受力复杂且可靠性要求高的关键部位节点可采用铸钢节点。铸钢节点的设计和制作应符合国家现行有关标准的规定。
焊接结构用铸钢节点的材料应符合现行国家标准《焊接结构用碳素钢铸件》GB 7659的规定，必要时可参照国际标准或其他国家的相关标准执行；非焊接结构用铸钢节点的材料应符合现行国家标准《一般工程用铸造碳钢件》GB／T11352的规定。
铸钢节点的材料应具有屈服强度、抗拉强度、伸长率、截面收缩率、冲击韧性等力学性能和碳、硅、锰、硫、磷等化学成分含量的合格保证，对焊接结构用铸钢节点的材料还应具有碳当量的合格保证。
铸钢节点设计时应根据铸钢件的轮廓尺寸选择合理的壁厚，铸件壁间应设计铸造圆角。制造时应严格控制铸造工艺、铸模精度及热处理工艺。
铸钢节点设计时应采用有限元法进行实际荷载工况下的计算分析，其极限承载力可根据弹塑性有限元分析确定。当铸钢节点承受多种荷载工况且不能明显判断其控制工况时，应分别进行计算以确定其最小极限承载力。极限承载力数值不宜小于最大内力设计值的3.0倍。
5.5.6 铸钢节点可根据实际情况进行检验性试验或破坏性试验。检验性试验时试验荷载不应小于最大内力设计值的1.3倍；破坏性试验时试验荷载不应小于最大内力设计值的2.0倍。
 
条文说明
 
铸钢节点
铸钢节点由于自重大、造价高，所以在实际工程中主要适用于有特殊要求的关键部位。
 铸钢件的材质必须符合化学成分及力学性能的要求，同时应具有良好的焊接性能，以保证与被连接件的焊接质量。当节点设计需要更高等级的铸钢材料时，可参照国际标准或其他国家的相关标准执行，如德国标准或日本标准。
条件具备时铸钢件均宜进行足尺试验或缩尺试验，试验要求由设计单位提出。铸钢节点试验必须辅以有限元分析和对比，以便确定节点内部的应力分布。考虑到铸钢材料的离散性、设计经验的不足及弹塑性有限元分析的不定性，其安全系数比其他节点略有提高。


销轴式节点应保证销轴的抗弯强度和抗剪强度、销板的抗剪强度和抗拉强度满足设计要求，同时应保证在使用过程中杆件与销板的转动方向一致。
销轴式节点的销板孔径宜比销轴的直径大1mm～2mm，各销板之间宜预留1mm～5mm间隙。
 
条文说明
 
销轴式节点
 销轴式节点一般为外露节点，同时为保证安装精度，销轴式节点的销轴与销板均应进行精确加工。
组合网架与组合网壳结构的上弦节点构造应符合下列规定：
1 应保证钢筋混凝土带肋平板与组合网架、组合网壳的腹杆、下弦杆能共同工作；
2 腹杆的轴线与作为上弦的带肋板有效截面的中轴线应在节点处交于一点；
3 支承钢筋混凝土带肋板的节点板应能有效地传递水平剪力。

焊接球缺节点构造
焊接球缺节点构造
1-钢筋混凝土带肋板；2-上盖板；3-球缺节点；
4-圆形钢板；5-板肋底部预埋钢板
5.7.3 组合网架与组合网壳结构节点的构造应符合下列规定：
1 钢筋混凝土带肋板的板肋底部预埋钢板应与十字节点板的盖板(或球缺与螺栓环上的圆形钢板)焊接，必要时可在盖板(或圆形钢板)上焊接U形短钢筋，并在板缝中浇灌细石混凝土，构成水平盖板的抗剪键；
2 后浇板缝中宜配置通长钢筋；
3 当节点承受负弯矩时应设置上盖板，并应将其与板肋顶部预埋钢板焊接；
4 当组合网架用于楼层时，板面宜采用配筋后浇的细石混凝土面层；

 
组合结构的节点
组合网架与组合网壳上弦节点的连接构造合理性直接关系到组合网架和组合网壳结构能否协同工作。根据工程实践经验和试验研究成果，本条中给出的组合网架和组合网壳结构上弦节点构造图经合理设计可保证这两种不同材料的构件间的共同工作，可实现上弦节点在上弦平面内与各杆件间连接的要求。
预应力索节点
设计中采用哪种预应力索应根据具体结构与施工条件来确定。钢绞线拉索施工简便且成本低，但预应力锚头尺寸较大并需加防护外套，防腐要求高；扭绞型平行钢丝拉索其制索与锚头的加工都必须在工厂完成，质量可靠，但索的长度控制要求严且施工技术要求高；钢棒拉杆是近年开始应用的一种新形式，端部用螺纹连接质量可靠，防护处理容易，当拉杆较长时要10m左右设一个接头。除了小吨位的拉索外，对于大吨位的拉索应有可靠的索长微调系统以确保索力的正确。
体外索转折处设鞍形垫板，其作用是保证索在转折处的弯曲半径以免应力集中。
张弦桁架撑杆下端与索连接节点要求设置随时可以上紧的索夹是为了防止预应力张拉时索夹的可能滑动。桁架端部预应力索锚固处因节点内力大且应力复杂，故宜用铸钢节点5.9 支座节点
空间网格结构的支座节点必须具有足够的强度和刚度，在荷载作用下不应先于杆件和其他节点而破坏，也不得产生不可忽略的变形。支座节点构造形式应传力可靠、连接简单，并应符合计算假定。
空间网格结构的支座节点应根据其主要受力特点，分别选用压力支座节点、拉力支座节点、可滑移与转动的弹性支座节点以及兼受轴力、弯矩与剪力的刚性支座节点。
常用压力支座节点可按下列构造形式选用：
1 平板压力支座节点可用于中、小跨度的空间网格结构；
平板压力支座节点平板压力支座节点
2 单面弧形压力支座节点,可用于要求沿单方向转动的大、中跨度空间网格结构，
3 双面弧形压力支座节点，可用于温度应力变化较大且下部支承结构刚度较大的大跨度空间网络结构；
双面弧形压力支座节点

4 球铰压力支座节点，可用于有抗震要求、多点支承的大跨度空间网格结构。
球铰压力支座节点
 支座节点
空间网格结构支座节点的构造应与结构分析所取的边界条件相符，否则将使结构的实际内力、变形与计算内力、变形出现较大差异，并可能由此而危及空间网格结构的整体安全。一个合理的支座节点必须是受力明确、传力简捷、安全可靠。同时还应做到构造简单合理、制作拼装方便，并具有较好的经济性。
根据空间网格结构支座节点的主要受力特点可分为压力支座节点、拉力支座节点、可滑移、转动的弹性支座节点以及兼受轴力、弯矩与剪力的刚性支座节点。
平板压力支座节点构造简单、加工方便，但支座底板下应力分布不均匀，与计算假定相差较大。一般仅适用于较小跨度的网架支座。
单面弧形压力支座节点及双面弧形压力支座节点，支座节点可沿弧面转动。它们可分别应用于要求支座节点沿单方向转动的中小跨度网架结构，或为适应温度变化而需支座节点转动并有一定侧移，且下部支承结构具有较大刚度的大跨度网架结构，双面弧形是在支座底板与支承面顶板上焊出带椭圆孔的梯形钢板然后以螺栓将它们连为一体。这种支座节点构造与不动圆柱铰支承的约束条件比较接近，但它只能沿一个方向转动，而且不利于抗震。虽然这种节点构造较复杂但鉴于当前铸造工艺的进步，这类节点制作尚属方便，具有一定应用空间。
球铰压力支座节点是由一个置于支承和面上的凸形半实心球与一个连于节点支承底板的凹形半球相嵌合，并以锚栓相连而成，锚栓螺母下设弹簧以适应节点转动，这种构造可使支座节点绕两个水平轴自由转动而不产生线位移。它既能较好地承受水平力又能自由转动，比较符合不动球铰支承的约束条件且有利于抗震。但其构造较复杂，一般用于多点支承的大跨度空间网格结构。
可滑动铰支座节点
对于某些矩形平面周边支承的网架，如两向正交斜放网架，在竖向荷载作用下网架角隅支座上常出现拉力，因此应根据传递支座拉力的要求来设计这种支座节点。常用拉力支座节点主要有平板拉力支座节点、单面弧形拉力支座节点以及球铰拉力支座。它们共同的特点都是利用连接支座节点与下部支承结构的锚栓来传递拉力，此时锚栓应有足够的锚固深度。且锚栓应设置双螺母，并应将锚栓上的垫板焊于相应的支座底板上。
当支座拉力较小时，为简便起见，可采用与平板压力支座节点相同的构造。但此时锚栓承受拉力，因此平板拉力支座节点仅适用于跨度较小的网架。
当支座拉力较大，且对支座节点有转动要求时，可在单面弧形压力支座节点的基础上增设锚栓承力架，当锚栓承受较大拉力时，藉以减轻支座底板的负担。可用于大、中跨度的网架。
板式橡胶支座是在支座底板与支承面顶板或过渡钢板间加设橡胶垫板而实现的一种支座节点。由于橡胶垫板具有良好的弹性和较大的剪切变位能力，因而支座既可微量转动又可在水平方向产生一定的弹性变位。为防止橡胶垫板产生过大的水平变位，可将支座底板与支承面顶板或过渡钢板加工成“盆”形，或在节点周边设置其他限位装置。防止橡胶垫板可能产生的过大位移。支座底板与支承面顶板或过渡钢板由贯穿橡胶垫板的锚栓连成整体。锚栓的螺母下也应设置压力弹簧以适应支座的转动。支座底板与橡胶垫板上应开设相应的圆形或椭圆形锚孔，以适应支座的水平变位。
板式橡胶支座在我国网格结构中已得到普遍应用，效果良好。本规程附录K列出了橡胶垫板的材料性能及有关计算与构造要点，可供设计参考。
刚接支座节点应能可靠地传递轴向力、弯矩与剪力。因此这种支座节点除本身应具有足够刚度外；支座的下部支承结构也应具有较大刚度，使下部结构在支座反力作用下所产生的位移和转动都空心球节点刚接支座。它是将刚度较大的支座节点板直接焊于支承顶面的预埋钢板上，并将十字节点板与节点球体焊成整体，利用焊缝传力。锚栓设计时应考虑支座节点弯矩的影响。
当立体管桁架支座反力较小时可采用图5.9.8所示构造。但对于支座反力较大的管桁架节点宜在管桁架管件底部加设弧形垫板，通过弧形垫板使杆件与支座竖向支承板相连，既可使钢管杆件截面得到加强，同时也可避免主要连接焊缝横切钢管杆件截面，改善支座节点附近杆件的受力状况。
考虑到支座节点可能存在一定的水平反力，为减少由此而产生的附加弯矩，应尽量减小支座球节点中心至支座底板的距离。
对于上弦支承空间网格结构，设计时应控制边缘斜腹杆与支座节点竖向中心线间具有适当夹角，防止斜腹杆与支座柱边相碰，在支座设计时应进行放样验算。
支座底板与支座竖板厚度应根据支座反力进行验算，确保其强度与稳定性要求。
当支座节点中的水平剪力大于竖向压力的40％时，不应利用锚栓抗剪。此时应通过抗剪键传递水平剪力。 
弧形支座板由于形状变异，宜用铸钢浇铸成型。为简便起见，单面弧形支座板也可用厚钢板加工成型。橡胶支座垫板系指由符合橡胶材料技术要求的多层橡胶片与薄钢板相间粘合压制而成的橡胶垫板，一般由工程橡胶制品厂专业生产。不得采用纯橡胶垫板。
在实际工程中要求将支座节点底板上的锚孔精确对准已埋入支承柱内的锚栓，对土建施工精度要求较高，因此对传递压力为主的网架压力支座节点中也可以在支座底板与支承面顶板间增设过渡钢板。
过渡钢板上设埋头螺栓与支座底板相连，过渡钢板可通过侧焊缝与支承面顶板相连，这种构造支座底板传力虽较间接，但可简化施工。当支座底板面积较大时可在过渡钢板上开设椭圆形孔，以槽焊与支承面顶板相连，以确保钢板间的紧密接触。