建筑结构铸钢节点设计

铸钢索夹节点在弦支穹顶结构设计中的应用摘要：弦支穹顶结构是一种新型的空间结构，其是通过杂交空间结构构成的，以巧妙的技术手段和方式将建筑结构上弦网壳结构与下弦张拉整体索杆体系有效的结合成为一个整体，并通过给下弦整体张拉结构空间形成一个环向的索、径向来施加一个合理的预应力结构，进而控制上弦网壳的预应力和变形应力，确保上弦网壳的抗屈强度以及整体性强度，使得其在工作中能够真正的做到刚柔并济的工作要求和工作模式。

一般而言，弦支穹顶结构中采用铸钢索夹节点预应力对于提高整体强度有着至关重要的作用与意义。

关键词：结构设计网壳结构承载力节点目前社会发展中，国内外对于中小跨度的弦支穹顶结构都提出了系统全面的优化与认识，并且在工作中对于工程的承载力和支撑点要求都提出了新模式和新管理工具方式，且在工作的过程中对于其中存在施工质量问题和技术缺陷都得到了一定的优化与处置。

在目前的施工项目中，铸钢节点作为一种新的阶段模式，成为空间结构中的核心模式，是以铸钢节点中所特有的索夹节点、支座点三个部分构成的，但是就目前的工作中，人们对于大跨度的弦支穹顶结构结构应用较少，特别是施工技术的研究仍然是一片空白，因此对其进行优化与总结十分必要。

一、弦支穹顶结构概述1、弦支穹顶结构产生背景建筑与人们生活与社会发展紧密相连，古人主要是采用建筑物来抵御各种自然灾害的侵袭和外地的入侵，而今天的建筑物，则是以人类的舒适、依据作为主要的追求重点，也是在工作中以新颖、个性的工作理念作为主要的工作基础。

基于此，我们在生活中对于建筑结构的空间追求提出了新要求，并促进了相关的工作人员在工作与研究中对于各种新颖别致、复杂健全空间的研究，也为大跨度建筑空间和结构的产生带来了必然的基础依据。

近年来，建筑行业随着社会生产技术的提高而呈现出蓬勃之势，其发展前景和发展动力也得到了良好有效的完善。

但是在这种社会基础上，人们对于公共活动空间的需求量也提出了明确的规范和标准，以体育馆、展览厅、歌剧院和工业厂房为基础的大型建筑结构空间要求越来越多，这位人们生活提供一个良好发展基础的同时，也给建筑施工跨度的增加和刚度的上升提供了相关的理论依据，这也要求我们在建设施工中对于各种屋顶结构理论的研究与总结。

浅谈铸钢节点的常用结构形式及特点
大跨度空间管桁架钢结构具有含钢低、造型独特优美、施工周期短等优点，在近几年广泛应用于会展中心、体育场、飞机场等大型标志性建筑之中。

铸钢节点因其特有的性能，逐渐成为大跨度空间管桁架钢结构中的重要节点，在国内外建筑水电桥梁等方面不断推广应用。

长城铸钢公司生产的大型铸钢节点被应用于国内多个大型机场、体育馆等工程中，为郑州新郑机场二期工程、福州奥林匹克体育中心供给大型铸钢节点，铸钢节点一般应用于荷载较大，受力复杂的关键部位，其可靠性直接关系到整个结构的安全，十分重要。

铸钢节点的常用结构形式主要有三种，分别为：
树形铸钢节点，它主要用来取代主管与多跟支管相贯的节点，用对接焊缝取代相贯焊缝，减少了焊接的应力集中。

铰接铸钢节点，它常用于杆件端部连接处如支座处，可简化节点，造型美观。

混合型铸钢节点，它具有上面两种结构方式的共同特点。

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，承载力高，抗变形能力强。

3、铸钢节点钢管相贯处直接铸造成型，使钢结构受力更加合理，整体结构
更加稳定，克服了大量集中焊接造成的应力对整体结构带来的不利影响。

大型钢桁架结构铸钢节点制作研究本文以金沙江路真北路人行天桥新建工程钢结构铸钢节点为实例，介绍了铸钢节点的深化设计和制作工艺，确保铸钢节点的精度、铸造质量满足设计和规范要求，值得类似工程推广应用【标签】钢结构；桁架体系；铸钢节点；热处理一、工程概况金沙江路真北路人人行天桥主桥为钢结构空间管格构桁架体系，内外侧面为不规则双向倾斜，空间桁架多节点交汇，杆件有相贯连接，焊接连接，高强螺栓连接多种形式。

构件数量多，空间结构复杂。

本工程的上弦节点为钢管多支交汇节点，为避免多支钢管相贯焊接节点应力太大和焊接的不便，设计上采用了铸钢节点，设计要求铸钢件的材质性能应等于或优于Q420Qd，铸钢节点壁厚不小于40mm，铸钢杆件最小长度不小于1米。

在建筑钢结构铸钢节点的深化设计、模型制造、铸造及质检等过程中，将严格控制每一生产过程，确保提供高品质的铸钢节点。

铸钢节点的生产是集计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测量（CAM）及先进的铸造工艺和技术为一体的高科技产品。

本公司将选择具有综合科技优势的专业生产单位，确保铸钢节点高品质。

二、深化设计充分发挥在铸造领域中的技术优势，结合近年来铸钢节点深化设计的实际经验，运用计算机辅助设计（CAD），在钢结构铸钢节点的深化设计中，在体现建筑师的设计思想、符合结构设计的要求的前提下，满足铸造生产，确保铸钢节点高品质。

三、铸造生产3.1 模型制作模型的设计与制造是铸钢节点制作的关键步骤。

铸造中常用的模型制作方法有：木模型、蜡模型、金属型、消失模。

其中，蜡模型只适用于小件生产，金属型适用于大批量生产。

根据项目的特点，选择适用于本项目铸钢节点的模型制作。

3.2 铸造工艺铸造工艺是获得良好铸钢节点制作的重要环节之一，根据铸钢节点结构的特殊性，借助模拟凝固软件，制定合理的铸造工艺是铸件能否成功的关键因素。

1、涂料：涂料是为了增加型砂抵抗金属液的冲刷和侵蚀作用，防止铸件表面产生机械或化学粘砂获得表面光洁的铸件。

第一节深化设计说明作为加工制作技术方面重点之一的详图设计工作，是在设计院施工图的基础上，二次设计出图用于工厂加工的零件图、组立图和装配图，指导工厂生产。

详图图纸质量决定了构件加工的各方面质量。

下面针对上面的相关内容对加工详图设计方案作系统介绍。

一、详图设计概述（一）深化设计遵循的原则加工厂技术深化部将以设计院施工设计图纸和技术要求为依据，负责完成钢结构的深化设计，并完成钢结构加工详图的编制。

深化部将根据设计文件、钢结构加工详图、吊装施工要求，并结合本公司制作厂的条件，编制制作工艺书包括：制作工艺流程图、每个零部件的加工工艺及涂装方案。

加工详图及制作工艺书在开工前将由我公司委派的项目部报钢结构施工主承包单位审批，图纸由原设计单位确认和批准后才开始正式实施。

（二）深化设计流程（三）详图设计重难点分析详图设计各阶段，工作重点主要在前期，主要是依据施工蓝图建立准确的模型，其间构造间细部处理、构件定位、结构完整性等要素，在建模过程中，会得到进一步验证和修正。

对于具体工作内容，深化设计的重点和难点则是六大主受力构件、七大节点的深化设计工作。

二、深化设计总体思路（一）深化设计使用软件深化设计重点：1整体钢结构的建模准确度，完整性大体量，超高建筑结构体，空间结构复杂，多种结构，对建模质量提出很高要求。

2主要构件分段定位，对接口设计，焊缝收缩量量化补偿3 与现场焊接的图纸配合，如坡口方向、连接板、灌浆孔等。

结构节点的准确细部设计，是本工程深化设计的难点，主要节点有：外框柱与伸臂桁架节点；外框角柱与斜支撑节点；外框中柱与斜支撑节点；外框柱与腰桁架节点；伸臂桁架柱节点；腰桁架节点；铸钢件节点等。

其难度主要在如何保证节点焊接与装配的可达性，如何有效减少焊接内应力和焊接变形，对于铸钢件则关键是其结构设计与制作的协调深深化设计难点由于A座金融大厦钢结构为框架+核心筒结构体系，结合我们以往的深化工程设计经验，对于本次钢结构项目的深化设计，采用芬兰Tekla公司的软件Xsteel 10.1进行各楼层钢结构的详图设计；采用CAD绘图软件进行主桁架及典型节点的详图设计。

铸钢节点有限元分析和实例探讨一、前言铸钢节点作为一种新兴的节点形式，具有结构多样化、外形美观、良好的加工性能以及良好的适应性，已广泛应用于大跨度空间钢结构，大型钢结构建筑、桥梁等工程中。

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，国内近年来在一些大型钢结构建筑、桥梁等工程中逐渐得到推广应用。

如国家体育馆钢屋盖工程、郑州国际会展中心、广州歌剧院钢结构工程、安徽体育中心主体育场、无锡科技交流中心等工程中关键部位均采用铸钢节点。

由于铸钢节点受力和造型相当复杂，因此，分析模型的正确建立以及对分析模型边界条件的真实模拟是节点受力分析的难点和关键点。

需要根据实际情况建立节点的实体三维模型，并根据一定理论依据对模型的边界条件做相应的简化假定，以求在简便计算的同时最大限度的模拟实际中复杂的边界条件，从而完成对铸钢节点的受力分析。

本文结合某主题馆钢结构工程中的铸钢节点设计实例，对大型铸钢节点的设计基本原则及受力进行了初步研究与分析。

通过ANSYS研究铸钢节点在设计荷载作用下应力的发展、变化过程及节点变形，对其承载安全性作出判断，在此基础上得到一些有益的结论。

二、铸钢节点选取1、节点选取本文所研究的节点位于张弦桁架下弦杆、腹杆及拉索的交汇点，下弦杆与五根支管相连。

该节点是由多根钢管以不同的空间角度汇聚于一点，构造形式比较复杂，因此节点受力复杂，加工制作难度极大。

鉴于该节点受力的特殊性和重要性，有必要对其在设计荷载作用下工作状态进行分析。

根据设计方案该节点为铸钢节点，材料为ZG310-570铸钢，质量执行《一般工程用铸造碳钢》（GB11352）标准中的有關规定，详见下表1：2、基本假定由于铸钢节点所用钢材具有良好的线弹性性能，结合《钢结构设计规范》（GB50017—2003）的规定，本文采用以下分析假定[1]：（1）只考虑节点在弹性状态下的单独受力状态；（2）不考虑几何非线性；（3）在节点与拉索连接处，采用传力杆，以传力杆传递拉索拉力.拉索的拉力以面力形式施加于传力杆端面，受力模型见下图1中7号杆.三、铸钢节点有限元分析1、计算模型对于比较复杂的模型在ANSYS中建模非常困难，可以采用Pro/E、SolidWorks、UG、AUTOCAD等CAD制图软件进行实体建模，利用它们和ANSYS 之间的数据接口导入ANSYS中。

钢结构构件的连接设计及特点伴随着我国钢材产量的不断攀升与价格的下降，用钢来建造房屋变得越来越普遍，这不仅反映在各类方兴未艾的大跨项目中，甚至在各种中小跨度的项目里，选择钢材作为建筑材料或是装饰材料也成为了一种时尚。

材料的多样性选择为建筑师提供更多表现手段的同时，也带来更多的设计要求。

尽管结构形式的选择通常是结构工程师的工作，建筑师也必须对影响结构和连接设计的因素有一定的了解；即使国内绝大多数钢连接构件的设计由制造商完成，建筑师也必须对于现代钢结构建筑结构构件的连接方法、控制性原则和导致因素有一个清醒的认识。

一、钢结构构件及特点钢结构构件的另外一个特点是截面多样性：一方面，钢材的各向匀质性使得它可以被加工成各种形状，这与木材的各向非匀质性区别显著：同为线性结构构件，钢结构的截面多样性是木结构所无法比拟的，这也是有工字钢而没有“工字木”的原因，杆件结构中连接构件几乎全部是钢也说明了这一点；另一方面，钢结构构件的截面形状也对连接设计也产生强烈的影响。

在受力范围允许的情况下，不同型钢的选择可以导致不同形式的连接。

二、连接设计受到的约束钢材种类繁多，耐受力也不尽相同，连接设计通常受到以下因素的制约：1.构件的来源：理论上钢结构构件或是连接构件具有任意加工性，但在各具体项目中，结构构件与连接构件总会受到现实条件的制约。

有经验的设计师通常选择容易获得，方便安装的型钢，并设计出简单有效的连接方式与连接构件。

2.连接手段的限制：钢结构的施工特点之一是采用工厂加工、现场装配。

这是区别于传统砌筑方式而产生大量节点的原因。

各种型钢之间的连接，主要有三种手段：铆接、焊接和栓接。

钢结构建筑的早期多采用铆接，施工简单但需要在构件上挖出洞口而降低了断面性能，容易在节点处产生集中应力，近来较少采用。

采用焊接的节点，外观简洁而荷载传递效率连续，但施工作业要求较高。

后期出现的高强度螺栓连接，同样可以达到类似焊接的强度要求，在现代钢结构中大量采用。

大型、大跨度、复杂结构铸钢节点焊接施工工法在建筑结构中，铸钢节点是支撑整个结构的关键部位。

而大型、大跨度、复杂结构的建筑在其设计中多选用了铸钢节点来完成结构的支撑和连接。

在铸钢节点的施工过程中，焊接是关键的施工工艺之一。

本文将介绍大型、大跨度、复杂结构铸钢节点焊接施工的工法以及要点。

一、铸钢节点给焊接带来的触手可及连接铸钢节点的强度和稳定性要求更高，铸钢节点给焊接施工带来的触手可及的连接是其优势，减少了结构在风荷载等压力下的振动幅度，增强了结构的稳定性。

但谨记，铸钢本身的特质决定了焊接施工时对钢的热影响区域很容易超过标准规定的极限，并容易受到热应力引起的变形，这在焊接施工的要求上也是需要注意的。

二、焊接工艺的选择选择适合的焊接工艺是焊接施工的前提，根据具体情况的不同，施工选择的焊接工艺也有所不同。

大多数情况下都建议采用气体保护焊或者电弧焊，但在多局部焊接时可以采用防飞溅熔敷的手工电弧焊。

三、焊接质量监控监控焊接质量是保证铸钢节点稳定性和可靠性的重要保障。

在施工过程中，对焊条型号、焊条烘干温度及烘干时间、焊接速度、焊接过程中的温度、电压及电流、铸钢表面的准备情况等都需考虑，例如选择适宜的焊接速度以降低焊接过热区和过固区宽度和温度梯度。

四、焊接人员的操作焊接人员应控制好焊接速度和电压电流，合理选择焊接机、焊接选材以及焊接的温度等因素，同时在技术上做好紧扣工艺流程和严格执行工艺纪律等各方面管理。

焊接作业时需拥有培训合格证书和实践焊接大型结构的能力。

五、材质的选择在铸钢节点的焊接施工中，材料的选择也是很重要的，要求焊材与母材、设计中要求的强度和性能等均相适应。

总的来说，铸钢节点的焊接施工一定要严格按照标准化施工规范以及聘请合格的焊接团队，做好施工质量监控和问题处理，确保施工的质量和稳定性，保障建筑的结构安全性和稳定性。

钢结构建筑屋面设计问题分析在我国经济水平的发展之下，我国的建筑行业也取得了长足的进步，国内建筑设计人员对于大型钢结构建筑也有着更加深刻的认识，与此同时，我国大型钢结构建筑也得到了迅猛的发展，大型钢结构建筑物屋面设计是十分重要的，下面就针对这一问题进行深入的分析。

1 屋面形状、屋面排水与荷载的关系大型钢结构建筑物屋面面积要远远大于普通的建筑物，因此，对于设计的要求也更高，考虑到屋面形状、屋面排水与屋面荷载有着密切的关系，因此，在进行设计时，必须要根据建筑物的实际情况建立屋面排水系统，防止由于降雨给建筑物带来不良的影响。

以某大型足球场屋面设计为例，其观众席台阶与屋面倾斜角度应该是保持一致的，这就会出现一个问题，在大雨天气，雨水会汇集在观众席前端，这必然会影响观看的效果，而汇集的降水还需要经过天沟才能够被排除，这样，雨水荷载就会越来越大，如果难以及时得到疏导，就会影响建筑屋面的结构效应敏感位置。

一般情况下，在大型钢结构建筑屋面的设计过程中，需要详细的考虑以下几个问题：第一，根据建筑物规模、地形、气候、形式等因素确定好屋面排水回收系统；第二，屋面形状必须要满足排水需求，防止由于雨水集中与排水路径对建筑物结构产生不良的影响；第三，在设计时，还需要分析经济因素，根据建筑物的地形合理设计雨水回收方式，提升设计的投资效益比。

第四，对于屋面外形已确定，但是排水设计困难，就需要根据雨水的情况来计算雨水荷载，以此为基础进行综合设计，保障建筑物结构的安全性与稳定性。

2 屋面形状、风载与体型系数的关系大型馆类钢结构建筑物风载体型系数多为负数，但是在某些地区，在风强度较高的情况下，可能会发生风吸作用的结构效应超过屋面标准值，因此，在设计的过程中必须要考虑到建筑物的自重、风的强度以及体型系数，进行详细的计算。

在设计大型场类钢结构建筑物的屋面时，需要根据风向与屋盖形状的关系确定风压情况，风压情况包括风吸与风压两种形式，在屋面自重与屋面风压因素的影响下，会形成控制性荷载效应，因此，在设计时，必须要深入的分析屋面的风压情况。