大型铸钢节点的设计与分析

荆门西站复杂铸钢节点设计及受力性能分析
陶德怀
【期刊名称】《山西建筑》
【年(卷),期】2024(50)10
【摘要】荆门西站屋盖为马鞍形双曲屋面,采用网架+桁架结合的大跨度复杂空间结构体系,由于屋盖结构曲面造型复杂、平面尺度超长且站房东侧、西侧的大悬挑桁架和中间区域曲面网架采用拱形大桁架连接,使得钢结构屋盖受力异常复杂,并存在超多杆交汇和树状分叉的关键节点,该节点采用铸钢节点的形式。

针对此类复杂铸钢节点,首先介绍了铸钢节点的设计,然后采用ABAQUS软件对铸钢节点在最不利荷载工况作用下的力学性能进行有限元分析,并分析了节点的极限承载力。

结果表明:铸钢节点在设计荷载作用下完全处于线弹性状态,铸钢节点设计合理;按比例施加10倍设计荷载作用,提取节点的荷载-位移曲线,在4.2倍及5.4倍设计荷载作用下,节点达到极限承载力,综合多工况分析可判断所设计的铸钢节点具有较高安全储备,满足设计要求,可为相关工程的铸钢节点设计提供参考。

【总页数】4页(P64-67)
【作者】陶德怀
【作者单位】中铁第四勘察设计院集团有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TU312
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大型钢框架煤塔复杂节点设计和分析1. 引言大型钢框架煤塔是煤矿生产过程中非常重要的设备之一，它用于储存和输送煤炭。

在煤塔的结构中，节点是承担连接和传递荷载的关键部位。

而对于大型煤塔而言，其节点设计的复杂性更高，要求对结构和力学性能进行详细的分析和设计。

本文将针对大型钢框架煤塔的复杂节点，进行设计和分析的讨论。

首先介绍煤塔结构中常见的节点类型，然后分析这些节点的设计要求和关键考虑因素，最后给出节点设计的一般步骤和相关注意事项。

2. 煤塔节点类型在大型钢框架煤塔的结构中，常见的节点类型包括：•竖杆节点：用于连接竖向的主梁和副梁，在节点处承担梁的重量和传递荷载的作用。

•横杆节点：用于连接横向的主梁和副梁，在节点处承担梁的重量和传递荷载的作用。

•斜杆节点：用于连接斜向的主梁和副梁，在节点处承担梁的重量和传递荷载的作用。

•局部加强节点：用于加强某些节点的刚度和稳定性。

•连接节点：用于连接不同部位的节点和构件，以确保整个结构的连续性和稳定性。

3. 煤塔节点设计要求在进行煤塔节点设计时，需要考虑以下几个方面的要求：3.1 强度要求节点设计必须满足强度要求，即节点在受到荷载作用下不发生破坏或失效。

强度要求包括节点材料的强度和节点连接的强度。

3.2 刚度要求节点设计必须满足刚度要求，即节点在受到荷载作用下不发生过度变形或破坏造成结构的不稳定。

刚度要求包括节点本身的刚度和节点连接的刚度。

3.3 稳定性要求节点设计必须满足稳定性要求，即节点在受到荷载作用下不发生失稳或结构的不稳定。

稳定性要求包括节点本身的稳定性和节点连接的稳定性。

3.4 其他要求根据具体的设计和使用情况，还需要考虑其他要求，如防腐、耐候、防震等。

4. 大型钢框架煤塔节点设计步骤大型钢框架煤塔节点的设计可以按照以下步骤进行：4.1 确定节点类型根据具体的煤塔结构和要求，确定所需的节点类型。

4.2 确定节点荷载根据煤塔的使用情况和设计要求，确定节点的荷载情况，包括荷载类型、荷载大小和荷载作用方向等。

铸钢节点有限元分析计算书目录1 分析软件 (1)2 节点基本概况 (1)2.1 铸钢节点材料基本性能 (1)2.1.1 铸钢节点材料基本性能 (1)2.1.2材料本构关系 (1)2.2 节点分布概况 (3)3 铸钢节点一有限元分析 (3)3.1 节点概况 (3)3.1.1 节点概况 (3)3.1.2 内力选取 (4)3.2单元选取及网格划分 (5)3.3 边界条件和荷载作用 (5)3.4 弹性分析结果 (6)3.4.1应力云图 (6)3.4.2变形云图 (7)3.5 弹塑性极限承载力分析 (7)4 铸钢节点二有限元分析 (8)4.1 节点概况 (8)4.1.1 节点概况 (8)4.1.2 内力选取 (9)4.2单元选取及网格划分 (10)4.3边界条件和荷载作用 (11)4.4 弹性分析结果 (11)4.4.1 应力云图 (11)4.4.2变形云图 (12)4.5弹塑性极限承载力分析 (13)5铸钢节点三A有限元分析 (14)5.1 节点概况 (14)5.1.1 节点概况 (14)5.1.2 内力选取 (14)5.2单元选取及网格划分 (15)5.3边界条件和荷载作用 (15)5.4 弹性分析结果 (16)5.4.1 应力云图 (16)5.4.2变形云图 (16)5.5弹塑性极限承载力分析 (17)6铸钢节点三B有限元分析 (18)6.1 节点概况 (18)6.1.1 节点概况 (18)6.1.2 内力选取 (19)6.2单元选取及网格划分 (19)6.3边界条件和荷载作用 (20)6.4弹性分析结果 (20)6.4.1 应力云图 (20)6.4.2 变形云图 (21)6.5 弹塑性极限承载力分析 (21)1 分析软件对内蒙古赛马场铸钢节点进行有限元分析，采用大型通用有限元分析软件ABAQUS 进行。

ABAQUS 被广泛地认为是功能最强的有限元软件之一，可以分析复杂的固体力学、结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。

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。

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。

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。

某大型钢框架煤塔复杂节点设计和分析某大型钢框架煤塔复杂节点设计和分析在煤炭资源的提取和利用中，煤矿的生产设施起到了至关重要的作用。

煤塔作为煤炭生产厂家建设的重要设施之一，扮演着将煤炭由地下运输至地面的作用。

因此，其重要性不言而喻。

钢框架煤塔的设计和建设涉及到多个方面，其中复杂节点的设计和分析尤为重要。

一、钢框架煤塔的结构钢框架煤塔是由许多钢制框架组成的大型建筑结构，包括横梁、支柱、节点等组成；其所承载的荷载极其复杂，采煤过程中的温度变化、风力等外力对煤塔的振动和荷载都会产生影响。

所以在设计和施工过程中，需要特别注意结构的安全可靠性、可行性。

二、煤塔复杂节点的设计和分析2.1 节点的选型由于复杂节点的设计最终必须在现场实施，因此设计时需要考虑如何将其设计装配和现场翻转。

在节点的选型方面，要考虑节点的空间尺寸、裂缝的联结方式、构件连接一一挑选合适的节点。

2.2 节点的分析在设计复杂节点时，需要考虑节点与材料之间的力学联系，包括节点的截面和特征尺寸，裂缝与材料间的结构定位、转换及负载传递等因素。

在进行分析过程中，还需要考虑节点在动力荷载下的变形特性。

2.3 节点与构件之间的连接节点和构件之间的连接，是节点设计中的重要一环。

合理的节点设计不仅能够保证节点的稳固性，还能够降低节点的重量和使其占用空间减少。

当节点和构件之间的连接合理时，可以改善节点的受荷能力和稳定性。

因此，在设计单个节点时应该权衡设计决策，选择最合适的构件连接方案。

2.4 转化节点的设计转换节点是施工过程中最复杂的一类节点，主要是因为煤塔结构的变化所导致的。

设计转换节点通常需要考虑更多的挑战，需要考虑节点的形状和材料，以达到在其在转变过程中的安全和稳定性。

三、结论本文对某大型钢框架煤塔的复杂节点的设计和分析进行了讨论。

煤塔的结构复杂，设计和施工过程中需要特别注意结构的安全可靠性、可行性。

在节点的选型、分析、连接和转化设计中均需要充分考虑节点与材料之间的力学联系和其受荷能力和稳定性。