鑄鋼節(jié)點(diǎn)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(diǎn)枝狀空間鋼結(jié)構(gòu)，介紹了巨型復(fù)雜鑄件的設(shè)計(jì)與鑄造工藝,樹枝結(jié)構(gòu)安裝 工藝及測(cè)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(diǎn);設(shè)計(jì);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(tái) 組成，長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)機(jī)理設(shè)計(jì)，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(diǎn),為鑄鋼節(jié)點(diǎn)枝狀空間鋼結(jié)構(gòu)(見圖1)。黃金 樹建筑高度達(dá)40m,2棵樹投影面積約3400m2 0匯交節(jié)

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

10個(gè)分枝、重達(dá)7.71U

鑄鋼節(jié)點(diǎn)

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

鑄鋼節(jié)點(diǎn)具有不同性、多枝性、分枝多向性、體 積龐大、重量大等特點(diǎn)。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(cè)控是一個(gè)復(fù)雜、龐大的體系。 安裝過程中的累計(jì)誤差控制難,相關(guān)節(jié)點(diǎn)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(chǎng)焊接空間狹窄，而且鑄件與 鋼管對(duì)接為不同材質(zhì)、不同壁厚的高空全位置焊接。

鑄鋼節(jié)點(diǎn)案例

黃金樹結(jié)構(gòu)與鑄鋼節(jié)點(diǎn)造型的深化設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)鑄 造、結(jié)構(gòu)安裝、測(cè)控與焊接等方面的綜合技術(shù)在國(guó)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(jì)及驗(yàn)算

通過對(duì)節(jié)點(diǎn)的大量計(jì)算 和分析，創(chuàng)造性地釆用半空 心半實(shí)心的節(jié)點(diǎn)形式(見圖 2),解決了鑄鋼節(jié)點(diǎn)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(guó)牌號(hào)ZG275485H代換原牌號(hào)(日本)SCW480焊接結(jié) 構(gòu)用鑄鋼件。

模型建立 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(diǎn)建立計(jì)算模型進(jìn)行分析G

節(jié)點(diǎn)計(jì)算 運(yùn)用ANSYS軟件計(jì)算節(jié)點(diǎn)的彈塑 性應(yīng)力分布及極限承載力，考核其節(jié)點(diǎn)的破壞機(jī)理。

節(jié)點(diǎn)分析與選擇實(shí)心節(jié)點(diǎn)極限承載力 為設(shè)計(jì)承載力的45倍左右，鑄造相對(duì)容易，但造成材 料的浪費(fèi)，加大了節(jié)點(diǎn)的自重，同時(shí)難以解決一些焊接 技術(shù)問題，對(duì)整個(gè)黃金樹結(jié)構(gòu)受力將產(chǎn)生不利的作用； 空心節(jié)點(diǎn) 模型壁厚取28mm時(shí)，極限承載力為設(shè) 計(jì)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(shí)心節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)管徑450mm或 350mm,壁厚40mm。極限承載力為設(shè)計(jì)承載力的15倍 左右，可以減輕節(jié)點(diǎn)自重，能解決節(jié)點(diǎn)焊接難度，同時(shí) 鑄造工藝可行;根據(jù)各類型節(jié)點(diǎn)受力狀況及鑄造、安 裝、焊接難度進(jìn)行綜合考慮，選擇安全、經(jīng)濟(jì)、合理可行 的半空心半實(shí)心節(jié)點(diǎn)。

2.2鑄件的鑄造工藝

針對(duì)鑄件體積大、重量大、分枝多及半空心等特 點(diǎn)，經(jīng)查詢資料和市場(chǎng)調(diào)研，傳統(tǒng)的木模、蠟?zāi)?、金屬?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(yùn)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(jìn)，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(jī)床能夠識(shí)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(zhǎng)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(qiáng)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(jìn)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(cè)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(diǎn)幾何形狀、外觀達(dá)到建筑設(shè)計(jì)要求，在 正式生產(chǎn)前，選取典型的429號(hào)節(jié)點(diǎn)，按照1 ： 1的比例 進(jìn)行模具制造試驗(yàn)及澆鑄試驗(yàn)。

2.3樹枝結(jié)構(gòu)安裝工藝

鑄鋼節(jié)點(diǎn)-深圳機(jī)場(chǎng)

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(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)鑄件形狀各異、外形復(fù)雜、體積 龐大。針對(duì)其形式和特點(diǎn)，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(jì)算模型， 進(jìn)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(jì)算依據(jù)。

黃金樹1:10現(xiàn)場(chǎng)安裝模擬，核實(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)安裝與精校到位。實(shí)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(jìn)行。

在鑄鋼節(jié)點(diǎn)下方搭設(shè)節(jié)點(diǎn)安裝與校正專用固 定架與支撐架，吊裝節(jié)點(diǎn)至支撐架上，調(diào)校節(jié)點(diǎn)至設(shè)計(jì) 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(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)控。在安裝過程、焊接前 后、胎架拆除前后進(jìn)行黃金樹整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變測(cè) 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(cè)控技術(shù)

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

采用計(jì)算機(jī)編程，在制作廠將節(jié)點(diǎn)中心坐標(biāo)轉(zhuǎn)化 為實(shí)物表面三維坐標(biāo)，每個(gè)鑄件選取3個(gè)以上測(cè)量標(biāo) 志點(diǎn)。樹枝結(jié)構(gòu)全程測(cè)控釆取全站儀極坐標(biāo)測(cè)量法， 分4個(gè)步驟重點(diǎn)控制:著重測(cè)控單個(gè)節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(duì)穩(wěn)定的組 合三棱錐體，精確調(diào)校三棱錐體的各個(gè)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(jìn)焊接工藝,控制整體焊接變形、控 制節(jié)點(diǎn)各分枝焊接變形、控制單個(gè)接頭焊接變形，從而 解決了不同材質(zhì)、不同壁厚鋼管對(duì)接焊的難題,保證了 焊接質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)傳力的安全。

鑄件與鋼管對(duì)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(diǎn)的設(shè)計(jì)及驗(yàn)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(jìn)行1：1的多參數(shù)模擬 焊接與試驗(yàn)檢測(cè)，以確定佳的焊接參數(shù)及工藝措施