铸钢节点研究现状和展望

在国外，铸钢节点已得到非常普遍的应用。如日本名古屋体育馆的单层球面网壳，釆用了带加劲肋的圆柱状铸钢节点；德国斯图加特机场航站楼的主体结构为树状仿生结构，其“主干”与 “支干”的连接部位全部采用了铸钢相贯节点皿。 从1999年深圳文化中心“黄金树”钢结构工程开 始，铸钢节点逐渐被我国工程界认识和了解，并 从此引发了工程应用的热潮。近几年国内所建设 的体育场、展览馆等城市标志性建筑，如天津奥 林匹克体育中心、哈尔滨国际会展中、 上海新国际博览中心、广州国际会展中心等都用到了铸钢节点。然而，与工程应用相比，铸钢节点的相关性能研究还不够深入，至今国内尚无铸钢节点的设计规范以供设计人员参考。

铸钢节点的特点

铸钢节点相对于其他节点而言，有独特的性能，其主要特点为：

铸钢节点在工厂内整体浇铸，相对于焊接球节点与焊接钢管相贯节点，可免去相贯线切割及重叠焊缝焊接引起的应力集中。

铸钢节点具有良好的适应性，节点设计自由度大。

在局部高应力区形成圆角和圆滑过渡的截面，既避免了应力集中，又具有美观的流线型外形。铸钢节点也有其不足之处，比如自重大、成本高，造型变化多样，不利于批量化生产等。

铸钢节点的设计

国内铸钢件应用于空间结构的时间并不长，因此铸钢节点的理论、实验以及施工技术研究非常有限，尚缺乏相关规范指导设计与施工。目前的理论研究主要针对具体工程中应用到的节点，使用通用的大型有限元软件进行弹性或塑性的应力、应变以及破坏机理的研究；而实验研究则是针对一些具体工程中使用到的节点的足尺实验，检验节点在该工程中的一些危险工况下的工作状况，并通过对节点上各部位的应力、应变的测量来验证理论研究的正确性，从而为工程中铸钢节点的使用提供充分的理论与实验依据。目前，铸钢节点承载力的研究主要局限于铸钢空心球节点。

3.1铸钢空心球节点的轴向承载力

利用平面单元对铸钢空心球节点进行有限元分析，认为当节点受轴向拉力作用时，铸钢管与球外侧倒角处产生应力集中，此处点的应力首先达到材料的屈服强度，进入塑性，随着荷载的逐渐增加，球体上的塑性区不断向外侧倒角处的球壁内侧及球面四周扩散，直至出现显著的局部塑性变形，倒角附近的球面被向上拉起，倒角处的球壁逐渐变薄，在倒角与球体相切的球壁截面上出现明显的颈缩现象，最终节点在该处被拉断。

铸钢空心球节点即使是在构造措施得到保证的情况下，受轴向压力作用下的破坏情况仍与受轴向拉力作用下的情况不同，不能合二为一。他利用平面单元对受轴向压力的铸钢空心球节点进行了有限元分析，加载过程中，首先在应力最为集中的外侧圆角处出现小范围的屈服，形成塑性区。此后，随着压力的增大，外侧圆角处的塑性区域进一步扩大，同时在球体内壁和钢管内壁也相继发生屈服现象，形成塑性区。最终在球体的上部和下部形成了两条连续的塑性区域，钢管与球体交接处的外侧圆角附近形成了明显的凹陷，变形梯度不断增大，最终形成了节点相贯线附近的压曲破坏，

铸钢空心球节点壁厚较厚，同时又存在内外侧的圆角，所以刚度较以往使用的焊接空心球节点刚度有较大提高，其实际受力状态更多的表现为受轴向力与弯矩共同作用。

张向荣闾对轴力和弯矩共同作用下的铸钢空心球节点进行了有限元分析。在轴向压力与弯矩共同作用时，铸钢空心球节点受较大压力一侧铸钢管与球外侧倒角区域是节点的薄弱部位，随着荷载的增加，倒角附近的球面岀现显著的塑性变形，倒角处的球壁逐渐变薄，在倒角与球体相切的球壁截面上岀现明显的塑性流动现象，最终节点在该处被压坏。

铸钢节点在我国虽然得到了飞速的发展，但仍属于起步阶段，与国外先进国家相比还存在着明显差距，而且对铸钢节点的研究也有很多问题有待进一步解决。铸钢节点壁厚，而与之相连的钢管壁薄，于是连接处会产生很大的应力集中，成为受力薄弱环节，这是今后值得研究的一个方面。另外对于空间型铸钢节点，其应用广泛，但影响参数众多，研究难度大，是今后值得重点关注、研究的又一个方向。

目前，我国尚未发行铸钢节点的设计规范，设计人员只能借助有限元分析软件和实体试验来进行设计，不利于铸钢节点的推广。铸钢节点形式多样，往往是小批量或单件生产，成本高。如果能实现铸钢节点的标准化，进行大批量生产，可降低铸钢节点造价，有利推广。另外，我国目前的铸造工艺水平也是制约铸钢节点发展的一个瓶颈。受铸造水平所限，铸钢节点的壁很厚，自重大，既增加了造价，也不利于受力。因此在保证质量的前提下降低自重，也将是铸钢节点的研究方向之一。