铸钢节点枝状空间钢结构的研究与应用

钢结构;空间结构;铸钢;节点;设计;铸造;安装;焊接变形

深圳市文化中心由音乐厅、图书馆和室外大平台 组成，长312m,宽89.7m,高40m,总建筑面积8.98万 m\图书馆和音乐厅入口处均设有对称分布的树型结 构的大前厅,树型结构表面装饰成黄金色，故称黄金 树。黄金树按照树的生长机理设计，从下至上由主干、 粗枝、中枝和端枝组成，多根钢管杆件以不同的角度汇 交于一点,为铸钢节点枝状空间钢结构。黄金 树建筑高度达40m,2棵树投影面积约3400m2 0汇交节点共计67个，形 状各异，节点伸出 的枝管数量为3~ 10个。钢结构工 程量约1200t,主杆 件共计216根。最复杂铸钢节点达10个分枝、重达7.71U

1施工难点

本工程的深化设计按国外做法由施工单位完 成，设计单位只进行审查。由于结构新颖独特,尤其是 铸钢节点造型复杂、体积庞大，给节点的计算和受力分 析带来困难。

铸钢节点具有不同性、多枝性、分枝多向性、体 积庞大、重量大等特点。从模型选择与制作、骨架打孔 定位、插杆，到铸件精度控制，都是铸钢铸造的新课题。

枝状空间结构为不规则结构，规模庞大，确保 黄金树整体安装到位且控制其精度,是一大难题0

黄金树的安装测控是一个复杂、庞大的体系。 安装过程中的累计误差控制难,相关节点的协调和修 正难。

枝状空间结构焊接约束较多，焊接变形控制较 难，铸钢件体形复杂、现场焊接空间狭窄，而且铸件与 钢管对接为不同材质、不同壁厚的高空全位置焊接。

2主要施工技术

黄金树结构与铸钢节点造型的深化设计、节点铸 造、结构安装、测控与焊接等方面的综合技术在国内尚 无先例可循，具有较大难度。

2.1巨型复杂铸件的设计及验算

通过对节点的大量计算 和分析，创造性地釆用半空 心半实心的节点形式(见图 2),解决了铸钢节点的构造和受力难题。

材质 通过化学成分、力学性能比较,选用中 国牌号ZG275485H代换原牌号(日本)SCW480焊接结 构用铸钢件。

模型建立 节点设计既要保证建筑安全，又要 满足铸造工艺可行，安装方便。选取一些代表性的节 点建立计算模型进行分析G

节点计算 运用ANSYS软件计算节点的弹塑 性应力分布及极限承载力，考核其节点的破坏机理。

节点分析与选择①实心节点极限承载力 为设计承载力的45倍左右，铸造相对容易，但造成材 料的浪费，加大了节点的自重，同时难以解决一些焊接 技术问题，对整个黄金树结构受力将产生不利的作用； ②空心节点 模型壁厚取28mm时，极限承载力为设 计承载力的5.71倍，材料省，自重轻，但给铸造带来相 当大的困难；③半实心节点节点管径450mm或 350mm,壁厚40mm。极限承载力为设计承载力的15倍 左右，可以减轻节点自重，能解决节点焊接难度，同时 铸造工艺可行;④根据各类型节点受力状况及铸造、安 装、焊接难度进行综合考虑，选择安全、经济、合理可行 的半空心半实心节点。

2.2铸件的铸造工艺

针对铸件体积大、重量大、分枝多及半空心等特 点，经查询资料和市场调研，传统的木模、蜡模、金属模 等工艺均不能解决制模问题，这就要求在模型选择与 制作、铸造工艺、成品的精度控制等方面采用新工艺。

模型选择消失模铸造工艺广泛运用于汽车 制造业，模具的材料可以随钢水自然挥发消失,但用于 如此复杂的建筑还是第一次。经过改进，采用消失模 铸造工艺。

模型制作将图纸数据转换成机床能够识别 的数据格式，然后制作模型骨架，在骨架中心处的圆球 上打孔定位,然后将经特殊处理的杆件插入孔内，既保 证杆件空间位置的准确性,又控制了每根杆件的长度。 经修整后，形成模型骨架。

铸造工艺 主要控制内容:①采用透气性好、 强度高、干燥快的醇基涂料;②布设浇铸系统;③向砂 箱内通COz气体，使砂型硬化，然后注入钢水进行浇 铸;④热处理改善钢性能;⑤后处理控制铸件外观。

精度控制在铸造过程中，采用三坐标仪测量 控制铸钢件空间位置精度。为确保铸钢件铸造工艺更 加合理，使节点几何形状、外观达到建筑设计要求，在 正式生产前，选取典型的429号节点，按照1 ： 1的比例 进行模具制造试验及浇铸试验。

2.3树枝结构安装工艺

枝状空间结构打破了传统的横平竖直的结构形 式,对现场安装提出了较高的技术要求I枝状空间结 构为不规则结构，节点铸件形状各异、外形复杂、体积 庞大。针对其形式和特点，制定了由下向上、由内及 夕卜、由主枝到次枝的空间定位安装工艺:

根据黄金树结构及安装工艺，建立计算模型， 进行各安装工况和胎架拆除过程中树枝结构整体内力 分析,为结构安装提供计算依据。

黄金树1:10现场安装模拟，核实安装工艺。

高空组装采取由下向上、由中间向四周、由主 到次依次安装，将每个节点安装与精校到位。实际安 装按照主干、第1层主杆件、组合空间三角形构件、组 合三棱锥体构件、伞形屋面杆件的顺序进行。

在铸钢节点下方搭设节点安装与校正专用固 定架与支撑架，吊装节点至支撑架上，调校节点至设计 位置。

选择合理的焊接工艺，制定焊接顺序,减少焊 接约束，有效控制焊接变形。

对结构内力进行监控。在安装过程、焊接前 后、胎架拆除前后进行黄金树整体结构的应力-应变测 试,确保结构施工过程的安全。

2.4庞大的树枝结构测控技术

采取有效的测控技术进行树枝结构全程测控，并 采用预先控制，坐标引出，跟踪测量，严格控制安装顺 序、工艺流程等技术措施。

采用计算机编程，在制作厂将节点中心坐标转化 为实物表面三维坐标，每个铸件选取3个以上测量标 志点。树枝结构全程测控釆取全站仪极坐标测量法， 分4个步骤重点控制:①着重测控单个节点精度;②利 用结构上铸件与杆件形成的第1层面的封闭的三角 形，在单个节点精确安装的基础上，精确调校三角形的 空间位置;③在三角形框架基础上，得到相对稳定的组 合三棱锥体，精确调校三棱锥体的各个构件及锥体的 空间位置;④精确控制黄金树的整体外形尺寸° 2.5异种钢材焊接技术

通过优化和改进焊接工艺,控制整体焊接变形、控 制节点各分枝焊接变形、控制单个接头焊接变形，从而 解决了不同材质、不同壁厚钢管对接焊的难题,保证了 焊接质量和节点传力的安全。

铸件与钢管对接为不同材质、不同壁厚的全方位 高空焊接，且在树枝枝杈附近焊接空间极其狭窄。在 节点的设计及验算中，为保证焊接质量,要预先考虑足 够的焊接空间。正式焊接前，进行1：1的多参数模拟 焊接与试验检测，以确定最佳的焊接参数及工艺措施