專利名稱：連接不同形狀鋼管柱的空心鋼節點的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種建筑鋼結構領域的應用的一種節點，特別涉及一種可以連接不 同形狀鋼管柱的鑄鋼空心節點。
背景技術：
鑄鋼節點設計在我國仍屬起步階段，與發達國家相比還有很大差距，特別是近 幾年來，隨著結構跨度的增大、形式的增多、造型的復雜，該節點以其合理性與適用 性越來越受到工程界的關注。空間鋼結構節點設計中，我們會遇上諸如焊接空心球 節點、螺栓球節點、圓鋼管或箱型鋼管相貫節點、焊接鋼板節點等節點形式。但是 隨著新型結構體系的不斷出現，使結構中構件與構件之間的節點連接方式日趨復 雜，傳統的鋼管相貫節點和焊接球形節點等形式己不能適應現代鋼結構的發展。為 了使結構設計滿足建筑造型的要求，提出了如何實現不同形狀構件之間的合理過 渡，實現不同截面轉換時，節點除必須具有足夠強的剛度，滿足承載力的要求外還 應盡量構造簡單，形式美觀。這就對采用什么樣的節點形式提出了要求，傳統的節 點多為球形節點，球形節點不能很好的解決不同截面之間的轉換問題。這就提出了 多面體型的節點形式，多面體節點不僅可以解決截面轉換的問題而且較為簡單、美 觀。實現多面體轉換節點可以采用兩種形式，焊接和鑄造。但是如果采用由多塊鋼 板焊接而成的節點，將會不可避免地出現多條焊縫交匯的情況，為了避免大量板件 之間焊縫的匯交，采用鑄鋼節點將會改善復雜節點的制作難、交匯焊縫的高殘余應 力等問題。而且鑄鋼節點有其獨特的優越性能鑄鋼節點在工廠內整體澆鑄，相對 于焊接節點與鋼管相貫節點，可免去相貫線切割及重疊焊縫焊接引起的應力集中； 鑄鋼節點具有靈活的適應性，節點設計自由度大，可根據建筑需要生產出具有復雜
外形和內腔的節點；可按受力狀況采用最合理的截面形狀，從而改善節點的應力分 布；不受節點位置、形狀、尺寸的限制，既可用于結構中部節點，也可用于支座節 點。鑄鋼節點可以做成實心、半空心和空心三種節點形式，因此具有良好適用性的鑄鋼節點形式越來越受到工程界的青睞。為了避免焊接節點存在的不足，采用多面 體形空心鑄鋼節點實現不同形狀截面的轉換具有很好的適用性和合理性。
發明內容
本發明所要解決的技術問題，是實現不同多邊形截面柱之間的轉換，可以連接 上下不同形狀的鋼管柱，并滿足受力合理、加工方便、外形美觀的要求。使其自成 的節點穩定性和承載力髙，大大節約材料。
為了達到上述目的，本發明采用了如下技術方案
本發明采用多面體外形結構，與上、下端主要受力的柱子連接部位為開口。節 點鑄鋼件壁厚的確定主要依據鑄鋼節點與相鄰上部多邊形構件等強的原則。在不同 部位鑄鋼節點壁厚可以相應的變化，以實現經濟性、受力合理性。
前述的節點是由數個多邊形鋼壁5的幾何空間組成；所述的鑄鋼節點幾何構型 采用的邊數，與所連接柱子的幾何邊數相對應；所述鑄鋼節點上部端口截面與所連 接的構件形狀相對應；其節點下部端口處的截面形狀與所連接的構件形狀相對應； 在所述的多面體鑄鋼節點上端設置水平加勁肋3，其下端設置承擔傾斜側壁產生的 水平分力的水平加勁肋4，在鑄鋼節點的縱向截面內設置提高鑄鋼件側壁穩定性的 縱向加勁肋1
前述的上端水平加勁肋3和下端水平加勁肋4設置有孔洞2。 前述的鋼壁5)壁間連接處均為倒角處理，鑄鋼件上端開口處同時設置水平焊 縫和背部填充焊縫。
本發明多面體鑄鋼轉換節點，與現有技術相比，具有明顯的優勢和有益效果 本發明可以避免眾多的焊接節點集中在一起，簡化節點形式。由于鑄鋼節點幾 何構型采用的邊數，與所連接柱子的幾何邊數相對應；上部端口截面與所連接的構 件形狀相對應；其節點下部端口處的截面形狀與所連接的構件形狀相對應；保證了 外觀看起來美觀、流暢。在鑄鋼節點上端設置水平加勁肋，其下端設置水平加勁肋， 在縱向截面內設置縱向加勁肋，保證了節點的整體穩定性和剛度要求。本發明轉換節點鑄鋼件根據鑄鋼節點與相鄰上部多邊形構件等強的原則確定壁厚。在不同部位 鑄鋼節點壁厚可以相應的變化。滿足了受力性能的要求并且可以減輕自重、節約鋼 材。鑄鋼件與構件的焊接處設置槽口，保證了有效的連接和傳遞內力。
圖l是多面體鑄鋼節點示意圖2是本發明剖面示意圖3是圖1中A—A剖面示意圖4是圖1中B—B剖面示意圖5是圖1中C—C剖面示意圖。
圖中l一縱向加勁肋，2 —孔洞，3 —上端水平加勁肋，4一下端水平加勁肋， 5 —多面體鑄鋼壁。
具體實施例方式
以下結合附圖對鑄鋼節點構造的實施進一步詳述
請參閱圖l所示，為多面體鑄鋼節點示意圖；從圖中可以看出，l為縱向加勁 肋，2為孔洞，3為上端水平加勁肋，4為下端水平加勁肋，5為多面體鑄鋼壁。
圖2為多面體鑄鋼節點的剖面示意圖，圖3為圖1中A—A剖面示意圖，圖4 為圖1中B—B剖面示意圖，圖5為圖1中C—C剖面示意圖。
如圖中所示，多面體鑄鋼轉換節點，由外形為數個多邊形鋼壁5的幾何空間組 成；鑄鋼節點幾何構型采用的邊數，與所連接柱子的幾何邊數相對應；所述鑄鋼節 點上部端口截面與所連接的構件形狀相對應；其節點下部端口處的截面形狀與所連 接的構件形狀相對應；在多面體鑄鋼節點上端設置水平加勁肋3，其下端設置承擔 傾斜側壁產生的水平分力的水平加勁肋4，在鑄鋼節點的縱向截面內設置提高鑄鋼 件側壁穩定性的縱向加勁肋1。上端水平加勁肋3和下端水平加勁肋4設置有孔洞 2。鋼壁5，壁間連接處均為倒角處理，鑄鋼件上端開口處同時設置水平焊縫和背部 填充焊縫。鑄鋼節點的壁厚不宜過薄也不宜過厚，過薄不能保證鋼液均勻平穩的進入腔 內，過厚鑄鋼將會造成鋼材的浪費。為了承擔傾斜側壁產生的水平分力故在多面體 鑄鋼節點的上、下端部均設置水平加勁肋4，以保證側壁的整體穩定性，提高鑄鋼 節點的剛度。考慮到部分鑄鋼節點尺度較大，構件壁厚相對較薄，還應設置縱向加 勁肋1，在設計縱向加勁肋1時除考慮節點構造特點與受力性能要求外，還應結合 鑄造工藝要求，保證鋼水流動順暢，內、外散熱均勻，有效避免鑄鋼節點內部缺陷。
鑄鋼節點傾斜側壁與垂直側壁之間，節點內壁與外壁要采用倒角使得內力傳遞 順暢，避免應力集中的同時，還具有良好的外觀效果。綜合考慮鑄造工程中的清渣 要求以及現場焊接的要求，可分別在上、下端水平加勁肋處設置孔洞2。
鑄鋼件與相鄰構件的連接是鑄鋼節點設計中的一個重要環節。由于應力度較 高，構件鋼材的強度應高于鑄鋼材料，故此鑄鋼件壁厚一般大于構件的壁厚。若將 鋼管與鑄鋼件直接焊接，勢必在此處產生較大的焊接應力，為使高強材料與低強材 料之間內力均勻傳遞，避免產生局部應力集中現象，所以在鑄鋼節點與鋼管的焊接 處要做焊接槽口。如果鑄鋼節點與鋼管的壁厚相差不大時可以直接將鑄鋼壁厚平滑 過渡到與鋼管相當壁厚，如果鑄鋼壁厚與鋼管相差較大時要在鑄鋼件上端接口同時 設置水平焊縫與背部填充焊縫，以保證鋼構件中的較高應力可以有效擴散為鑄鋼件 中的較低應力。對于多面體鑄鋼件的下端口，由于應力較低，故鑄鋼件下端口與構 件僅設置水平焊縫即可。
根據本發明的技術方案，具體說明其制作方法如下-
1) 首先進行節點外形和構造設計根據與該發明相連接的上下端連接柱子的 截面尺寸、位置、強度和建筑造型，確定鑄鋼節點的上部開口形狀和大小、下部開 口形狀和大小。該節點的高度(長度)和壁厚，壁厚要保證該節點具有足夠強度， 充分考慮鑄造工藝和高度，結合節點外形，綜合考慮節點重量。確定鋼壁間倒角半 徑大小、節點焊接接口形式以及是否設置加勁肋和加勁肋位置、尺寸和鋼壁變厚度 計算等，并且留出足夠大的施焊空間。
2) 選擇鑄鋼材質為了確保鑄鋼節點具有良好性能，要嚴格控制材料的化學 成分，尤其注意保證鑄鋼件的可焊性。目前，該節點的材質選擇主要參照德國標準。選用GS-20Mn5V進行冶煉。
3) 模型制作該步驟是節點鑄造的關鍵步驟，在模型制作過程中應嚴格控制
模型各部分的尺寸、角度及表面光潔度。本發明選用木模板，木模的制作的要求很 高，特別是角度的檢測，為此，可釆用正交平板投影法，通過測量，組成三維坐標 系，將木模及其后的鑄件(節點)的尺寸及角度精確地測量出來。根據已測尺寸進行 支模。注意在支模時保證模板表面的質量和光潔度，并考慮木模板的變形問題。
4) 造型工藝節點采用樹脂砂造型工藝，樹脂自硬砂鑄造尺寸精度較高，表 面質量較好。由于節點體積大，局部熱節大，生產中嚴格控制配砂、控制型砂性能， 提高表面穩定性。合箱前對砂型表面進行烘干，吹凈型腔中散砂，保證澆口、出氣 孔暢通；合箱后，在澆、冒口上加蓋板以防止砂子進入型腔。控制起模時間。
5) 冶煉冶煉工藝控制包括熔化期早期脫磷操作；氧化期保證脫碳量和脫碳 速度以及凈沸騰的時間；還原期保證白渣時間，利用光譜分析儀對成品樣進行化學 成分檢驗，采用電弧爐冶煉，通過吹氬等氣體攪拌精煉技術，提高產品機械性能。
6) 澆注鋼水的澆注要確保進人型腔的鋼液平穩，有合適的上升速度，不出
現渦流現象。對于鑄件中厚度較薄部位，應將鋼水澆遍，以防鋼水凝固后出現空洞， 嚴重影響節點的受力性能。為了避免出現尖角及有利于清砂，鑄鋼節點的各鑄件之 間的內外壁均為圓滑過渡，即設計倒角。
7) 調質熱處理由于每爐熔煉金屬的化學成分存在一定的波動，因此需要根 據不同鑄件的成分對熱處理參數進行調整，以保證鑄鋼件的機械性能。裝爐時盡可 能使同一冶煉爐次的鑄件同爐，裝爐時要墊平鑄件，防止產品變形。鑄鋼件在調質 過程中應嚴格把握加熱、保溫和冷卻三個環節，合理確定熱處理工藝參數。鑄件與 鑄件、鑄件與爐體之間的間隙要保證，使鑄件各部分均勻受熱、冷卻。淬火時的冷 卻速度對材料性能影響很大，因此對淬火用的水池容積提出嚴格要求，以控制淬火 冷卻速度。
8) 對位焊接本工程對鑄鋼件上、下端口與相鄰構件連接時采用槽口焊接工 藝，上部開口部位采用水平和背部填充焊縫，下部開口采用水平焊接焊縫。
鑄鋼節點的質量控制為確保鑄鋼節點的質量，在節點的生產及安裝過程中主要進行以下幾方面的檢測
1) 對其化學成分應進行嚴格檢驗，并提供相應的化學成分報告。
2) 將澆鑄鋼件的同爐鐵水制成標準試件，進行力學性能檢驗，提供機械性能 報告。
3) 對鑄件進行無損探傷檢測，方法主要為磁粉探傷與射線探傷。
4) 用三維坐標儀對鑄鋼節點的幾何尺寸及空間位置進行檢測，并根據測量結
果在鑄鋼件上標出定位線，以利于節點的安裝。
5) 節點表面不影響使用性能的缺陷允許進行焊補、修復，但具有蜂窩狀氣孔
時不允許焊補。
鑄鋼節點的受力分析:鑄鋼節點的計算方法主要采用有限元法，利用大型通用 有限元程序ANSYS、 NASTRAN、 COSMOS等進行受力分析。在進行有限元分析時，由 于鑄鋼節點的壁相對較厚，單元類型通常選實體單元，根據鑄鋼材質的屈服強度進 行彈性或塑性分析。對那些受力較大、構造復雜的鑄鋼節點有必要進行足尺試件或 縮尺模型的試驗研究。由于鑄鋼具有較好的塑性，鑄鋼節點的強度準則采用Von Mises等效應力，即當計算點的Mises應力超過材料強度，認為該點進入塑性。
權利要求
1、一種連接不同形狀鋼管柱的空心鋼節點，由外形為數個多邊形鋼壁(5)組成的幾何空間；鑄鋼節點幾何構型采用的邊數，與所連接柱子的幾何邊數相對應；鑄鋼節點上部端口截面與所連接的構件形狀相對應；其節點下部端口處的截面形狀與所連接的構件形狀相對應；其特征在于在所述的多面體空心鋼節點所連接的柱子為上端柱截面尺寸小于下端柱的界面尺寸，且上端設置水平加勁肋(3)，其下端設置承擔傾斜側壁產生的水平分力的水平加勁肋(4)，在鑄鋼節點的縱向截面內設置提高鑄鋼件側壁穩定性的縱向加勁肋(1)。
2、 根據權利要求1所述連接不同形狀鋼管柱的空心鋼節點，其特征在于所 述的上端水平加勁肋(3)和下端水平加勁肋(4)設置有孔洞(2)。
3、 根據權利要求1所述連接不同形狀鋼管柱的空心鋼節點，其特征在于所述的鋼壁(5)，壁間連接處均為倒角處理，鑄鋼件上端開口處同時設置水平焊縫和背部填充焊縫。鑄鋼件下部端口采用水平焊縫。
4、 根據權利要求1所述連接不同形狀鋼管柱的空心鋼節點，其特征在于一體澆鑄完成。
全文摘要
本發明一種多面體鑄鋼轉換節點，由外形為數個多邊形鋼壁(5)的幾何空間組成；鑄鋼節點幾何構型采用的邊數，與所連接柱子的幾何邊數相對應；鑄鋼節點上部端口截面與所連接的構件形狀相對應；其節點下部端口處的截面形狀與所連接的構件形狀相對應；在多面體鑄鋼節點上端設置水平加勁肋(3)，其下端設置承擔傾斜側壁產生的水平分力的水平加勁肋(4)，在鑄鋼節點的縱向截面內設置提高鑄鋼件側壁穩定性的縱向加勁肋(1)。本發明轉換節點鑄鋼件根據鑄鋼節點與相鄰上部多邊形面構件等強的原則確定壁厚。在不同部位鑄鋼節點壁厚可以相應的變化。鑄鋼件與構件的焊接處設置槽口，保證了有效的連接和傳遞內力。
文檔編號E04B1/58GK101435225SQ20081023938
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月12日 優先權日2008年12月12日
發明者翼 彭, 曹萬林, 王春光, 耿海霞, 重 范 申請人:北京工業大學