徐士杰1 贾海涛1 王正云1 黄永春1 冯 锋2徐联民2
（1．青岛绿城建筑设计有限公司，山东青岛266000；2．中建钢构有限公司，重庆400045）
摘 要：网架结构已经在建筑工程领域广泛应用，而传递网架结构内力的关键部位之一就是铸钢节点，满足网架节点的受力要求是保证网架结构安全的必要条件。重庆江北机场新建航站楼实体网架工程中的空间铸钢节点不仅空间造型各异，而且受力情况相对复杂，为此，对此网架节点进行力学性能分析。首先通过ANSYS有限元软件分析了节点区域在设计荷载作用下应力分布情况以及变形量，判断其能否满足实际工程设计要求；其次通过试验分级加载得到荷载-位移曲线和此时的应力及变形云图；然后进一步研究了节点破环时的一些特征；最后对此类异形铸钢节点使用及施工过程提出优化建议。
关键词：铸钢节点；有限元分析；结构；试验DOI:10.13206/j.gjg201606010
网架结构已在建筑工程中广泛应用，许多大跨度、大体量、平面复杂、体型新颖的异型壳体等大型公共建筑相继出现。重庆江北国际机场新建T3A航站楼同样采用了正交正放四角锥钢桁架，网格主要平面投影尺寸为6mx6 m，网架高度为4~6 m。其平面沿南北向设置了4道天窗带，天窗带两侧屋盖有1~4.3 m高差，建筑造型要求屋盖下表面也形成相应高差，天窗处采用立体桁架结构，桁架节点采用大量的铸钢节点。由于网架天窗部位部分铸钢节点构造最为复杂，端口较多，受力较大，对其进行有限元分析是保证该工程顺利进行的必要条件。
为了使工作更具代表性，所选取的铸钢节点都是位置比较典型，受荷相对较大的节点，只要选取的节点能够满足强度要求，其他铸钢节点承载力亦没有问题。网架上铸钢节点的选取位置见图1。
1 网架结构铸钢节点的应用现状及特点
随着空间结构的不断发展，结构的跨度越来越大，结构形式日趋多样，结构中构件间节点的连接方式和力学性能亦日趋复杂，而节点构造是否合理，对结构的受力性能、施工工艺、工程造价都有相当大的影响。目前，传统的焊接球节点、钢管相贯节点等节点形式难以在构造及制作工艺上满足要求，因此，具有良好适用性的铸钢节点受到工程界的青睐。铸钢节点可以避免或降低构件相接处的应力集中程度，具有节点设计自由度大、外形美观等特点。
在国外，铸钢节点已有很多成功应用的实例，如日本名古屋体育馆的单层球面网壳，采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。国内一些工程也大量使用铸钢节点，如上海新国际博览中心、郑州国际会展中心、天津奥林匹克体育中心等。
重庆T3A航站楼所采用的铸钢节点就是将铸钢材料通过铸型而成的一种节点，将钢结构构件、部件或板件连接成一整体。该节点较以往其他工程使用的铸钢节点受力更为复杂、造型更为迥异。相比于传统焊接节点，重庆江北机场新建T3A航站楼所用的铸钢节点具有如下特点：
1)铸钢节点在工厂内整体浇铸，在局部高应力区形成圆角和圆滑过渡的截面，不仅可免去相贯线切割及重叠焊缝焊接引起的应力集中，将应力集中系数降低到原来的40%，而且具有美观的流线型外形。2）节点设计自由度大，可根据建筑外形、受力状况、浇铸工艺等设计出最合理的截面形状，以改善节点的应力分布状况。3）节点整体浇铸而成，壁厚一般大于相邻构件，节点刚度大且整体性好。4）疲劳性能、耐腐蚀性能、抗震性能均好。
铸钢件选用CECS 235: 2008《铸钢节点应用技术规程》的G20Mn5高强度低合金材质，铸钢件通过热处理不仅有较高的强度和韧性，且焊接性能良好，有利于现场的施工和焊接。详细的力学性能见表1。
由于铸钢节点数量较多，本分析选取了网架中部分受力较大的上弦或下弦节点为分析对象，分析内容基本可以覆盖其他节点受力情况，所选取的铸钢节点形式见图2。
2 有限元分析
2.1 有限元模型
由于T3A航站楼中的铸钢节点体型复杂，直接在ANSYS中建模很困难，所以首先采用Solid Works进行有限元实体模型的建立，根据铸钢件实际尺寸采用1：1进行模型建立，然后导入ANSYS进行分析，铸钢节点为刚性节点，因此要选有节点转动的实体单元，采用三维实体单元对几何模型进行网格划分，每个单元有10个结点（4个角点和6个中间结点），每个结点有6个自由度，采用局部加密的自适应法划分节点计算模型的网格。
2.2荷载及边界条件
分析中铸钢假定为理想的弹塑性材料，材料的弹性模量为2. 06×105 M Pa，泊松比为0.3，屈服强度为360 M Pa，进行弹塑性分析时，采用von Mises屈服准则及相关的流动法则。由于铸钢球管节点的壁比较厚，为提高计算精度，网格划分控制单元尺寸为25 mm。根据MST 2011求出的各个杆件的轴力，铸钢节点各个杆件的内力是平衡的，为了使结果反映节点的真实受力状态，边界条件为节点在某一工况下杆件轴力、弯矩及剪力反向施加与该节点上。
2.3有限元计算分析
根据重庆T3A整体网架的计算模型，用软件MST计算得出各铸钢节点在最不利工况组合下的各杆端内力，该内力即为有限元分析中所施加给节点的荷载。整体网架工况种类共有157种，限于篇幅，只考虑最不利的4种工况，以铸钢节点ZGJ -6为例，只需考虑以下4种最不利工况：工况2，即荷载组合为“1.2静+ 1.4活”；工况27，即“1.2静+1.4活+0. 84风”，工况74，即“1.2静+1.4活+0. 84风+0. 84温(+40℃)”；工况94，即“1.2静+1.4风+0. 84温(+40℃)”。这4种工况的分析荷载可以覆盖其他所有工况的受力情况，由于本次测试的铸钢节点是典型的空间三维结构，节点在荷载作用下的安全性是以节点的应力低于其设计强度为标准。为此，根据上述4种工况下所受荷载大小，采用通用有限元程序ANSYS模拟铸钢节点在上述工况下所产生的应力、应变、变形，并以此作为评价铸钢节点安全性的依据。
根据设计荷载进行线弹性静力分析，对具体的6个铸钢节点ZGJ -1、ZGJ -2、ZGJ -3、ZGJ -4、ZGJ -5、ZGJ -6（图2）全部进行有限元分析，选取典型的铸钢节点ZGJ -6计算后得到变形图、von-Mises应力云图如图3-图6所示。
从以上结果可知，ZGJ -6在4种工况下最大应力为180. 01 M Pa，小于最大的屈服应力360 M Pa。
节点ZGJ -3在工况2下的应力为273. 98 M Pa，是铸钢节点在所有工况下的最大应力，小于最大的屈服应力360 M Pa，满足设计要求。
2.4 弹塑性极限承载性能分析
铸钢节点弹塑性极限承载力分析时，材料的本构关系采用理想弹塑性模型，限于篇幅，本节仅给出最大荷载步的von Mises应力云图。
当荷载值为2倍设计荷载时，节点有部分区域进入塑性区，最大应力发生在支管与主管交汇的部位，其von Mises应力云图如图7所示。
3试验对比
为了确保计算结果的准确性，选取铸钢件节点ZGJ-6进行了实体足尺试验（图8），探究在指定工况2作用下的受力性能，对此节点进行轴向拉压试验，检验其承载能力水平是否满足设计要求。本次试验采用与实际工程中相同截面的支管，并采用相同的连接方式与铸钢件节点进行对接。
在试件加工时将铸钢件与各支管焊接，并在支管端部通过端板处的螺栓与油缸固定。加载过程中将指定工况下的荷载施加于杆端，忽略数值较小的弯矩和剪力，只施加轴向荷载。另外腹杆3和腹杆6因荷载过小，故没有进行接长，放弃加载。
本试验采用逐级加载，最大加载到指定工况的1.3倍，最终卸载归零。在加载至指定工况的1.3倍时，铸钢件各腹杆和弦杆的管身中部轴向应力的有限元理论计算结果及其与试验过程中在铸钢件相应位置实测得到的轴向应力的比较情况见表2，表中每根杆件测点的实测结果为各管身中部测点轴向应力的平均值。
由表2可知试验结果与有限元模拟得到的理论值存在些许差异。通常这种差异来自几个方面：有限元软件本身的误差，有限元模型就是一个离散模型，与实际铸钢件构件相比存在离散化误差，同时有限元模拟方法是建立在一些先行假设的基础上，这些假设也有可能会带来误差；试验简化带来的误差，如本工程忽略了杆端的剪力和弯矩；建模参数存在差异，由于试验过程中人为的客观影响因素很多，不可能完全与软件模拟的条件、状况相同。忽略
这些差异，从表2可以看出，有限元计算结果完全可以满足精度要求。
4 结束语
1)通过对6个铸钢节点在4种不利控制荷载工况下的受力分析可知，节点的最大应力均小于材料的屈服强度值，所有铸钢节点基本处于弹性状态，满足正常使用极限状态受力要求及结构的安全要求。铸钢相贯节点的应力分布具有区域性特点，大部分铸钢构件的应力最不利位置为各管汇交区域，由于应力集中，应力值较大。远离汇交区域的铸钢管整体应力水平较低。节点最大应力为273. 98 M Pa，小于最大的屈服应力360 M Pa，满足设计要求。
2)由节点的弹塑性极限承载力分析可知，铸钢节点的最大承载力达到了最不利荷载工况的1.3倍以上，部分节点的最大承载力达到了最不利荷载工况的6倍，表明铸钢节点有较高的承载力储备，用于结构上是安全的。
3)本次计算分析的铸钢节点具有数量多、体型大、结构复杂、施工难度高等特点，通过试验对有限元计算结果加以验证，为以后类似的复杂工程提供计算方法和试验数据。
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