鑄鋼節點的抗疲勞優化設計

現代工程結構跨度大、造型復雜、形式多樣,對連接節點要求更加嚴格。相比于傳統的節點連接方式,鑄鋼節點憑借著良好的力學性能、造型靈活、施工方便等優點,逐漸廣泛的應用于國內外的建筑工程中。近年來,工程設計人員以及相關學者認識到鑄鋼節點的最大優點在于對結構抗疲勞性能的改善,并越來越多的應用于疲勞問題突出的結構。鑄鋼節點的疲勞性能分為鑄鋼材料的疲勞性能和環形對接焊縫的疲勞性能兩部分,鑄鋼材料的疲勞性能優于焊縫的疲勞性能,環形對接焊縫的疲勞性能在節點整體疲勞性能中起控制作用。相比于傳統的節點連接方式,鑄鋼節點雖有眾多優點,但鑄鋼材料不可避免的會產生缺陷,由于對其帶缺陷疲勞性能研究不足,和相關環形對接焊縫的疲勞性能數據缺乏,工程設計中多采用放大安全系數的設計方法。因而,現有鑄鋼節點的設計方法比較保守,其疲勞性能,尤其是鑄鋼材料部分的疲勞性能存在著較大的冗余,造成節點自重大,浪費材料,增加建造成本。

鑄造缺陷對于用鑄鋼節點的鋼結構力學性能影響

鑄鋼節點外形美觀、造型靈活、過渡光滑,各支管角度可按需選取,對各種復雜形狀適應性好,且鑄鋼節點采用一次性澆注完成,節點整體性能優良,所以特別適用于三維應力狀態下節點和支點等聯接部位,近年來在工程中得到了廣泛的推廣和應用。受鑄造工藝水平的限制及環境因素的影響,鑄鋼節點經常會存在諸如裂紋、粘砂、縮松、氣孔等內部或外部缺陷,缺陷的存在會在一定程度上對鑄鋼節點乃至整體結構的力學性能造成影響。當前對于鑄鋼節點的研究,考慮鑄造缺陷的還很少。此外,當前對鑄鋼件進行質量評定時,關注的是鑄鋼件上缺陷最為嚴重的局部區域,而對于鑄鋼件上分布的其他缺陷缺乏必要的關注。此種“以局部考量整體”的評定方法是不全面的,可能會給鑄鋼節點乃至整體結構力學性能的計算和判斷帶來偏差。本文以一含鑄鋼節點的橋梁桁架結構為工程背景,采用數值模擬的方法,探討了鑄造缺陷的存在對于鑄鋼節點及整體桁架結構力學性能的影響,并對現行鑄鋼件質量評級方法的局限性進行了研究,提出了相關建議。

伴隨我國經濟的發展和科學技術水平的進步，人們開始追求更大的空間。隨著結構形式日益復雜，這就對建筑物受力最為復雜的節點提出了更高的要求。鑄鋼節點以其節點剛度大、承載力高、疲勞性能、耐腐蝕性能、抗震性能較好等優點，已成為近年來應用較為廣泛的新型節點形式之一，越來越受到工程師的青睞。我國是地震高發的國家，近年來由于地震頻發，暴露出各類建筑對于抗震設計的種種不足，給人們的生命財產安全造成無法估量的損失，所以對于地震作用下建筑物抗震能力的研究刻不容緩。本文利用ANSYS有限元軟件對焊接連接的半剛性鑄鋼節點進行了三維有限元模擬，為空間網格結構鑄鋼節點抗震性能研究奠定理論基礎。本文首先對鑄鋼節點在國內外的應用以及發展現狀進行論述；對國內外現有鑄鋼節點抗震性能研究現狀進行分析，指出目前研究的不足；并對空間網格結構鑄鋼節點抗震性能進行研究。其次，采用ANSYS有限元軟件分析了鑄鋼件連接節點的靜力性能和滯回性能，總結了鑄鋼件厚度、鑄鋼管件交匯處倒角鋼管結構因其具有輕巧美觀,用鋼量省等優點,在我國得到了迅速的發展,應用范圍也愈來愈廣。鑄鋼節點在現代大跨鋼管結構中表現出了造型美觀、可塑性強、受力安全合理等優點,正在逐漸被工程設計人員應用于工程實際之中。沈陽文化藝術中心工程工程薄殼鋼結構共有64個三角形面,每個面的夾角不同,每個面又分為16個小三角形,總用鋼量為11000噸,屬于大跨度非常規無序空間薄殼鋼結構體系。結構體系中的鑄鋼節點單件重量達最高達105噸,在國內尚屬首次采用,是目前國內鑄鋼節點在建筑工程應用過程中單件重量最重的,而且體形相當復雜,總共有多達8個分枝,且每個分枝之間的夾角也是相當小,最大口徑達1430mmm、最大外形尺寸為11.72x5.06x3.14m,屬超大型鋼構節點。下部混凝土結構總建筑面積約8.5萬平方米,擁有一座1800座的中央劇場、一座1200座的音樂廳和一座500座的多功能廳地上七層,地下一層。從結構形式上看也是高度不規則的復雜結構。