專利名稱：連接不同形狀鋼管柱的空心鋼節(jié)點(diǎn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種建筑鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用的一種節(jié)點(diǎn)，特別涉及一種可以連接不 同形狀鋼管柱的鑄鋼空心節(jié)點(diǎn)。
背景技術(shù)：
鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)在我國(guó)仍屬起步階段，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大差距，特別是近 幾年來，隨著結(jié)構(gòu)跨度的增大、形式的增多、造型的復(fù)雜，該節(jié)點(diǎn)以其合理性與適用 性越來越受到工程界的關(guān)注?？臻g鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，我們會(huì)遇上諸如焊接空心球 節(jié)點(diǎn)、螺栓球節(jié)點(diǎn)、圓鋼管或箱型鋼管相貫節(jié)點(diǎn)、焊接鋼板節(jié)點(diǎn)等節(jié)點(diǎn)形式。但是 隨著新型結(jié)構(gòu)體系的不斷出現(xiàn)，使結(jié)構(gòu)中構(gòu)件與構(gòu)件之間的節(jié)點(diǎn)連接方式日趨復(fù) 雜，傳統(tǒng)的鋼管相貫節(jié)點(diǎn)和焊接球形節(jié)點(diǎn)等形式己不能適應(yīng)現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。為 了使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足建筑造型的要求，提出了如何實(shí)現(xiàn)不同形狀構(gòu)件之間的合理過 渡，實(shí)現(xiàn)不同截面轉(zhuǎn)換時(shí)，節(jié)點(diǎn)除必須具有足夠強(qiáng)的剛度，滿足承載力的要求外還 應(yīng)盡量構(gòu)造簡(jiǎn)單，形式美觀。這就對(duì)采用什么樣的節(jié)點(diǎn)形式提出了要求，傳統(tǒng)的節(jié) 點(diǎn)多為球形節(jié)點(diǎn)，球形節(jié)點(diǎn)不能很好的解決不同截面之間的轉(zhuǎn)換問題。這就提出了 多面體型的節(jié)點(diǎn)形式，多面體節(jié)點(diǎn)不僅可以解決截面轉(zhuǎn)換的問題而且較為簡(jiǎn)單、美 觀。實(shí)現(xiàn)多面體轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)，將會(huì)不可避免地出現(xiàn)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(jié)點(diǎn)將會(huì)改善復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的制作難、交匯焊縫的高殘余應(yīng) 力等問題。而且鑄鋼節(jié)點(diǎn)有其獨(dú)特的優(yōu)越性能鑄鋼節(jié)點(diǎn)在工廠內(nèi)整體澆鑄，相對(duì) 于焊接節(jié)點(diǎn)與鋼管相貫節(jié)點(diǎn)，可免去相貫線切割及重疊焊縫焊接引起的應(yīng)力集中； 鑄鋼節(jié)點(diǎn)具有靈活的適應(yīng)性，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)自由度大，可根據(jù)建筑需要生產(chǎn)出具有復(fù)雜
外形和內(nèi)腔的節(jié)點(diǎn)；可按受力狀況采用最合理的截面形狀，從而改善節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分 布；不受節(jié)點(diǎn)位置、形狀、尺寸的限制，既可用于結(jié)構(gòu)中部節(jié)點(diǎn)，也可用于支座節(jié) 點(diǎn)。鑄鋼節(jié)點(diǎn)可以做成實(shí)心、半空心和空心三種節(jié)點(diǎn)形式，因此具有良好適用性的鑄鋼節(jié)點(diǎn)形式越來越受到工程界的青睞。為了避免焊接節(jié)點(diǎn)存在的不足，采用多面 體形空心鑄鋼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)不同形狀截面的轉(zhuǎn)換具有很好的適用性和合理性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，是實(shí)現(xiàn)不同多邊形截面柱之間的轉(zhuǎn)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(jié)點(diǎn)穩(wěn)定性和承載力髙，大大節(jié)約材料。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案
本發(fā)明采用多面體外形結(jié)構(gòu)，與上、下端主要受力的柱子連接部位為開口。節(jié) 點(diǎn)鑄鋼件壁厚的確定主要依據(jù)鑄鋼節(jié)點(diǎn)與相鄰上部多邊形構(gòu)件等強(qiáng)的原則。在不同 部位鑄鋼節(jié)點(diǎn)壁厚可以相應(yīng)的變化，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、受力合理性。
前述的節(jié)點(diǎn)是由數(shù)個(gè)多邊形鋼壁5的幾何空間組成；所述的鑄鋼節(jié)點(diǎn)幾何構(gòu)型 采用的邊數(shù)，與所連接柱子的幾何邊數(shù)相對(duì)應(yīng)；所述鑄鋼節(jié)點(diǎn)上部端口截面與所連 接的構(gòu)件形狀相對(duì)應(yīng)；其節(jié)點(diǎn)下部端口處的截面形狀與所連接的構(gòu)件形狀相對(duì)應(yīng)； 在所述的多面體鑄鋼節(jié)點(diǎn)上端設(shè)置水平加勁肋3，其下端設(shè)置承擔(dān)傾斜側(cè)壁產(chǎn)生的 水平分力的水平加勁肋4，在鑄鋼節(jié)點(diǎn)的縱向截面內(nèi)設(shè)置提高鑄鋼件側(cè)壁穩(wěn)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(shè)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(shí)設(shè)置水平焊 縫和背部填充焊縫。
本發(fā)明多面體鑄鋼轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)和有益效果 本發(fā)明可以避免眾多的焊接節(jié)點(diǎn)集中在一起，簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)形式。由于鑄鋼節(jié)點(diǎn)幾 何構(gòu)型采用的邊數(shù)，與所連接柱子的幾何邊數(shù)相對(duì)應(yīng)；上部端口截面與所連接的構(gòu) 件形狀相對(duì)應(yīng)；其節(jié)點(diǎn)下部端口處的截面形狀與所連接的構(gòu)件形狀相對(duì)應(yīng)；保證了 外觀看起來美觀、流暢。在鑄鋼節(jié)點(diǎn)上端設(shè)置水平加勁肋，其下端設(shè)置水平加勁肋， 在縱向截面內(nèi)設(shè)置縱向加勁肋，保證了節(jié)點(diǎn)的整體穩(wěn)定性和剛度要求。本發(fā)明轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)鑄鋼件根據(jù)鑄鋼節(jié)點(diǎn)與相鄰上部多邊形構(gòu)件等強(qiáng)的原則確定壁厚。在不同部位 鑄鋼節(jié)點(diǎn)壁厚可以相應(yīng)的變化。滿足了受力性能的要求并且可以減輕自重、節(jié)約鋼 材。鑄鋼件與構(gòu)件的焊接處設(shè)置槽口，保證了有效的連接和傳遞內(nèi)力。


圖l是多面體鑄鋼節(jié)點(diǎn)示意圖2是本發(fā)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(wèi)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(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的實(shí)施進(jìn)一步詳述
請(qǐng)參閱圖l所示，為多面體鑄鋼節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，由外形為數(shù)個(gè)多邊形鋼壁5的幾何空間組 成；鑄鋼節(jié)點(diǎn)幾何構(gòu)型采用的邊數(shù)，與所連接柱子的幾何邊數(shù)相對(duì)應(yīng)；所述鑄鋼節(jié) 點(diǎn)上部端口截面與所連接的構(gòu)件形狀相對(duì)應(yīng)；其節(jié)點(diǎn)下部端口處的截面形狀與所連 接的構(gòu)件形狀相對(duì)應(yīng)；在多面體鑄鋼節(jié)點(diǎn)上端設(shè)置水平加勁肋3，其下端設(shè)置承擔(dān) 傾斜側(cè)壁產(chǎn)生的水平分力的水平加勁肋4，在鑄鋼節(jié)點(diǎn)的縱向截面內(nèi)設(shè)置提高鑄鋼 件側(cè)壁穩(wěn)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(shè)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(shí)設(shè)置水平焊縫和背部 填充焊縫。鑄鋼節(jié)點(diǎn)的壁厚不宜過薄也不宜過厚，過薄不能保證鋼液均勻平穩(wěn)的進(jìn)入腔 內(nèi)，過厚鑄鋼將會(huì)造成鋼材的浪費(fèi)。為了承擔(dān)傾斜側(cè)壁產(chǎn)生的水平分力故在多面體 鑄鋼節(jié)點(diǎn)的上、下端部均設(shè)置水平加勁肋4，以保證側(cè)壁的整體穩(wěn)定性，提高鑄鋼 節(jié)點(diǎn)的剛度?？紤]到部分鑄鋼節(jié)點(diǎn)尺度較大，構(gòu)件壁厚相對(duì)較薄，還應(yīng)設(shè)置縱向加 勁肋1，在設(shè)計(jì)縱向加勁肋1時(shí)除考慮節(jié)點(diǎn)構(gòu)造特點(diǎn)與受力性能要求外，還應(yīng)結(jié)合 鑄造工藝要求，保證鋼水流動(dòng)順暢，內(nèi)、外散熱均勻，有效避免鑄鋼節(jié)點(diǎn)內(nèi)部缺陷。
鑄鋼節(jié)點(diǎn)傾斜側(cè)壁與垂直側(cè)壁之間，節(jié)點(diǎn)內(nèi)壁與外壁要采用倒角使得內(nèi)力傳遞 順暢，避免應(yīng)力集中的同時(shí)，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(xiàn)場(chǎng)焊接的要求，可分別在上、下端水平加勁肋處設(shè)置孔洞2。
鑄鋼件與相鄰構(gòu)件的連接是鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。由于應(yīng)力度較 高，構(gòu)件鋼材的強(qiáng)度應(yīng)高于鑄鋼材料，故此鑄鋼件壁厚一般大于構(gòu)件的壁厚。若將 鋼管與鑄鋼件直接焊接，勢(shì)必在此處產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，為使高強(qiáng)材料與低強(qiáng)材 料之間內(nèi)力均勻傳遞，避免產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以在鑄鋼節(jié)點(diǎn)與鋼管的焊接 處要做焊接槽口。如果鑄鋼節(jié)點(diǎn)與鋼管的壁厚相差不大時(shí)可以直接將鑄鋼壁厚平滑 過渡到與鋼管相當(dāng)壁厚，如果鑄鋼壁厚與鋼管相差較大時(shí)要在鑄鋼件上端接口同時(shí) 設(shè)置水平焊縫與背部填充焊縫，以保證鋼構(gòu)件中的較高應(yīng)力可以有效擴(kuò)散為鑄鋼件 中的較低應(yīng)力。對(duì)于多面體鑄鋼件的下端口，由于應(yīng)力較低，故鑄鋼件下端口與構(gòu) 件僅設(shè)置水平焊縫即可。
根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，具體說明其制作方法如下-
1) 首先進(jìn)行節(jié)點(diǎn)外形和構(gòu)造設(shè)計(jì)根據(jù)與該發(fā)明相連接的上下端連接柱子的 截面尺寸、位置、強(qiáng)度和建筑造型，確定鑄鋼節(jié)點(diǎn)的上部開口形狀和大小、下部開 口形狀和大小。該節(jié)點(diǎn)的高度(長(zhǎng)度)和壁厚，壁厚要保證該節(jié)點(diǎn)具有足夠強(qiáng)度， 充分考慮鑄造工藝和高度，結(jié)合節(jié)點(diǎn)外形，綜合考慮節(jié)點(diǎn)重量。確定鋼壁間倒角半 徑大小、節(jié)點(diǎn)焊接接口形式以及是否設(shè)置加勁肋和加勁肋位置、尺寸和鋼壁變厚度 計(jì)算等，并且留出足夠大的施焊空間。
2) 選擇鑄鋼材質(zhì)為了確保鑄鋼節(jié)點(diǎn)具有良好性能，要嚴(yán)格控制材料的化學(xué) 成分，尤其注意保證鑄鋼件的可焊性。目前，該節(jié)點(diǎn)的材質(zhì)選擇主要參照德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。選用GS-20Mn5V進(jìn)行冶煉。
3) 模型制作該步驟是節(jié)點(diǎn)鑄造的關(guān)鍵步驟，在模型制作過程中應(yīng)嚴(yán)格控制
模型各部分的尺寸、角度及表面光潔度。本發(fā)明選用木模板，木模的制作的要求很 高，特別是角度的檢測(cè)，為此，可釆用正交平板投影法，通過測(cè)量，組成三維坐標(biāo) 系，將木模及其后的鑄件(節(jié)點(diǎn))的尺寸及角度精確地測(cè)量出來。根據(jù)已測(cè)尺寸進(jìn)行 支模。注意在支模時(shí)保證模板表面的質(zhì)量和光潔度，并考慮木模板的變形問題。
4) 造型工藝節(jié)點(diǎn)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(zhì)量較好。由于節(jié)點(diǎn)體積大，局部熱節(jié)大，生產(chǎn)中嚴(yán)格控制配砂、控制型砂性能， 提高表面穩(wěn)定性。合箱前對(duì)砂型表面進(jìn)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(jìn)入型腔?？刂破鹉r(shí)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(shí)間；還原期保證白渣時(shí)間，利用光譜分析儀對(duì)成品樣進(jìn)行化學(xué) 成分檢驗(yàn)，采用電弧爐冶煉，通過吹氬等氣體攪拌精煉技術(shù)，提高產(chǎn)品機(jī)械性能。
6) 澆注鋼水的澆注要確保進(jìn)人型腔的鋼液平穩(wěn)，有合適的上升速度，不出
現(xiàn)渦流現(xiàn)象。對(duì)于鑄件中厚度較薄部位，應(yīng)將鋼水澆遍，以防鋼水凝固后出現(xiàn)空洞， 嚴(yán)重影響節(jié)點(diǎn)的受力性能。為了避免出現(xiàn)尖角及有利于清砂，鑄鋼節(jié)點(diǎn)的各鑄件之 間的內(nèi)外壁均為圓滑過渡，即設(shè)計(jì)倒角。
7) 調(diào)質(zhì)熱處理由于每爐熔煉金屬的化學(xué)成分存在一定的波動(dòng)，因此需要根 據(jù)不同鑄件的成分對(duì)熱處理參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以保證鑄鋼件的機(jī)械性能。裝爐時(shí)盡可 能使同一冶煉爐次的鑄件同爐，裝爐時(shí)要墊平鑄件，防止產(chǎn)品變形。鑄鋼件在調(diào)質(zhì) 過程中應(yīng)嚴(yán)格把握加熱、保溫和冷卻三個(gè)環(huán)節(jié)，合理確定熱處理工藝參數(shù)。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(shí)的冷 卻速度對(duì)材料性能影響很大，因此對(duì)淬火用的水池容積提出嚴(yán)格要求，以控制淬火 冷卻速度。
8) 對(duì)位焊接本工程對(duì)鑄鋼件上、下端口與相鄰構(gòu)件連接時(shí)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(jié)點(diǎn)的質(zhì)量控制為確保鑄鋼節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量，在節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)及安裝過程中主要進(jìn)行以下幾方面的檢測(cè)
1) 對(duì)其化學(xué)成分應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)，并提供相應(yīng)的化學(xué)成分報(bào)告。
2) 將澆鑄鋼件的同爐鐵水制成標(biāo)準(zhǔn)試件，進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，提供機(jī)械性能 報(bào)告。
3) 對(duì)鑄件進(jìn)行無損探傷檢測(cè)，方法主要為磁粉探傷與射線探傷。
4) 用三維坐標(biāo)儀對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的幾何尺寸及空間位置進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)測(cè)量結(jié)
果在鑄鋼件上標(biāo)出定位線，以利于節(jié)點(diǎn)的安裝。
5) 節(jié)點(diǎn)表面不影響使用性能的缺陷允許進(jìn)行焊補(bǔ)、修復(fù)，但具有蜂窩狀氣孔
時(shí)不允許焊補(bǔ)。
鑄鋼節(jié)點(diǎn)的受力分析:鑄鋼節(jié)點(diǎn)的計(jì)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(jìn)行受力分析。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，由 于鑄鋼節(jié)點(diǎn)的壁相對(duì)較厚，單元類型通常選實(shí)體單元，根據(jù)鑄鋼材質(zhì)的屈服強(qiáng)度進(jìn) 行彈性或塑性分析。對(duì)那些受力較大、構(gòu)造復(fù)雜的鑄鋼節(jié)點(diǎn)有必要進(jìn)行足尺試件或 縮尺模型的試驗(yàn)研究。由于鑄鋼具有較好的塑性，鑄鋼節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度準(zhǔn)則采用Von Mises等效應(yīng)力，即當(dāng)計(jì)算點(diǎn)的Mises應(yīng)力超過材料強(qiáng)度，認(rèn)為該點(diǎn)進(jìn)入塑性。
權(quán)利要求
1、一種連接不同形狀鋼管柱的空心鋼節(jié)點(diǎn)，由外形為數(shù)個(gè)多邊形鋼壁(5)組成的幾何空間；鑄鋼節(jié)點(diǎn)幾何構(gòu)型采用的邊數(shù)，與所連接柱子的幾何邊數(shù)相對(duì)應(yīng)；鑄鋼節(jié)點(diǎn)上部端口截面與所連接的構(gòu)件形狀相對(duì)應(yīng)；其節(jié)點(diǎn)下部端口處的截面形狀與所連接的構(gòu)件形狀相對(duì)應(yīng)；其特征在于在所述的多面體空心鋼節(jié)點(diǎn)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(shè)置水平加勁肋(3)，其下端設(shè)置承擔(dān)傾斜側(cè)壁產(chǎn)生的水平分力的水平加勁肋(4)，在鑄鋼節(jié)點(diǎn)的縱向截面內(nèi)設(shè)置提高鑄鋼件側(cè)壁穩(wěn)定性的縱向加勁肋(1)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述連接不同形狀鋼管柱的空心鋼節(jié)點(diǎn)，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(shè)置有孔洞(2)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述連接不同形狀鋼管柱的空心鋼節(jié)點(diǎn)，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(shí)設(shè)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(jù)權(quán)利要求1所述連接不同形狀鋼管柱的空心鋼節(jié)點(diǎn)，其特征在于一體澆鑄完成。
全文摘要
本發(fā)明一種多面體鑄鋼轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，由外形為數(shù)個(gè)多邊形鋼壁(5)的幾何空間組成；鑄鋼節(jié)點(diǎn)幾何構(gòu)型采用的邊數(shù)，與所連接柱子的幾何邊數(shù)相對(duì)應(yīng)；鑄鋼節(jié)點(diǎn)上部端口截面與所連接的構(gòu)件形狀相對(duì)應(yīng)；其節(jié)點(diǎn)下部端口處的截面形狀與所連接的構(gòu)件形狀相對(duì)應(yīng)；在多面體鑄鋼節(jié)點(diǎn)上端設(shè)置水平加勁肋(3)，其下端設(shè)置承擔(dān)傾斜側(cè)壁產(chǎn)生的水平分力的水平加勁肋(4)，在鑄鋼節(jié)點(diǎn)的縱向截面內(nèi)設(shè)置提高鑄鋼件側(cè)壁穩(wěn)定性的縱向加勁肋(1)。本發(fā)明轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)鑄鋼件根據(jù)鑄鋼節(jié)點(diǎn)與相鄰上部多邊形面構(gòu)件等強(qiáng)的原則確定壁厚。在不同部位鑄鋼節(jié)點(diǎn)壁厚可以相應(yīng)的變化。鑄鋼件與構(gòu)件的焊接處設(shè)置槽口，保證了有效的連接和傳遞內(nèi)力。
文檔編號(hào)E04B1/58GK101435225SQ20081023938
公開日2009年5月20日 申請(qǐng)日期2008年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者翼 彭, 曹萬林, 王春光, 耿海霞, 重 范 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)