关于开孔铸钢节点设计探讨

1、关于开孔铸钢节点设计探讨贾立军 靳宗伟 卓高柱 朱丹晖（济南锅炉集团锅炉技术中心，济南250023；2.中铁济南设计院，济南250023）摘 要：首先利用有限元分析软件ANSYS，对徐州火车站大跨度无站柱钢结构雨棚工程中开孔铸钢节点初步设计方案进行有限元应力分析，提出方案中存在的问题，通过对问题的分析研究，给出两种修改方案，以满足设计要求；同时通过对工程项目的计算分析及设计研究，针对开孔铸钢节点设计提出应注意的问题及解决方法，以供设计人员及生产厂家参考。关键词：铸钢节点；应力集中；有限元分析随着大型空间钢结构的迅速发展，大跨度空间管铸桁架钢结构因其用钢少，造型优美、施工周期短等优点已广泛应用于

2、大型会展中心、体育场管、飞机厂等大跨度建筑。铸钢节点作为极其重要的构件，具有受力明确、传力直接、承载力大、便于加工等优点，在国外已得到成功的应用，今年来在过内大跨度空间结构中也逐渐得到推广应用，铸钢节点将成为大型空间结构关键部位节点的主要形式之一。由于大型工程中铸钢节点的极其重要性，有限元分析和足尺试验做得越来越多，有限元分析作为铸钢节点的主要计算分析方法之一，大量的文献和试验验证足以证明其分析的可靠性，其应用越来越广泛。本文对徐州火车站大跨度无站台柱钢结构雨棚工程中开孔铸钢节点的初步设计方案进行有限元分析，通过对计算结果的分析研究，指出设计方案中存在的问题，对问题进行详细分析研究，给出2种解

3、决方案，通过对整个工程设计过程的分析研究，提出了开孔铸钢节点设计的几点基本原则，同时给出一些设计建议。开孔铸钢节点设计的基本原则：铸钢节点设计时，在满足铸造工艺要求的同时，必须充分考虑钢结构在安装施工过程中与节点相关的每一个环节，并根据项目技术要求确定铸钢节点基本设计原则，主要有：铸钢节点必须具有可焊性，便于和结构连接；节点中各肢杆、筒身等各自中心线宜交于空间坐标原点，避免产生偏心扭矩；节点肢杆和桁架杆件间应为对接熔透焊缝，节点各肢杆在端面应做成适当的坡口和过渡圆弧；在设计开孔时应尽量缩减开孔的面积区域，同时要进行坡口的补强工作；在容易出现应力集中的地方，特别是主弦杆开孔位置因轴力而产生的应力

4、集中，应设置足够的过渡圆弧或采用对集中应力进行分解、分散化处理；对设计节点要进行有限元计算分析，做到设计有的放矢，安全可靠；铸件设计完成后要进行足尺试验以确保产品的安全可靠性能。工程实例：徐州火车站大跨度无站台柱钢结构雨棚，上部钢结构采用预应力张弦桁架结构，如图1所示。4条斜腹杆和主弦杆交汇于铸钢节点处，由于斜拉索要穿过铸钢节点故形成了开孔铸钢节点的设计。该铸钢节点的受力分析和设计十分重要，铸件材料参照德国规范DIN17182,材质为GS-20Mn5（调质）相见表1。 开孔铸钢节点初步设计方案如图2所示，雨棚结构简图如图3所示，铸件厚度为30mm。图1 雨棚上部预应力张弦桁架结构示意表1 铸件

5、材料性能厚度/mm屈服强度/MPa屈服强度/MPa伸长率/%冲击力/J505010036030050065050065024247050铸钢节点有限元分析：采用有限元软件ANSYS进行分析，选用10节点四面体单元Solid92，该单元可以适用于复杂边界形状三维实体模型的网格划分，具有良好的计算精度。采用自由划分网格模式，对局部重点区域进行细划。节点分析时对1/2铸件直筒段端面采用全约束形式，进行线弹性分析，分析模型取整个开孔铸钢节点的1/2，开孔在上表面较弱的一半。铸钢材料的弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比=0.3。初步设计方案的应力分析：对上述设计方案进行有限元线弹性分析

6、，图4为铸件等效应力分布云图，可以看出最大应力出现在图4的MX处，应力值为765.515MPa；产生原因为应力集中，圆筒段的最大应力约为426MPa，均超出材料的屈服强度360MPa，不能满足设计要求。图4 初步设计方案铸件等效应力云图 Mpa从应力结果和图4可以看出：开孔区域应力值较大，远离开孔区域应力值较小，证实了开孔对铸件的极大削弱作用，使铸件的整体承载能力迅速下降。在开孔区域的接头处产生应力集中现象，MX处最大应力值达到765.515MPa，应力集中现象在工程设计中是极其危险的，应设法避免。直通段的最大应力值为426MPa，超出材料的屈服强度，由于铸件壁厚不够造成强度不足。直筒段和腹杆

7、连接区域强度足够不需加强。两种解决方案的比较：针对以上对初步设计方案计算结果的分析研究，明确需要解决的问题为：1）在设计开孔时尽量缩减开孔的面积区域，同时要进行开孔的补强工作；2）在设计时应尽量避免产生应力集中，对应力集中处要进行应力分解、分散化处理；3）增加壁厚。以下给出2个主要修改方案：方案1，对应力集中区进行应力分解、分散化处理，即把原先的圆弧过渡设计成中间为平段两侧为两个圆弧平滑过渡，同时简体和圆台体厚度由30mm改为50mm，如图5所示；方案2，将方案1中的厚度改为40mm，同时在应力集中区设置一圈平滑的加强筋，对接头端部进行局部填充补强，如图6所示。从两种方案的计算分析结果图7、图

8、8看出，强度均满足设计要求。 图5 方案1模型图6 方案2模型图7 方案1分析等效应力云图 MPa最佳方案的确定：两种方案的设计均满足要求，方案1铸件质量为556，方案2铸件质量为470kg；从节约资源减少成本角度考虑，选用方案2进行开孔铸钢节点的设计。图8 方案2分析等效应力云图 Mpa结尾和建议：本文首先提出了开孔铸钢节点设计的几点基本原则，然后利用有限元分析软件ANSYS对开空铸钢节点的初步设计方案及2中修改方案进行有限元应力分析，通过对分析计算结果的比较研究，对开孔铸钢节点的设计提出以下建议：1） 开孔铸钢节点的薄弱环节易出现在开孔处。2） 开孔区域应力值较大，远离开孔区域应力值较小，证实了开孔对铸件的极大削弱作用，使铸件的整体承载能力迅速下降。3） 在开孔区域的接头处易产生较大的应力集中现象：应力值迅速升高而使铸件