广州歌剧院铸钢节点试验研究

一、工程概况广州歌剧院位于广州市天河区珠江新城J4地块，由大剧场（大石头）和多功能厅（小石头）两部分组成。

大剧场投影面积15875m2，高度43m；多功能厅投影面积7595m2，高度22.3m。

总建筑面积70781m2，钢结构总重1万多吨。

大剧场和多功能厅外围护为空间组合折板式三向斜交网壳结构。

平面转折处的主梁，被面内次梁分隔形成小三角形网格；主梁最大截面1500×400mm，最大跨度70m；主梁与主梁相交处采用铸钢节点。

本工程共有铸钢节点69个，均为多根矩形管空间斜交，节点支腿最多10个，最重达40吨，具有小夹角、薄壁、易变形等铸造特点。

由于铸钢节点铸造与施工在目前国家规范上没有具体验收标准，因此，选择大剧场6号铸钢节点DZG-6，按设计受力值的1.2倍进行足尺试验，试验结束后节点继续使用。

二、铸钢节点的设计、铸造1.铸钢节点的设计分析（1）有限元计算模型有限元分析使用美国有限元通用软件ANSYS Workbench。

弹性模量E取2×105MPa，泊松比取0.3。

单个有限元模型由23940个单元，45202个节点组成。

屈服强度取340MPa，屈服准则选用Von Mises强度理论。

（2）有限元计算结果有限元模型的约束条件按照试验情况确定，铸钢节点按理想弹塑性材料计算；荷载取试验加载的最终一级荷载，施加在与千斤顶接触的柱管底面上，取值为10000kN。

①有限元计算结果图：广州歌剧院铸钢节点试验研究戴立先郐国雄陈龙章孟祥冲摘要：广州歌剧院铸钢节点造型复杂，体态各异，其受力状况是整个工程的重点。

本文主要介绍研究铸钢节点足尺试验研究的理论分析、现场试验情况。

关键词：足尺试验；有限元；荷载；位移；应变片[中图分类号]TU356[文献标识码]B[文章编号]1671-3362（2009）12-0039-05②Mises 应力云图：③铸钢节点应变图：（3）有限元计算分析结果表明：①节点的最大应力出现在D 支管与柱管相贯的部位管内的加劲肋上，应力值达到262MPa ，未超出铸钢节点材料的屈服强度340MPa 。

②柱管底面由于直接承受千斤顶压力，出现应力集中现象，最大应力达到142MPa ，未超出铸钢节点材料的屈服强度340MPa 。

③节点应力分布具有区域性特点，在支管端口，支管与柱管相贯部位出现应力集中现象，应力值较大，D 支管端口最大应力值为128MPa ，D支管与柱管相贯部位最大应力值为83MPa ，在A 管和G 管间的倒角以及D 管和与管间的倒角应力值也相对较大，最大应力值为84MPa ，均未超出铸钢节点材料的屈服强度340MPa 。

其余支管间的倒角和节点的鼓型面上没有显著的应力集中现象，应力值均较小，均小于50MPa 。

④各支管从端口到鼓型体的应力分布大致呈现出“高—低—高—低”的变化趋势。

管身应力由高到低是由于管壁逐渐增厚所致，相贯位置由于受其它汇交管件的影响，出现了明显的应力集中，在向鼓型体传递过程中应力逐渐减小。

铸钢节点壁厚的增加及管与鼓型体相贯处加劲肋的存在，降低了应力峰值，改善了应力分布，提高了节点的承载能力。

2．铸钢节点的铸造铸钢节点铸造工艺流程：模样－造型－熔炼－浇注－脱模－清理－热处理－毛坯检验－机加工－出厂检验－出厂。

铸钢节点的材质及性能指标如表1、表2所示。

三、铸钢件受力试验1.试验目的（1）研究铸钢节点在静力荷载作用下力学性能，传力机理，应力、应变分布状况以及变形情况。

（2）根据结构承载性能，综合判断结构的薄图1图2图3表1铸钢节点选材参照德国标准DIN17182材质化学成分％碳当量GS-20Mn5NC Si Mn P S Cr Mo Ni≦0.42％0.17～0.20≦0.60 1.00～1.50≦0.015≦0.015≦0.30≦0.15≦0.40表2材料性能指标构件名称构件材料构件编号屈服强度（MPa ）抗拉强度（MPa ）伸长率（%）冲击功（J ）铸钢件GS －20Mn5DZG63405102450,54,51弱部位，检验设计计算结果等，对铸钢节点承载的安全性进行综合分析和评估。

2.受力试验的理论分析（1）测试内容及方法测试的主要内容包括①测定试件在各级荷载作用下的挠度。

②测定试件各组成构件在各级荷载作用下的应变。

试验采用BX120的电阻应变片测试构件的应变，采用位移百分表测试位移，用DH3815N 和DH3816N 静态数据采集系统自动采集各级荷载下位移计和电阻应变片的数据。

（2）测点布置考虑到节点受力的复杂性，在每根支管端口向内280cm 上下左右各布置一个应变花，靠近柱管处上下左右各布置一个应变花，支管与鼓型相贯处各布置一个应变花，三个应变片分为沿管轴向，垂直于轴向以及45°方向。

鼓型表面中心部位布置一个应变花，两根支管相交的倒角部分上中下各布置一个应变花，三个应变片分为平行于倒角切线，垂直于倒角切线以及45°方向。

支管对应的柱管各布置一个轴向应变片，每根支管接长段的四块拼接板上各布置一个轴向应变片，实时监测支管的轴向力大小，共35个单轴应变片，85个三轴应变花。

每个支管端口及柱管各布置一个百分表，共8个，如图4所示。

3.试件的制作将厂制铸钢件运至工地现场后，吊装至临时柱上，对每根铸管用方形钢管接长，以保护连接端口；支管接长部分一端腹板穿过混凝土柱子，锚固其上，另一端带翼缘的伸到柱边，与支管对接。

4.现场测试试验采用在铸钢节点立柱下施加荷载的加荷方式。

采用1台12000kN 液压千斤顶，由千斤顶—高压油管—油泵—压力传感器—静态电阻应变仪组成加载系统，千斤顶采用压力控制荷载大小。

千斤顶的反力由混凝土自反力架承受。

试验中采用两次加卸载的加载方式，第一次加载按每级500kN ，一直加到5500kN ，然后按每级卸载1000kN ，直到卸载为0，第二次加载按每级500kN ，加载到10000kN ，然后按每级卸载1000kN ，直到卸载为0。

读数在荷载稳定后进行。

加载过程如下：（1）预加荷，使试件的各个组成部分紧密接触，检查加荷设备是否能够正确出力，加荷装置是否安全可靠。

检查各个仪表的工作状态是否正常，包括数据采集仪、静态应变仪、位移百分表等的读数。

（2）卸载调零，进行初读数。

（3）分级加载。

在持荷一段时间后，待各仪表稳定，进行读数。

现场测试情况如下表所示：图4测点及位移计布置图加载示意图1加载示意图25.试验数据与设计值对比分析（1）加载过程及特点试件加载到柱管荷载为10000kN ，然后卸载到9000kN 时，G 支管与柱管相贯部位应变测点的应变值较大，对应的测点的主应变达到－1094με，主应力为－211MPa ，未超出铸钢节点材料的屈服强度340MPa 。

而节点的其它测点的应变值均较小，说明节点能够较好地传递荷载。

（2）节点的荷载－位移分析经荷载－位移曲线图分析可见，柱管底面加载点的荷载－位移曲线基本上是处于线性变化的，最大位移为4.55mm ，在一些荷载级出现转折点是由于千斤顶压力传感器与柱管加载面之间垫有钢板，存在虚位移，在压实的过程中会发生一些震荡造成的。

加载到10000kN 时，支管A －G 的位移见表3。

由表可见，各支管的竖向位移较小。

（3）沿支管轴向方向节点的荷载-应变分析由荷载－应变图可见，荷载加到10000kN 时，测点应变小于700με，都未进入屈服状态，测点处于弹性状态。

对于支管翼缘：除支管F ，其余支管翼缘应变沿支管轴向由“低－高－低”的变化趋势，这和有限元分析的结果是一致的。

这是由于靠近支管端口处的测点是选在端口向内280cm 左右，管壁由端口向内逐渐增厚，引起应变较端口处降低，出现应变增高现象是由于相贯位置受其它汇交管件的影响，产生了应力集中，在向鼓型体传递过程中由于管壁厚度的增加以及加劲肋的设置，使应力逐渐减小。

支管F 没有这种变化趋势是由于测点没有精确地布置在支管和鼓型相贯的部位。

从支管端口到相贯部位，翼缘都是处于受拉状态。

对于支管腹板：除支管B 和C 处于受拉状态外，其它支管都有由受拉转变为受压或者受压转变为受拉状态的特点。

（4）节点鼓型面荷载－应变分析为了分析节点鼓型面的应变，选取具有代表性的支管A 、C 、E 、F 对应的鼓型面以及鼓型表面中部的应变花测点进行研究，绘制荷载－应变曲线图。

由荷载－应变图分析，节点鼓型面应变值均较小。

通过对比可见在支管的测点，应变花中最大的应变是沿管轴向的，而在鼓型体表面的测点，应变花中最大的应变已经不是沿管轴方向，而是出现在45°方向的应变片上，鼓型体表面应变花测柱管底面加载点的荷载－位移曲线表310000kN 时支管端口位移表支管编号ABCDEFG位移值(mm)向上（－）－1.040.17－0.41－0.37－0.210.96－0.66C 支管上翼缘三个应变花沿管轴向的三个应变值点的最大应变出现在45°方向或者垂直于管轴线方向上表明力在从支管传递到鼓型体的过程中，沿一定方向扩散，有利于减少应力集中。

（5）节点立柱荷载－应变分析由荷载－应变图分析，对于直接承受千斤顶荷载的节点立柱，在第一个加载循环是处于弹性状态的，在第二个加载循环的8500kN ，出现轻微的转折点是由于拼接板焊缝破坏造成的。

6.试验结论通过对试验数据进行分析，可以得到如下的结论：（1）在本次加载条件下，铸钢节点所有构件都处于弹性工作状态，节点是安全的。

（2）节点应力分布具有区域性特点，最大应力出现在相贯部位设置的加劲肋上。

由试验测得的G 支管下翼缘与柱管相贯部位的测点应变值最大，对应的测点的主应变达到－1094με，最大应力为－211MPa ，未超出铸钢节点材料的屈服强度340MPa ，满足强度的要求，节点设计是安全可靠的。

（3）加载到10000kN 时，各支管端口部位的位移很小，最大为支管A 的－1.04mm ，其余支管的位移绝对值均小于1mm 。

（4）试验数据表明，节点鼓型体表面各点应变较小，说明管壁厚度的增加及加劲肋的设置能有效避免应力集中，有限元分析结果与试验结果是吻合的。

（5）节点应力分布具有区域性特点，各支管从端口到鼓型体的应力分布大致呈现出“低—高—低”的变化趋势，这方面有限元分析结果和试验结果是基本一致的。

（6）鼓型体表面应变花测点的最大应变出现在45°方向或者垂直于管轴线方向上表明力在从支管传递到鼓型体的过程中，沿一定方向扩散，减少了应力集中现象，表明节点的设计是合理的。

（7）节点支管端口部位应力较大，设计及施工要注意保证支管端口与钢梁之间焊缝的质量。

四、结束语铸钢节点分支多，受力复杂，受设计、材质、制造工艺等影响，有必要进行实体试验研究。

广州歌剧院钢结构工程共使用铸钢节点69个，总重量1100多吨。