深圳大运会主体育场铸钢节点制作新技术

深圳大运会主体育场铸钢节点制作新技术

曹富荣

（江苏永益铸管股份有限公司，靖江214500）

摘要：简述铸钢节点的优点，概述深圳世界大学生运动会主体育场钢结构工程铸钢节点的工程概况、结构特点以及化学性能和力学性能特殊要求。结合铸钢节点的生产过程，阐述深圳世界大学生运动会主体育场钢结构工程铸钢节点在深化设计、应力分析、铸造模拟凝固、造型、冶炼、浇注、热处理、机械加工等方面采用的新技术、新工艺，以及铸钢节点的化学成分检测、力学性能检测、无损探伤检测和焊接工艺评定。介绍铸钢节点在桥梁结构、海洋工程结构等疲劳荷载下的工程应用实例。关键词：铸钢节点先进技术工艺创新疲劳性能

一、引言

随着我国体育场馆、会展中心、机场候机楼、铁路车站、高层建筑等大型复杂钢结构工程建设的快速发展，铸钢节点以其优美的外观造型、优良的力学性能及焊接工艺性能，越来越受到工程界的关注。近年来，在大跨度空间结构及高耸结构中，承载力大、构造复杂的铸钢节点日益得到广泛应用[1-14]，并取得良好的技术经济效益。

与焊接节点相比，铸钢节点的设计自由度大，具有良好的结构工艺性，可以按照受力状况采用最合理的截面形状，设计出具有复杂外形和内腔的结点，以满足建筑造型要求，并可根据需要设置加劲肋，提高结点的强度和刚度。铸钢节点可在工厂内进行整体浇铸，消除了相贯线重叠焊缝焊接产生的焊接应力超标现象，改善了结点的应力分布，提高了结点的承载能力。多支管铸钢节点的空间角度一致性好，可保证空间结构对节点制作尺寸精度的要求。铸钢节点的各向力学性能均匀性好，其优良的焊接工艺性能可保证厚壁铸钢节点现场焊接的焊缝质量。本文结合深圳世界大学生运动会（以下简称“大运会”）主体育场钢结构工程铸钢节点的生产实际，介绍大运会铸钢节点制作过程中所采用的新技术、新工艺。

二、大运会主体育场钢结构工程铸钢节点制作新技术

大运会主体育场钢结构工程采用了内设张拉膜的钢结构体系，钢屋盖结构形式为单层折面网格结构，平面形状为椭圆形，平面尺寸为285m×270m，钢屋盖最高点的高度分别为51.9m到68.4m。屋盖结构为双轴对称结构，包括马鞍形的外圈和内圈，外圈的高差为12m，内圈的高差为8.6m。大运会主体育场工程效果图见图1。

大运会主体育场钢结构构件通过球铰支座底板、球铰支座上部铸钢节点、背谷铸钢节点、背峰铸钢节点、肩谷铸钢节点、肩峰铸钢节点、冠谷铸钢节点、冠峰节点、内环节点等承力节点进行连接，形成稳定的复杂空间结构体系。其中球铰支座底板通过锚杆及抗剪键与混凝土承台连接，球铰支座上部节点的凹球面通过穿心螺杆与球铰支座底板的凸球面实现铰接，用以承受整个钢屋盖荷载。大运会主体育场钢结构节点分布图见图2。

大运会主体育场钢结构工程铸钢节点计有球铰支座底板、球铰支座上部铸钢节点、背谷铸钢节点、背峰铸钢节点、肩谷铸钢节点、肩峰铸钢节点、冠谷铸钢节点7类，每类各20件，总数量为140件，总重量为0.42万吨。大运会主体育场铸钢节点轴测图见图3。

大运会肩谷铸钢节点(见图3e)的最大外形尺寸为5400mm×4600mm×3400mm，结构特点为10根支管

图1 大运会主体育场工程效果图

图2 大运会主体育场钢结构节点分布图

密集相贯，密集相贯部位球头壁厚为400mm，与Φ1400×200钢管连接的焊缝深度为200mm，最大单重98.6t，是目前国内钢结构工程单重最大的铸钢节点。铸钢节点质量要求高，制作难度大，因而对铸钢节点制作厂家的技术工艺水平和生产装备能力提出了极高的要求。铸钢节点制作厂家需要采用各种先进技术，并进行工艺创新，才能生产出符合大运会主体育场钢结构工程设计和使用要求的合格铸钢节点。

a）球铰支座底板b）球铰支座上部铸钢节点

c）背谷铸钢节点d）背峰铸钢节点

e）肩谷铸钢节点f）肩峰铸钢节点g）冠谷铸钢节点

图3 大运会主体育场铸钢节点轴测图

（一）铸钢节点的化学成分

按照文献[15]推荐，铸钢节点的牌号为G20Mn5，其化学成分见表1。

表1 G20Mn5铸钢的化学成分（％）

大运会主体育场钢结构工程铸钢节点的牌号设计指定为GS－20Mn5，其化学成分见表2。

表2 GS－20Mn5铸钢的化学成分（％）

由表2可见，大运会铸钢节点的化学成分中有害元素硫及杂质元素镍的含量更低，对杂质元素铬、钼的含量也提出了明确的最高含量要求，并规定加入稀土（RE）0.20％～0.35％，净化钢液和细化钢的晶粒，以便铸钢节点热处理后能获得良好的力学性能，同时提高铸钢节点的焊接工艺性能，因而必须采用先进的冶炼工艺，才能满足大运会铸钢节点的化学成分要求。

（二）铸钢节点的力学性能

按照文献[15]推荐，铸钢节点的牌号为G20Mn5，其力学性能见表3。

表3 G20Mn5铸钢的力学性能

大运会主体育场钢结构工程铸钢节点的牌号设计指定为GS－20Mn5，其力学性能见表4。

表4 GS－20Mn5铸钢的力学性能

由表4可见，大运会铸钢节点的部分壁厚已突破文献[15]推荐的最大设计壁厚t≤100mm限制，大运会肩谷铸钢节点的最大壁厚为400mm。因此，在保证大运会铸钢节点化学成分的前提下，还必须采用先进的热处理工艺，才能提高大运会铸钢节点的力学性能。

（三）铸钢节点的深化设计

在大运会铸钢节点的深化设计过程中，运用先进的三维实体建模技术及AutoCAD、Solidwork等软件进行铸钢节点的三维实体设计，实现了空间复杂节点（见图3e肩谷铸钢节点）的构造要求以及特殊铸钢节点（见图3b球铰支座上部铸钢节点）的外形设计要求，铸钢节点设计造型效果直观，设计调整便利，并能准确获得二维平面详图、空间轴线及形体定位角度和尺寸等，用于指导复杂铸钢节点的模具制作及铸钢节点的几何尺寸控制、检测和安装。

（四）铸钢节点的有限元应力分析

在大运会铸钢节点的应力分析过程中，运用ANSYS、ABAQUS等软件计算铸钢节点在荷载作用下的内力和位移，对铸钢节点与构件连接处、铸钢节点内外表面拐角处等易产生应力集中的部位，按强度条件和刚度条件验算铸钢节点的几何尺寸（见图4a肩谷铸钢节点Φ1400支管的过渡圆弧半径R800），得到铸钢节点的构造规则及其合理形式（见图3b球铰支座上部铸钢节点的加劲肋），并可为铸钢节点的试验结果提供对比依据。

a）Φ1400与Φ1200支管之间的过渡圆弧b）与Φ1400×200钢管之间的焊缝尺寸

图4肩谷铸钢节点局部详图

（五）铸钢节点的铸造模拟凝固

在大运会铸钢节点铸造工艺设计过程中，运用CAEInteCAST、Z-cast solution等计算机模拟软件，对铸钢节点的不同工艺方案进行数值模拟，模拟铸钢节点的铸造充型凝固过程，预测铸钢节点凝固冷却后可能产生内部缺陷的部位及缺陷大小。通过调整铸钢节点结构尺寸、铸造工艺参数及浇冒口系统，进行工艺优化和质量预测，保证铸钢节点的内部质量满足钢结构使用要求，提高铸钢节点的铸造工艺可靠性，降低生产成本，提高经济效益和社会效益。

（六）铸钢节点的造型工艺

铸钢节点的空间形体复杂，一般选用水玻璃—CO2硬化型砂造型。对复杂铸钢节点的内腔采用自硬树脂砂，对杆件相贯角度较小的相贯部位采用铸造用铬矿砂作型砂，提高铸钢节点的表面质量。所有浇道均采用成型浇道砖铺设，以减少钢液在注入型腔时所形成的夹杂和冲砂现象，保证铸钢节点内部无夹杂、夹砂缺陷。对结构特别复杂的铸钢节点（见图3e肩谷铸钢节点）采用多箱多层活砂造型工艺，以实现下芯合箱操作。所有冒口均采用保温冒口，以保证冒口有足够的补缩能力，提高铸钢节点的内在质量。

（七）铸钢节点的冶炼工艺

铸钢节点的金属炉料以碳素钢的钢锭切头或边角料为主要炉料，辅以低磷、硫含量的铁合金及辅料进行熔炼，以保证其材质化学成分合格。

在电弧炉碱性氧化法熔炼过程中，采用先进的熔氧结合工艺，在熔化期提前进行吹氧操作，并将吹氧过程一直持续到冶炼氧化期终了，将熔化与氧化科学结合为一个连续的过程。此工艺与传统冶炼工艺相比，大大地降低了钢液中的氢含量和杂质含量，避免了因钢液含氢而造成产品气孔缺陷以及夹杂缺陷。同时在熔氧期，采用特效脱磷剂造渣，通过吹氧沸腾获得较高碱度和较高氧化铁含量的具备良好脱磷效果的炉渣，降低了钢液的含磷量和其它有害元素含量。在冶炼过程的还原期，有效地脱氧、脱硫并调整好钢液的化学成分和钢液温度，使之达到出钢的要求，为铸钢节点的化学成分达标提供保障。

（八）铸钢节点的浇注工艺

铸钢节点的钢液冶炼还原期结束，所有的化学成分均符合标准要求后，对钢液进行终脱氧，同时在红热的盛钢桶中加入Ⅰ号稀土出钢。出钢操作时钢渣同流以进一步提高脱硫效果。钢液在滑移双水口底注钢包中镇静，并在钢包底部通入氩气，以利钢液中杂质的上浮净化。此外，由于双水口可加快浇注速度，减少了钢液的裸露吸气时间，保证了钢渣不随钢液流入型腔，铸钢节点在成型过程中无夹渣和气孔缺陷产生。通过适时补浇保温冒口并覆盖保温材料，保证铸钢节点无缩孔、缩松等铸造缺陷。

对于重量较大的铸钢节点（见图3e肩谷铸钢节点），钢液出钢时流入精炼钢包中，进行先进的钢包精炼炉精炼操作，以进一步降低钢液中氢、氧元素及杂质含量，提高钢液的纯净度，保证铸钢节点的内在质量和焊接工艺性能。

（九）铸钢节点的热处理工艺

铸钢节点采用先进的大型燃气热处理炉进行热处理，以保证炉温的均匀性和炉温控制的稳定性，并通

过控制装炉方式、升温速度、保温时间和冷却速度，使材质在相变过程中得到细化的晶粒和金相组织。

对于外形及壁厚尺寸较大的铸钢节点（见图3e肩谷铸钢节点），特别采用跟件热电偶实时测定铸钢节点不同部位的表面温度，并采用强风或液体介质提高冷却速度，保证铸钢节点的热处理质量。

（十）铸钢节点的机械加工工艺

大运会球铰支座底板凸球面及球铰支座上部铸钢节点凹球面，采用先进的数控技术，在大型数控立式车床上进行机械加工。通过选择合理的切削用量，可得到极高的球面尺寸精度和极小的表面粗糙度，从而满足球铰支座的使用性能要求。

（十一）铸钢节点的化学成分检测、力学性能检测和无损探伤检测

大运会铸钢节点的化学成分采用先进的直读光谱仪进行检测，化学成分分析试样在出钢时单独铸造的试块上或铸钢节点的多余部位处制取。

大运会铸钢节点的力学性能试样在单独铸造的试块上或随件铸造的连体试块上制取。为了防止切取试样时对试样的力学性能造成不良影响，切取试样采用先进的电火花数控切割工艺。冲击试样的缺口机械加工在专用拉床上进行，冲击试样的缺口加工质量用投影仪进行检测，以保证力学性能检测结果的准确性。

铸钢节点的无损探伤检测包括超声波探伤检测、磁粉探伤检测和渗透探伤检测。

（十二）铸钢节点的焊接工艺评定

肩谷铸钢节点是大运会主体育场钢结构工程承载最大的关键铸钢节点，其与钢结构件Φ1400×200钢管连接的焊缝深度为200mm，焊缝尺寸见图4b。按照文献[16]规定，必须进行焊接工艺评定。正确编制焊接工艺评定指导书，按焊接工艺评定指导书进行焊接工艺评定，并制订完善的焊接施工方案，使现场焊接施工质量得到了可靠保障。

（十三）大运会主体育馆的铸钢节点试验

按照文献[15]规定，对结构安全至关重要、使用过程中将发展较大程度塑性、与其它构件采用复杂连接形式的铸钢节点宜进行铸钢节点试验。应建设方要求，华南理工大学对大运会主体育馆肩谷铸钢节点进行了节点试验。铸钢节点试验采用缩尺试件，缩尺比例为1/2。大运会主体育馆肩谷铸钢节点试件轴测图见图5。铸钢节点试件左右8根支管与钢构件采用企口形式焊接连接；中间上方一块连接板与钢构件采用槽口形式焊接连接；中间下方一块连接板与钢构件采用销轴形式铰接连接。试验表明：大运会主体育馆肩谷铸钢节点试件在试验载荷作用下的应力、应变与有限元分析结果吻合，能够满足钢结构设计和使用要求。

图5大运会主体育馆铸钢节点试验件轴测图

（十四）铸钢节点在疲劳荷载下的工程应用

与焊接节点相比，铸钢节点的优点还在于对结构疲劳性能的改善。近年来，一些承受疲劳载荷的工程结构也开始采用铸钢节点[17-18]。例如：江苏沿江高速公路宁常段方山景观桥和杭州湾跨海大桥海中平台观光塔，它们分别承受交通疲劳载荷和波浪疲劳载荷。随着大运会主体育场钢结构工程特大超厚铸钢节点的

成功制作和对铸钢节点疲劳性能的深入研究，铸钢节点的应用领域将逐步拓展到桥梁结构和海洋工程结构。

三、结语

大运会主体育场钢结构工程铸钢节点设计复杂，构造新颖，分枝连接多，空间结构极不规则，单件重量大，制作难度高。采用各种先进技术，并进行工艺创新，完全能够生产出满足大运会设计和使用要求的高质量铸钢节点。

（一）采用三维实体建模技术，铸钢节点设计造型效果直观，有利于铸钢节点的深化设计和尺寸控制。

（二）采用有限元应力分析技术，铸钢节点构造形式和应力分布更为合理，有利于提高构件承载能力。

（三）采用铸造模拟凝固技术，铸钢节点的铸造工艺方案得到优化，有利于减少铸钢节点的内部缺陷。

（四）采用熔氧结合冶炼工艺，加入特效脱磷剂和稀土元素，并进行钢水精炼，钢水纯净度得到保证。

（五）通过铸钢节点造型及浇注工艺创新，铸钢节点的外观质量及内在质量得到进一步提高。

（六）制定合理的热处理工艺，控制炉温的均匀性和稳定性，铸钢节点的热处理质量得到有效控制。

（七）严格控制化学成分、无损探伤检测和焊接工艺评定，铸钢节点的现场焊接质量得到可靠保障。

（八）铸钢节点使结构疲劳性能得到改善，其应用领域将逐步拓展到桥梁结构和海洋工程结构。

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作者简介：曹富荣男1964年12月出生江苏永益铸管股份有限公司总工程师主要从事铸钢节点深化设计及制作技术工作，是《铸钢节点应用技术规程》CECS235：2008的主要起草者之一。

Email：caofurong64@https://www.360docs.net/doc/2e12018182.html,