铸钢支座节点

≥300 ≥280 ≥260 ≥240
500～650 500～650 480～630 450～600
≥22 ≥22 ≥20
≥55 ≥40 ≥35
GS-20Mn5
调质
≤50 ＞50≤100 ＞100≤160
≥360 ≥300 ≥280
500～650 500～650 500～650
≥24 ≥24 ≥22
支座上各杆所受的轴力转换成面载施加到杆端截面上。铸钢支座的底板下部为双向滑动球铰支座，由 于该支座三方向均无线位移，因此将铸钢支座底板底面的三个方向的线位移全部约束，反映节点的真实边 界条件。有限元模型如图 6 所示。
3
图 6 铸钢支座节点有限元模型图
计算过程中材料假定为理想弹塑性材料，服从 Von Mises 屈服准则，材料塑性按双线性随动强化考虑。 将牛顿-拉斐逊（Newton-Raphson）和线性搜索技术（Line Search）、应用预测（Predictor）、自适应下 降（Adaptive Descent）等加速收敛技术相结合，建立非线性平衡求解方法。在计算过程中，采用应变硬 化模型和大挠度效应，经有限元计算对比发现，这两者对节点的承载力影响不大。
2.工程概况
南通市体育会展中心占地 4.128×105 ㎡,总建筑面积达 176014 ㎡，其中体育馆建筑面积 33800 ㎡，可
罗旭斌，男，1980 年 9 月生，在读硕士研究生，主要从事巨型、高层、大跨结构领域的学习与研究。 马 军，男，1961 年 4 月生，东南大学结构工程专业毕业，副教授，硕士生导师，主要从事结构工程的教学与科研工作。
Abstract :As one of the newest joint types, the cast-steel joints are utilized widely in the large-span space structures. In this article, by the aid of finite element analysis software, authors particularly analyze the cast-steel joints in the center of Exhibition and Sport in Nantong. The distribution of stress and the joint deformation are analyzed, and the finite element method is validated with those of test. By then, some useful conclusions are suggested. Key words: cast-steel joints nonlinear finite element analysis ultimate strength
1.引 言
随着空间结构的不断发展，结构的跨度愈来愈大，形式日趋多样。结构中构件与构件之间节点的连接 方式和力学性能都日趋复杂，传统的焊接球节点、钢管相贯节点等多种节点形式难以在构造及制作工艺上 满足复杂的受力体系。节点构造的好坏，对结构的受力性能、施工工艺、工程造价都有着相当大的影响。 因此，具有良好适用性的铸钢节点形式越来越受到工程界的青睐。在国外，铸钢节点已在结构工程中有很 多成功实例，国内近来也在一些大型工程中大量使用，如正在建造中的江苏省南通市体育会展中心就大量 使用了铸钢支座节点。本文结合该工程对这种类型的铸钢节点进行了深入的有限元分析，研究了铸钢节点 在荷载作用下应力的发展、变化过程及节点变形，并通过试验对有限元方法加以验证，在此基础上得出一 些有用的结论。
(1) 计算模型
节点建模采用 10 节点四面体实体单元（Solid 92），每个节点 3 个自由度，采用自由网格划分，对节 点转角处适当加强网格密度，单元数为 60000～100000 个。通过有限元程序的误差信息（能量百分比误差、 单元应力误差、单元能量误差、应力上下限）确定网格划分是否满足要求。
Nonlinear Finite Element Analysis of Ultimate Strength of Cast-steel Bearing Joints
in the center of Exhibition and Sport in Nantong
Luo Xubin Ma Jun
(College of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096，China)
《工业建筑》增刊 [4] 卢立香. 铸钢节点在大跨度管桁架建筑钢结构中应用探讨。钢结构，2003，18（5）：28~30 [5] 鲍广鑑等. 铸钢节点枝状空间钢结构的研究与应用。 施工技术，2004，33（11）：49~51 [6] 钱若军，王建. 铸钢节点设计概述。第三届全国现代结构工程学术研讨会论文集；《工业建筑》增刊
图 1 南通市体育会展中心结构平面布置图
由于本工程为一网壳结构，结构外形特殊、跨度大，最大跨度达 264 m，这就使某些节点处（尤其是 支座处）的杆件截面增大、杆件数量增多、节点构造复杂，采用常规节点均无法满足设计要求，所以在这 些节点处采用了铸钢节点连接。
本文主要针对受力算了节点的极限 承载力。
5.结 论
1)铸钢节点的强度高，能承受较大的荷载，铸钢材料有良好的塑性、韧性及可焊性，不仅可以有效防 止节点破坏，而且在低温条件下仍能保持良好的焊接性能，给施工带来极大的方便。
2)铸钢节点由于在工厂内整体浇铸，使得焊缝位于铸钢管上，避免了重叠焊缝引起的应力集中。并且 节点外形多样化，可以满足多种结构的要求，在大跨空间结构工程中具有广阔的应用前景。
表 1 化学成份（%）
牌号
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
Ni
GS-16Mn5 0.15～0.20 ≤0.60 1.00～1.50 ≤0.020 ≤0.015 ≤0.30 ≤0.15 ≤0.40
GS-20Mn5 0.17～0.23 ≤0.60 1.00～1.50 ≤0.020 ≤0.015 ≤0.30 ≤0.15 ≤0.40
南通市体育会展中心铸钢支座节点 极限承载力非线性有限元分析
罗旭斌 马军
（东南大学土木工程学院，江苏 南京 210096） 摘 要：铸钢节点作为一种新型的节点形式，目前已经广泛应用于大跨空间结构中。本文应用有限元软件，对南通市体育会 展中心铸钢支座节点进行了深入的研究，分析了铸钢节点在荷载作用下应力的发展、变化过程及节点变形，并通过试验对有 限元方法加以验证，在此基础上得出一些有用的结论。 关键词：铸钢节点；非线性有限元分析；极限承载力
表 2 机械性能
牌号 热处理状态 铸件壁厚（mm） 屈服强度（MPa） 抗拉强度（MPa） 延伸率（%） 冲击功（J）
GS-16Mn5
正火
≤50 ＞50≤100
≥260 ≥230
430～600 430～600
≥25 ≥25
≥65 ≥45
GS-20Mn5
正火
≤50 ＞50≤100 ＞100≤160
＞160
（2）节点受力全过程分析
把各支管面荷载加到铸钢节点上后，由于各支管相交复杂，首先在相交处发生局部变形和局部应力集 中，但由于经过倒角处理，应力峰值并不是很高。离开相交处后应力迅速下降。节点的鞍点和冠点处应力 最大，首先屈服，但此时并不意味着节点立即破坏，随着荷载的逐渐增加，该点逐渐形成塑性区使应力重 新分布，塑性区不断地向四周扩散，直到出现显著的局部塑性变形后，节点才最后达到坡坏。节点从开始 进入塑性到最后破坏的过程中，具有很强的塑性变形能力，强度储备很高，通常破坏荷载可达到初始屈服 荷载的好几倍。图 7 为铸钢节点应力分布和塑性区的扩展过程及节点破坏时的变形图。从图中可以看到， 节点最终破坏时，小管径受压支管已经全部进入塑性，而此时其他三管应力相对较小，整个节点破坏仅为 单支管破坏。由最终破坏时节点位移图可以看到，破坏的小管径受压支管管口部分变形严重，已经发生面 外鼓曲。
≥70 ≥50 ≥40
由制造厂提供的三组共 12 根Φ10mm，截面积 78.5mm2 的试件，其屈服屈服强度ƒy 值随热处理方式的不 同在 285 MPa～330 Mpa 之间波动。计算时假定材料为理想弹塑性，屈服强度ƒy=300Mpa，E=2.02×105 N/mm2, μ=0.3。
3.2.2 铸钢节点有限元分析
图 4 节点 A-A 剖面图及几何参数图
图 5 节点 B-B 剖面图及几何参数
2
3.2 铸钢支座节点有限元分析
3.2.1 铸钢件材料性质
铸钢材料按照钢的化学成份分为铸造碳钢和铸造低合金钢。由于铸造碳钢的淬透性与力学性能较差以
及对大截面构件无法通过热处理进行强化，因此铸造材料主要采用铸造低合金钢，其主要的合金元素为锰、
硅、铬等，这些元素不仅提高了材料的强度，而且大大改善了铸钢的塑性、韧性及可焊性。建筑用铸钢件
在材料选取上主要需考虑两方面的问题：①满足结构的受力性能；②材料具有良好的塑性、韧性和可焊性。
目前，我国建筑用铸钢材质的选取主要参照德国 DIN17182 标准，该标准对材质的化学成份和机械性能要
求见表 1、表 2。
P （a） Pu = 0.3
P （b） Pu = 0.6
P （c） Pu = 0.9
（d）破坏时节点变形图
图 7 铸钢支座节点的应力分布和塑性区扩展过程及节点变形图
4.铸钢节点试验分析分析
铸钢节点的应用在国内刚刚起步，尚无规范可循，国内铸钢节点的设计主要参照德国 DIN17182 标准， 采用有限元分析并以足尺寸或缩尺寸的实际铸件或模型进行试验加以验证。因此，为了安全起见，我们采 用了铸钢节点模型进行了试验，试验的目的是为了验证有限元分析的可靠性。试验模型及应变片布置如图 8 所示。因篇幅限制，本文只列出了部分试验与有限元比较的结果，如图 9 所示。