鑄鋼節(jié)點(diǎn)枝狀空間鋼結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用

深圳文化中心黃金樹為鑄鋼節(jié)點(diǎn)枝狀空間鋼結(jié)構(gòu)，介紹了巨型復(fù)雜鑄件的設(shè)計與鑄造工藝,樹枝結(jié)構(gòu)安裝 工藝及測控手段，復(fù)雜條件下異種鋼材的焊接。

鋼結(jié)構(gòu);空間結(jié)構(gòu);鑄鋼;節(jié)點(diǎn);設(shè)計;鑄造;安裝;焊接變形

深圳市文化中心由音樂廳、圖書館和室外大平臺 組成，長312m,寬89.7m,高40m,總建筑面積8.98萬 m\圖書館和音樂廳入口處均設(shè)有對稱分布的樹型結(jié) 構(gòu)的大前廳,樹型結(jié)構(gòu)表面裝飾成黃金色，故稱黃金 樹。黃金樹按照樹的生長機(jī)理設(shè)計，從下至上由主干、 粗枝、中枝和端枝組成，多根鋼管桿件以不同的角度匯 交于一點(diǎn),為鑄鋼節(jié)點(diǎn)枝狀空間鋼結(jié)構(gòu)(見圖1)。黃金 樹建筑高度達(dá)40m,2棵樹投影面積約3400m2 0匯交節(jié)

點(diǎn)共計67個，形 狀各異，節(jié)點(diǎn)伸出 的枝管數(shù)量為3~ 10個。鋼結(jié)構(gòu)工 程量約1200t,主桿 件共計216根。復(fù)雜鑄鋼節(jié)點(diǎn)達(dá)

10個分枝、重達(dá)7.71U

鑄鋼節(jié)點(diǎn)

本工程的深化設(shè)計按國外做法由施工單位完 成，設(shè)計單位只進(jìn)行審查。由于結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特,尤其是 鑄鋼節(jié)點(diǎn)造型復(fù)雜、體積龐大，給節(jié)點(diǎn)的計算和受力分 析帶來困難。

鑄鋼節(jié)點(diǎn)具有不同性、多枝性、分枝多向性、體 積龐大、重量大等特點(diǎn)。從模型選擇與制作、骨架打孔 定位、插桿，到鑄件精度控制，都是鑄鋼鑄造的新課題。

枝狀空間結(jié)構(gòu)為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，規(guī)模龐大，確保 黃金樹整體安裝到位且控制其精度,是一大難題0

黃金樹的安裝測控是一個復(fù)雜、龐大的體系。 安裝過程中的累計誤差控制難,相關(guān)節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)和修 正難。

枝狀空間結(jié)構(gòu)焊接約束較多，焊接變形控制較 難，鑄鋼件體形復(fù)雜、現(xiàn)場焊接空間狹窄，而且鑄件與 鋼管對接為不同材質(zhì)、不同壁厚的高空全位置焊接。

鑄鋼節(jié)點(diǎn)案例

黃金樹結(jié)構(gòu)與鑄鋼節(jié)點(diǎn)造型的深化設(shè)計、節(jié)點(diǎn)鑄 造、結(jié)構(gòu)安裝、測控與焊接等方面的綜合技術(shù)在國內(nèi)尚 無先例可循，具有較大難度。

2.1巨型復(fù)雜鑄件的設(shè)計及驗算

通過對節(jié)點(diǎn)的大量計算 和分析，創(chuàng)造性地釆用半空 心半實(shí)心的節(jié)點(diǎn)形式(見圖 2),解決了鑄鋼節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造和受力難題。

材質(zhì) 通過化學(xué)成分、力學(xué)性能比較,選用中 國牌ZG275485H代換原牌號(日本)SCW480焊接結(jié) 構(gòu)用鑄鋼件。

模型建立 節(jié)點(diǎn)設(shè)計既要保證建筑安全，又要 滿足鑄造工藝可行，安裝方便。選取一些代表性的節(jié) 點(diǎn)建立計算模型進(jìn)行分析G節(jié)點(diǎn)分析與選擇實(shí)心節(jié)點(diǎn)極限承載力 為設(shè)計承載力的45倍左右，鑄造相對容易，但造成材 料的浪費(fèi)，加大了節(jié)點(diǎn)的自重，同時難以解決一些焊接 技術(shù)問題，對整個黃金樹結(jié)構(gòu)受力將產(chǎn)生不利的作用； 空心節(jié)點(diǎn) 模型壁厚取28mm時，極限承載力為設(shè) 計承載力的5.71倍，材料省，自重輕，但給鑄造帶來相 當(dāng)大的困難；半實(shí)心節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)管徑450mm或 350mm,壁厚40mm。極限承載力為設(shè)計承載力的15倍 左右，可以減輕節(jié)點(diǎn)自重，能解決節(jié)點(diǎn)焊接難度，同時 鑄造工藝可行;根據(jù)各類型節(jié)點(diǎn)受力狀況及鑄造、安 裝、焊接難度進(jìn)行綜合考慮，選擇安全、經(jīng)濟(jì)、合理可行 的半空心半實(shí)心節(jié)點(diǎn)。

2.2鑄件的鑄造工藝

針對鑄件體積大、重量大、分枝多及半空心等特 點(diǎn)，經(jīng)查詢資料和市場調(diào)研，傳統(tǒng)的木模、蠟?zāi)！⒔饘倌?等工藝均不能解決制模問題，這就要求在模型選擇與 制作、鑄造工藝、成品的精度控制等方面采用新工藝。

模型選擇消失模鑄造工藝廣泛運(yùn)用于汽車 制造業(yè)，模具的材料可以隨鋼水自然揮發(fā)消失,但用于 如此復(fù)雜的建筑還是次。經(jīng)過改進(jìn)，采用消失模 鑄造工藝。

模型制作將圖紙數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成機(jī)床能夠識別 的數(shù)據(jù)格式，然后制作模型骨架，在骨架中心處的圓球 上打孔定位,然后將經(jīng)特殊處理的桿件插入孔內(nèi)，既保 證桿件空間位置的準(zhǔn)確性,又控制了每根桿件的長度。 經(jīng)修整后，形成模型骨架。

鑄造工藝 主要控制內(nèi)容:采用透氣性好、 強(qiáng)度高、干燥快的醇基涂料;布設(shè)澆鑄系統(tǒng);向砂 箱內(nèi)通COz氣體，使砂型硬化，然后注入鋼水進(jìn)行澆 鑄;熱處理改善鋼性能;后處理控制鑄件外觀。

精度控制在鑄造過程中，采用三坐標(biāo)儀測量 控制鑄鋼件空間位置精度。為確保鑄鋼件鑄造工藝更 加合理，使節(jié)點(diǎn)幾何形狀、外觀達(dá)到建筑設(shè)計要求，在 正式生產(chǎn)前，選取典型的429號節(jié)點(diǎn)，按照1 ： 1的比例 進(jìn)行模具制造試驗及澆鑄試驗。

鑄鋼節(jié)點(diǎn)-深圳機(jī)場

枝狀空間結(jié)構(gòu)打破了傳統(tǒng)的橫平豎直的結(jié)構(gòu)形 式,對現(xiàn)場安裝提出了較高的技術(shù)要求I枝狀空間結(jié) 構(gòu)為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)鑄件形狀各異、外形復(fù)雜、體積 龐大。針對其形式和特點(diǎn)，制定了由下向上、由內(nèi)及 夕卜、由主枝到次枝的空間定位安裝工藝:

在鑄鋼節(jié)點(diǎn)下方搭設(shè)節(jié)點(diǎn)安裝與校正專用固 定架與支撐架，吊裝節(jié)點(diǎn)至支撐架上，調(diào)校節(jié)點(diǎn)至設(shè)計 位置。選擇合理的焊接工藝，制定焊接順序,減少焊 接約束，有效控制焊接變形。