鑄鋼節點的案例
鑄鋼節點是什么？
鑄鋼節點定義，鑄鋼節點是在建筑結構中，將鋼結構構件、部件或板件連接成整體的鑄鋼件,多桿件連接的節點以及建筑上有特殊外形要求時可采用鑄鋼節點
隨著建筑業的飛速發展，為了滿足建筑造型及功能要求，新型建筑體系不斷出現，結構跨度愈來愈大，這將使連接各構件的節點構造日趨復雜，傳統的節點形式已不能滿足現代結構發展的要求。 鑄鋼節點作為我國新興的節點形式以其特有的優點在鋼結構應用中顯示出合理性與適應性，不僅解決了焊接球節點由于結構跨度的增大使球徑過大的困難，而且可解決鋼管相貫節點由于進行相貫線的切割導 致施工不便的問題。隨著鑄造工藝的提高， 鑄鋼節點在鋼結構中將得到日趨廣泛的應用。然而我國對這方面的研究很少，還沒有 相關文獻從結構設計方面系統研究鑄鋼節點。
目前，為了適應鑄鋼節點的快速發展， 我國準備編制鑄鋼節點規范，因此對鑄鋼節點的研究勢在必行。本文從鑄鋼節點的特點、設計、質量控制、焊接等方面進行系 統研究，提出了鑄鋼節點的設計準則，不僅 為該種節點在工程中的推廣應用提供指 導，而且為今后規范的編制提供參考。
鑄鋼節點的特點以及類型
1.1鑄鋼節點的常用結構形式
鑄鋼節點的常用結構形式有樹型鑄鋼 節點、釵接鑄鋼節點及混合型鑄鋼節點等。 樹型鑄鋼節點，用來取代主管與多根支管 相貫的節點，用對接焊縫取代相貫焊縫,焊 縫分散，減少了焊接應力集中。釵接鑄鋼節 點，常用于桿件端部連接處（如支座處等）， 可簡化節點、造型美觀。混合型鑄鋼節點， 具有樹型鑄鋼節點和釵接鑄鋼節點的共同 特點。在南京奧林匹克體育中心項目中還設計了鑄鋼球節點。
展開 鑄鋼節點相關檢測內容
鋼結構鑄鋼節點是鋼結構中的重要連接部件，其質量直接影響到鋼結構的安全性和可靠性。因此，對鋼結構鑄鋼節點進行檢測是非常必要的。鋼結構鑄鋼節點檢測的相關內容，包括檢測樣品、檢測項目、檢測方法和檢測儀器等。
檢測樣品
1. 鑄鋼節點本體
鑄鋼節點本體是鋼結構鑄鋼節點的主要組成部分，其質量直接影響到節點的承載能力和可靠性。因此，鑄鋼節點本體是檢測的重點對象。
2. 焊縫
焊縫是鑄鋼節點與鋼結構連接的重要部位，其質量直接影響到節點的連接強度和可靠性。因此，焊縫也是檢測的重點對象。
檢測項目
1. 外觀檢查
外觀檢查是對鑄鋼節點的表面質量進行檢查，包括表面平整度、表面缺陷、表面粗糙度等。外觀檢查可以采用目測、放大鏡等方法進行。
2. 尺寸檢查
尺寸檢查是對鑄鋼節點的尺寸進行檢查，包括長度、寬度、高度、孔徑等。尺寸檢查可以采用卡尺、千分尺等工具進行。
3. 化學成分分析
化學成分分析是對鑄鋼節點的化學成分進行分析，包括碳、硅、錳、磷、硫等元素的含量。化學成分分析可以采用光譜分析、化學分析等方法進行。
4. 力學性能測試
力學性能測試是對鑄鋼節點的力學性能進行測試，包括抗拉強度、屈服強度、伸長率、硬度等。力學性能測試可以采用拉伸試驗、硬度試驗等方法進行。
5.
展開 鑄鋼節點怎么設計？
鑄鋼節點設計是建筑師、結構工程師和鑄造工程師密切合作的過程。
鑄鋼節點設計流程一般是
1.綜合考慮建筑美觀、鑄造工藝、受力性能、連接構造、施工安裝要求。
2.工藝設計與分析鑄造工藝過程數值模擬，確定澆鑄工藝和尺寸要求，制定工藝流程
3.力學性能分析與節點校核根據設計準則和計算方法進行節點分析、設計加工圖紙。檢驗鑄鋼節點的設計結果，設計方在必要時可提出對鑄鋼節點的試驗驗證建筑用要求。
1.鑄鋼材料的選用
鑄鋼選材時應綜合考慮結構的重要性、荷載特性(承受靜力荷載或間接動力荷載、承受直接 動力荷載或7 ~9度設防的地震作用)、節點類型 (單管或多管節點)、應力狀態(單、雙向受力或三 向受力)、鑄造工藝(工藝設計與裝備)、工作環境 溫度等因素,選擇技術可靠、經濟合理的鑄鋼材 料。目前國內工程中釆用的非焊接鑄鋼材料有現 行國家標準《一般工程用鑄造碳鋼件》(GB/T 11352—2009)的 ZG230 - 450, ZG270 - 500, ZG310 -570,ZG340 -640等鑄造碳素鋼;采用的 焊接鑄鋼材料有現行國家標準《焊接結構用碳素 鋼鑄件》(GB/T 7659—1987)規定的ZG230 - 450H,ZG275 -485H鑄鋼，日本《焊接結構用鑄鋼件》(JISG 5102 )規定的 SCW410, SCW450, SCW480,SCW550等牌號鑄鋼，以及德國《一般工 程用鑄鋼》(DIN EN 10293 : 2005 )規定的 G17Mn5QT, G20Mn5N, G20Mn5QT 等牌號鑄鋼。
展開 鑄鋼節點力學性能有限元分析研究
網格劃分圖
3.3工況驗算
3.3.1驗算
桿件內力
3.4分析結果
3.4.1工況組合最大驗算結果
應力云圖（Mpa）
位移云圖（mm）
說明：由上圖可以看出，鑄鋼件等效強度和剛度較好，最大應力為216.1Mpa，最大位移為5.45mm，滿足設計要求。
3.4.2工況組合最小驗算結果
應力云圖（Mpa）
位移云圖（mm）
說明：由上圖可以看出，鑄鋼件等效強度和剛度較好，最大應力為103.8Mpa，最大位移為3.25mm，滿足設計要求。
4.結論
根據以上若干可能的控制工況的實體有限元計算結果分析，在給定的外荷載作用下，鑄鋼節點整體處于線彈性狀態,符合鋼結構設計規范的相應規定。綜上所述，根據《鑄鋼節點應用技術規程》中第4.2.5條，該鑄鋼節點的受力性能符合設計要求。
有限元模擬設備：
耗時：單個模型1.5小時。
展開 
INSPIRE在建筑結構中的創新應用
作為結構關鍵核心的構件節點，其連接方式和力學性能更加復雜。節點的不同構造形式，對結構的設計難度、工程造價、現場施工都有著相當 大 的 影 響。
1991 年 德 國 Stuttgart機 場 樓首次使用大跨度空間樹狀結構，自此以后，美 國 Detroit 機 場、我國廣州黃金樹、蘇 州 工 業 園 區 多 功 能廳、長沙火車站均采用了樹狀結構。樹形柱結構要求不同管徑的主管和分管交匯后過渡自然連貫，多采用的節點形式是相貫節點、鑄鋼節點。相貫節點采用桿件之間直接焊接連接，會產生對受力不利的殘余應力，節點安全可靠性可能存在隱患。而鑄鋼節點既具有美觀效果，又避免了多桿相貫焊接連接中節點內存在殘余焊接應力的問題。除此之外，樹形柱中采用鑄鋼節點會比采用相貫節點的各個分支的計算長度系數有所下降，穩定性能有所提升。因此，具有安全性適用性和耐久性的鑄鋼節點形式多用在復雜的樹狀結構中。
鑄鋼節點由于其良好的適用性在大跨度空間鋼結構中應用越來越廣。但是目前并沒有一套成熟的鑄鋼節點設計方法，因此造成目前使用中的鑄鋼節點存在優化不足，自重大，這對施工和結構受力產生不利影響。
本文利用INSPIRE拓撲優化技術和快速建模方法，探索了一種大型鑄鋼節點的快速優化設計的方法，為建筑結構設計提供參考和幫助。
2 優化設計
首先根據結構設計總圖，在inspire中確定并建立主管和分支管，其中間連接的過渡區域定義為拓撲優化區域，如下圖的優化模型，球形結構為優化區域。
3 優化結果
4 結構設計
5性能驗證
不同節點構造形式的對比分析。
展開 iSteelStructure｜結構部件有限元精細模型建模案例合集 2023年版
1 鋼板桁架（直接用分析軟件做設計，上下弦為鋼板、腹桿為鋼管）
2 架空地板（分析振動舒適度及彈塑性承載力）
3 靜安區某人行天橋（拆除施工全過程模擬）
4 鑄鋼節點及焊接節點有限元分析
5 多尺度模型（桿系單元與三維殼單元，做彈塑性時程分析）
6 異形彎扭箱形橋梁（彈性分析，舒適度分析）
7 鑄鋼模塊節點有限元模擬與試驗對比
（研究節點滯回特性，包括：彈塑性承載力、剛度、延性等，完美模擬真實受力變形狀態）
8 復雜樓梯有限元模擬（多種鋼板梁和鋼箱梁螺旋樓梯、鋼管桁架梁樓梯）
9 井字薄膜框架結構有限元模擬（考慮鋼板薄膜效應的影響）
10 管桁架局部結構及節點有限元分析
11 拓撲優化
12 智慧路燈結構及節點有限元分析
結構合作
iSteelStructure團隊王明興是中文核心期刊《建筑鋼結構進展》審稿人，曾獲2020年度“優秀審稿專家”稱號，曾公開發表EI或SCI收錄論文5篇，
展開 由2899根鋼管編織而成，世界最大無軸式摩天輪竟然是這樣誕生的！！
鑄鋼節點確保鋼斜腿支起千噸重量
白浪河大橋摩天輪與普通摩天輪不同的是沒有中間軸支撐，支撐它的是兩個混凝土承臺支座，每個支座上放置了六根鋼斜腿將摩天輪支起，這六根鋼管支撐起了摩天輪數千噸的重量，為了達到支撐強度，每個斜腿與輪 盤面連接處，均采用鑄鋼節點，將斜腿與輪身面上不同直徑，不同角度的桿件相連接，鑄鋼單件最大重量45噸。所有鋼構件焊接完畢后，24 小時不間斷進行關鍵構件的內力監測，保證摩天輪整體穩定性。
來源：中國建筑，本項目由中國建筑六局承建。
由2899根鋼管編織而成，世界最大無軸式摩天輪是如何誕生的？
鑄鋼節點確保鋼斜腿支起千噸重量
白浪河大橋摩天輪與普通摩天輪不同的是沒有中間軸支撐，支撐它的是兩個混凝土承臺支座，每個支座上放置了六根鋼斜腿將摩天輪支起，這六根鋼管支撐起了摩天輪數千噸的重量，為了達到支撐強度，每個斜腿與輪 盤面連接處，均采用鑄鋼節點，將斜腿與輪身面上不同直徑，不同角度的桿件相連接，鑄鋼單件最大重量45噸。所有鋼構件焊接完畢后，24 小時不間斷進行關鍵構件的內力監測，保證摩天輪整體穩定性。
（來源：中國建筑）
體育場徑向環形大懸挑鋼結構綜合施工技術研究
★2 工程特點
本工程上部鋼結構罩棚為徑向倒三角桁架與雙層曲面網殼混合空間網格鋼結構屋蓋體系，工程主要材料為鋼管，材質為Q345B,同時采用了大量錐管、彎管以及樹形鑄鋼件。鋼結構罩棚由懸挑主桁架和內外環桁架、腰桁架及支撐體系組成，主懸挑桁架最大懸挑長度37m，根部高度4m；主伸臂桁架支承于下部混凝土勁性柱上，墻面主桁架底部與混凝土結構的側面相連。體育場北側為無勁性柱結構，罩棚由4個樹形柱支撐。南側結構沒有支撐，水平跨度63米，受力形式采用了橋梁的設計概念。
俯視圖
正立面圖
側立面圖
相貫面屋蓋桁架結構分為：倒三角形管桁架結構和雙層網殼結構；共有32榀倒三角形桁架和平面桁架柱，桁架與桁架之間由內、外環向次桁架進行連接；整個鋼結構罩棚由4根樹形柱、2根二叉柱、2根三叉柱和30根四叉柱進行支撐，空間鋼結構桁架中工包括11種不同類型的鑄鋼件節點110個。
剖面圖
樹形柱
★3 樹形柱安裝及焊接技術
（1）收集、整理類似樹形柱類、三維異型鑄鋼節點施工資料，進行模擬預拼裝和試焊接及吊裝試驗，控制樹形柱加工焊接精度和焊接變形，選擇合理的組裝和焊接順序，通過局部加熱消除焊接應力。
（2）采用工廠進行樹形柱分段焊接，分別現場采用450t履帶吊進行吊裝對接焊接，為確保對接焊位置滿焊到位，采用樹形柱對接處的四塊封板后封的辦法，待焊工由封板位置間隙進入四管中心處施焊，最后再封閉四塊封板。
（3）根據現場實際情況及吊車吊裝重量，對樹杈及其樹冠三維異型鑄鋼件在地面拼裝完成后一起吊裝，確保安裝精度及變形控制。
展開 探索 ABAQUS 在土木工程中的應用
</p><p>2、 ABAQUS 在建筑工程中的應用實例</p><p>1、建筑結構構件和節點分析</p><p>? 鋼管混凝土構件：鋼管混凝土因鋼管與混凝土相互作用，具有承載力高、塑性韌性好等諸多優點，在工程中廣泛應用。ABAQUS 模擬時，確定合理材料本構關系及處理界面接觸是關鍵。通過模擬，其計算曲線與實驗曲線對比及截面剪應力分布研究成果顯著，相關成果已被多地工程建設標準采納。</p><p>? 型鋼混凝土構件：強度高、耐火抗震性能好，實際應用多。其有限元分析需考慮鋼筋與混凝土粘結滑移，ABAQUS 的 Spring2 彈簧單元可模擬接觸性能，建模時連接鋼筋和混凝土節點的彈簧單元設置有講究，典型型鋼混凝土梁模型和破壞時應力應變分布展示了模擬效果。</p><p>? 復雜鑄鋼節點及柱腳：大跨空間結構中，柱腳節點受力復雜關鍵。由于缺乏力學性能分析和承載力校核依據，ABAQUS 對其進行有限元分析意義重大。通常先在 AutoCAD 建模再導入 ABAQUS，某復雜柱腳分析結果對結構設計指導作用明顯。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/msimage/202412/2d2363a8a774df596baa62a9d5413d9d.png"></p><p>圖1 圓鋼管混凝土在純扭受力狀態下的截面剪應力分布</p><p>2、建筑結構動力彈塑性分析：復雜建筑結構和罕遇地震下結構動力彈塑性分析離不開有限元軟件，ABAQUS 為此提供了重要參考。
展開 結構設計CAE分析的幾個概念
(2)形成結構離散的直接方法便是幾何網格的劃分，對于桿系為主的單元劃分，所有的CAE程序都不在話下，CAE程序網格劃分能力主要體現在對自由曲面的四邊形網格劃分以及由自由曲面包圍形成的實體六面體單元網格劃分上，大多數CAE程序均采用結構化網格和自由網格兩種劃分思路，對于復雜的工程節點分析，如鑄鋼節點、球桿相貫節點，往往難以采用結構化網格，因此，需要程序具有較強的自由網格劃分能力。網格質量好壞的基本判斷，便是網格與幾何模型的貼體性，實際工程的幾何邊界非常復雜，往往難以與結構整體坐標相符，因此，需要用數學構造方法構成貼體坐標系。目前，CAE程序的貼體坐標系生成方法，主要是代數法和微分方程法。
(3)有限元仿真的難處在于對邊界的模擬，主要包括結構邊界、單元邊界，傳統設計認為，地面就是剛形體的假定在某些大型復雜工程中并不準確，因此要求采用各種連接單元模擬單元與邊界的耦合作用，邊界單元庫以及其設置是CAE程序求解能力的一個重要反映。
(4)快速高效的非線性與線性算法對現代大型工程越來越重要，雖然依托電子計算機的高速發展，上千萬個自由度的大規模問題求解已經能夠在PC機上實現，但工程設計的不同，便是在于設計方案調整的反復性，因此，往往需要CAE程序高效快速的計算能力滿足反復試算、方案調整等，現代大型CAE程序往往都已經具備快速高效的計算方法，常用的如NR法、M-NR法、AL法、BFGS法等，都能夠滿足高效快速準確的計算要求。
(5)現代工程設計已經從固體力學領域逐漸滲入到溫度場、流場等領域，如厚鋼板焊接的溫度殘余應力模擬、風一結構耦合作用、屋頂水箱制振耦合作用等，主流的大型CAE程序一般都已經具備這些問題的耦合計算能力，在單一的計算平臺下，能夠實現多場單次耦合或者多次耦合計算。
展開 
結構設計CAE分析的幾個概念
3.4 單元劃分與荷載傳導
和一些專業的設計程序不同，CAE程序形成結構物理模型最關鍵的一步，便是單元網格劃分，有限元的所有力學響應指標，均是通過單元節點進行傳遞，并保持位移連續。工程中常見的一個錯誤，便是梁系框架沒有單元劃分而造成錯誤結果，其問題主要在于單元劃分和荷載傳遞的問題：大多數情況下，為了提高計算效率，CAE程序默認的單元均采用線性積分單元，這樣，在一個單元體內，其輸入激勵和響應指標呈線性分布，因此，當輸入荷載后，最終通過節點傳導，單元體中間區域并沒有傳導荷載，造成節點受力，單元并沒有受力的現象。一個簡單的例子便是計算樓蓋結構，假定梁單元劃分數量為1，其包圍的板殼數量也為1，則最終計算的時候荷載均傳遞到了梁柱節點處，板和梁均處于空載狀態，這樣的分析結果無疑是錯誤的。解決辦法很簡單，細化梁單元和板單元網格，并保持網格連續。
3.5 節點自由度連續
CAE程序中各種單元都有其對應的自由度，比如梁單元每個節點為6個或者7個自由度(除了常用的平動和轉動自由度以外，薄壁構件還有翹曲自由度)，桁架單元每個節點有3個自由度，殼體單元每個節點有6個自由度，實體單元每個節點有3個自由度。當結構分析混合使用這些單元的時候，需要注意其自由度的連續問題，比如采用實體單元模擬基礎，殼體單元模擬剪力墻，由于單元節點自由度的不連續，會造成剪力墻根部無法和基礎實現轉動協調，如果剪力墻處于懸臂工作狀態，還會引起墻體單元轉動約束不足，形成剛體運動。解決辦法是根據力偶的概念，將墻體根部交接區域兩側實體單元的節點和墻板根部節點進行自由度耦合。類似的例子，如梁單元和實體單元的連接，也存在相同的問題和處理手段。
3.6 邊界模擬
現階段CAE程序對桿系模型的分析已經達到了一個相當的精度，桿系單元的模擬和實際工程單元工作性能的比較精度很高。
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