工程概况
 
重庆奥林匹克体育中心是一座可以容纳 60000名观众的大型综合体育场 , 总建筑面积 63000 m2,共分东西南北四面看台 . 为了建筑造型的需要 , 在东西看台上方各有一片罩蓬结构 . 罩蓬的结构形式采用双向平行弦等厚度钢管网壳, 其平面投影为梭形 , 横跨南北看台 . 网壳两落地点的直线距离312 m , 东西方向最大宽度 78 m , 网壳厚度 4. 5 m , 单块网壳覆盖面积 17400 m2.
 
1. 2 　铸钢空心球管节点的设计
 
由于本工程的网壳结构外形特殊 , 跨度大 , 使网壳中的个别节点汇交杆件数量多、杆件截面大、节点构造复杂 , 采用焊接空心球节点根本无法满足设计要求 , 因此在这些节点处采用了铸钢空心球管节点 .本文以工程中规格  的铸钢空心球管节点为例,说明其设计与分析过程 . 该节点汇交 10 根杆件 , 杆件数量多、直径大 , 其中  杆的直径为 720 mm , 节点的几何形状如图 1 所示 . 该铸钢空心球管节点的球径为 900 mm , 球壁厚为 70 mm. 综合考虑  、经济以及铸造工艺等方面的因素, 铸钢管上部 ( 与钢管连接处 ) 的厚度取为与之相连钢管厚度的 1. 5 倍 , 铸钢管下部 ( 与球连接处 ) 的厚度取为钢管厚度的 2. 5倍 . 各铸钢管由球面上的伸出长度结合由满足施焊构造要求所需的  长度并考虑铸造尺寸的统一 ,取为 650 mm. 节点在铸钢管与球相交处的内外侧以及铸钢管与铸钢管搭接处的倒角半径都取为50 mm.
 

对于图示的1 ,3 ,5 号杆因钢管管径较小、管与管之间的夹角较大 , 直径 900 mm 的铸钢球可满足焊接空间的要求 , 因此将钢管直接焊在铸钢节点上 .由于节点的球体直径较大 , 在球内设置十字形加劲肋以提高节点强度 . 该铸钢节点的材质参照德国DIN17182 标准中的 GS20Mn5 , 其机械性能指标为 :屈服强度 230 MPa 、极限强度 450 MPa 、延伸率 22 % ,D 级冲击功 37J.
 
1. 3 　铸钢空心球管节点的有限元分析
 
为了了解节点的应力分布情况 , 确定最大应力区 , 采用大型通用有限元软件 ANSYS 对节点进行有限元分析 . 对于 3 根焊接杆件为了避免或消除边缘效应对节点力学性能的影响 , 分析时将焊接钢管的根部与铸钢节点作为整体参与计算, 焊接钢管材质为 Q345 钢 .
 
1. 3. 1 　模型建立
 
由于节点与多根空间杆件相连 , 而且在铸钢管与球、铸钢管与铸钢管相交处都存在倒角, 而 ANSYS的前处理器无法对体进行倒角 , 因此为了使计算结果符合节点的真实受力状态 , 我们用 AUTOCAD建立节点的实体模型 , 然后将其存为 SAT 文件 , 直接输入到 ANSYS 中 .
 
1. 3. 2 　单元类型与网格划分
 
由于铸钢球管节点的球壁及铸钢管壁都比较厚 , 节点建模采用十节点的四面体单元 , 单元类型为SOLID187 , 该单元的每个节点有三个自由度 , 即 X ,Y , Z 方向的线位移 . 单元大小对计算结果的精确度有一定影响 , 单元小 , 虽然求解   , 但会增加计算时间 ; 单元大 , 势必降低分析的计算精度 . 综合以上因素 , 网格划分控制单元边长 , 采用   格划分 ,划分精度为 6.
 
1. 3. 3 　荷载及边界条件的施加
 
铸钢空心球管节点承担相连杆件传递的轴向力 , 杆端内力是节点荷载的主要形式 . 节点荷载主要根据结构整体计算的各种工况 , 从中选取 不利工况下的杆件内力而得到 , 本文计算的铸钢球管节点是以直径最大杆产生最大压力为节点的控制工况 .节点荷载的施加是将轴向集中力转换成面荷载加在铸钢管及焊接管的端部 . 铸钢球管节点是网壳结构中的非支座节点 , 虽然节点汇交各杆的轴力是自身平衡力系 , 但用 ANSYS 分析时 , 若不施加约束 , 程序会认为节点不平衡导致计算无法进行 .为此在刚度  杆件的端部施加三方向约束 , 以使结果反映节点的真实受力状态 ; 同时为了校核约束杆的轴向力是否与所受实际荷载相符 , Z 方向的约束沿杆轴 .
 
 
 
 (1) 铸钢空心球管节点在空间受力状态下 , 其应力从各杆端向球心逐渐传递 , 而且在传递过程中 ,应力分布呈现出高 →低 →高 →低的变化趋势 , 其中铸钢管的应力由高到低主要是由于管壁逐渐增厚所致 . 铸钢空心球管节点的应力分布主要划分为两类区域即铸钢管与球倒角处的圆环区域和远离汇交区的铸钢管及球面区域 . 节点在管球倒角区域的应力较大 , 局部有应力集中 , 远离汇交区域的钢管与球体的应力水平较低 .
 
(2) 焊接管 ( 图示直径较小的钢管 ) 与球交界处由于没有倒角 , 管球连接区域处的应力相对管端施加应力 , 其值增大明显 , 即有严重的应力集中现象 ;而铸钢管在管球相交处存在倒角 , 减缓了该处的应力集中 , 改善了节点的应力分布 .
 
(3) 该节点在设计荷载作用下 , 最大应力为295 MPa , 虽然应力峰值已超过材料的屈服强度 , 但屈服区域很少 , 只是集中在个别点处 , 绝大部分区域的应力都在弹性范围之内 .
 
2 　铸钢空心球管节点的空间受力试验
 
为了验证铸钢空心球管节点有限元计算模型的正确性以及 深入了解节点的受力性能 , 对上述有限元计算的节点进行足尺试验研究 . 试验在西南交通大学结构试验室进行 , 试件数量 1 个 , 试验荷载工况与有限元计算一致 . 图 4 为根据试验需要 , 完成封头板及杆件接长段焊接的铸钢空心球管节点. 整个节点汇交 10 根杆件 , 为了使试验结果反映节点的真实受力状态 , 对节点的十个方向同时加载. 根据技术要求 , 节点各汇交杆件的试验荷载按设计内力的 1. 2倍考虑 . 试验荷载的施加逐级进行 ,在达到设计荷载之前 , 按设计荷载的 10 % 加载 10 级 , 设计荷载后 ,按设计荷载的 5 % 加至设计荷载的 1. 2 倍 . 试验时在节点的管球相交处、球面上布置三向应变测点108 个 , 其中管球汇交区域测点布置密集 ; 在各钢管上布置两处单向应变测点 , 靠近汇交区域的钢管上沿圆周均匀布置 8 个测点 , 远离汇交区域沿钢管圆周布置 4 个测点 , 单向应变测点总数为 125 个
 

由试验数据可知 , 各级荷载作用下 , 节点的应力分布呈现出区域性特点 , 较大的应力均发生在铸钢管与球的倒角处 , 远离倒角区域的各测点应力相对较小 , 即应力从连接端口向球心传递过程中出现高→低 →高 →低的变化趋势 ( 如图 5 所示) .当荷载等级达到设计荷载时 , 试验测点中的  Mises 应力为 278 MPa , 发生在杆端截面应力较大的 G7 杆与球的汇交区域 , 大部分测点的应力都在弹性范围之内 .试验测试中的大部分测点的 Von Mises 应力与理论计算值吻合良好 , 表 1 列出了部分测点在设计荷载作用下的实测值与计算值 . 个别测点的应力值与理论计算相差较大主要是由于实际铸钢件加工时产生的几何偏差和加工后存在的不可避免的焊接应力、残余应力以及加载过程中存在的荷载作用点与荷载值的偏差引起的 . 以上结果表明 , 有限元分析与试验测试的铸钢空心球管节点的应力分布规律基本相符 , 从而验证了上述铸钢空心球管节点有限元分析的正确性, 为今后对铸钢球管节点的理论分析选择合理的方法与计算模型提供了依据 .
 
   吴桥盈丰钢结构铸钢件制造有限公司（是目前国内专业铸造生产钢结构“铸钢节点”的大型企业，由1993年创建的华北机械工程铸钢有限公司扩产发展而来，目前，厂区面积30万平方米，固定资产3.6亿元，年产“铸钢节点”产品6万吨，生产的“节点”产品单件重量自十几公斤至160吨。多年来，公司坚持“诚信为本，    ”的宗旨，励精图治、开拓创新，不断引进国内外本行业  院校、设计院等单位的  技术，培育出了一支从“节点”图纸深化设计到铸造生产、检测的精良专业化团队。公司配备了国内外  的生产、检测设备。如：模拟浇注系统、CAM模型加工系统、模型辅助测量系统、50-100吨冶炼电弧炉、德国OBLF直读光谱、200-300T热处理炉、德国KK超声波探伤仪、磁粉探伤仪、拉伸、冲击试验机、大型抛丸、喷锌、数控机床加工设备等等，公司规模、产能及产品质量已跨入了全国“铸钢节点”生产的   。
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