铸钢节点的抗疲劳优化设计
现代工程结构跨度大、造型复杂、形式多样,对连接节点要求更加严格。相比于传统的节点连接方式,铸钢节点凭借着良好的力学性能、造型灵活、施工方便等优点,逐渐广泛的应用于国内外的建筑工程中。近年来,工程设计人员以及相关学者认识到铸钢节点的最大优点在于对结构抗疲劳性能的改善,并越来越多的应用于疲劳问题突出的结构。铸钢节点的疲劳性能分为铸钢材料的疲劳性能和环形对接焊缝的疲劳性能两部分,铸钢材料的疲劳性能优于焊缝的疲劳性能,环形对接焊缝的疲劳性能在节点整体疲劳性能中起控制作用。相比于传统的节点连接方式,铸钢节点虽有众多优点,但铸钢材料不可避免的会产生缺陷,由于对其带缺陷疲劳性能研究不足,和相关环形对接焊缝的疲劳性能数据缺乏,工程设计中多采用放大安全系数的设计方法。因而,现有铸钢节点的设计方法比较保守,其疲劳性能,尤其是铸钢材料部分的疲劳性能存在着较大的冗余,造成节点自重大,浪费材料,增加建造成本。
铸造缺陷对于用铸钢节点的钢结构力学性能影响
铸钢节点外形美观、造型灵活、过渡光滑,各支管角度可按需选取,对各种复杂形状适应性好,且铸钢节点采用一次性浇注完成,节点整体性能优良,所以特别适用于三维应力状态下节点和支点等联接部位,近年来在工程中得到了广泛的推广和应用。受铸造工艺水平的限制及环境因素的影响,铸钢节点经常会存在诸如裂纹、粘砂、缩松、气孔等内部或外部缺陷,缺陷的存在会在一定程度上对铸钢节点乃至整体结构的力学性能造成影响。当前对于铸钢节点的研究,考虑铸造缺陷的还很少。此外,当前对铸钢件进行质量评定时,关注的是铸钢件上缺陷最为严重的局部区域,而对于铸钢件上分布的其他缺陷缺乏必要的关注。此种“以局部考量整体”的评定方法是不全面的,可能会给铸钢节点乃至整体结构力学性能的计算和判断带来偏差。本文以一含铸钢节点的桥梁桁架结构为工程背景,采用数值模拟的方法,探讨了铸造缺陷的存在对于铸钢节点及整体桁架结构力学性能的影响,并对现行铸钢件质量评级方法的局限性进行了研究,提出了相关建议。
伴随我国经济的发展和科学技术水平的进步，人们开始追求更大的空间。随着结构形式日益复杂，这就对建筑物受力最为复杂的节点提出了更高的要求。铸钢节点以其节点刚度大、承载力高、疲劳性能、耐腐蚀性能、抗震性能较好等优点，已成为近年来应用较为广泛的新型节点形式之一，越来越受到工程师的青睐。我国是地震高发的国家，近年来由于地震频发，暴露出各类建筑对于抗震设计的种种不足，给人们的生命财产安全造成无法估量的损失，所以对于地震作用下建筑物抗震能力的研究刻不容缓。本文利用ANSYS有限元软件对焊接连接的半刚性铸钢节点进行了三维有限元模拟，为空间网格结构铸钢节点抗震性能研究奠定理论基础。本文首先对铸钢节点在国内外的应用以及发展现状进行论述；对国内外现有铸钢节点抗震性能研究现状进行分析，指出目前研究的不足；并对空间网格结构铸钢节点抗震性能进行研究。其次，采用ANSYS有限元软件分析了铸钢件连接节点的静力性能和滞回性能，总结了铸钢件厚度、铸钢管件交汇处倒角钢管结构因其具有轻巧美观,用钢量省等优点,在我国得到了迅速的发展,应用范围也愈来愈广。铸钢节点在现代大跨钢管结构中表现出了造型美观、可塑性强、受力安全合理等优点,正在逐渐被工程设计人员应用于工程实际之中。沈阳文化艺术中心工程工程薄壳钢结构共有64个三角形面,每个面的夹角不同,每个面又分为16个小三角形,总用钢量为11000吨,属于大跨度非常规无序空间薄壳钢结构体系。结构体系中的铸钢节点单件重量达最高达105吨,在国内尚属首次采用,是目前国内铸钢节点在建筑工程应用过程中单件重量最重的,而且体形相当复杂,总共有多达8个分枝,且每个分枝之间的夹角也是相当小,最大口径达1430mmm、最大外形尺寸为11.72x5.06x3.14m,属超大型钢构节点。下部混凝土结构总建筑面积约8.5万平方米,拥有一座1800座的中央剧场、一座1200座的音乐厅和一座500座的多功能厅地上七层,地下一层。从结构形式上看也是高度不规则的复杂结构。
