網架結構已經在建筑工程領域廣泛應用，而傳遞網架結構內力的關鍵部位之一就是鑄鋼節點，滿足網架節點的受力要求是保證網架結構的必要條件。重慶江北機場新建航站樓實體網架工程中的空間鑄鋼節點不僅空間造型各異，而且受力情況相對復雜，為此，對此網架節點進行力學性能分析。首先通過ANSYS有限元軟件分析了節點區域在設計荷載作用下應力分布情況以及變形量，判斷其能否滿足實際工程設計要求；其次通過試驗分級加載得到荷載-位移曲線和此時的應力及變形云圖；然后進一步研究了節點破環時的一些特征；后對此類異形鑄鋼節點使用及施工過程提出優化建議。

關鍵詞：鑄鋼節點；有限元分析；結構；試驗DOI:10.13206/j.gjg201606010

網架結構已在建筑工程中廣泛應用，許多大跨度、大體量、平面復雜、體型新穎的異型殼體等大型公共建筑相繼出現。重慶江北國際機場新建T3A航站樓同樣采用了正交正放四角錐鋼桁架，網格主要平面投影尺寸為6mx6m，網架高度為4~6m。其平面沿南北向設置了4道天窗帶，天窗帶兩側屋蓋有1~4.3m高差，建筑造型要求屋蓋下表面也形成相應高差，天窗處采用立體桁架結構，桁架節點采用大量的鑄鋼節點。由于網架天窗部位部分鑄鋼節點構造為復雜，端口較多，受力較大，對其進行有限元分析是保證該工程順利進行的必要條件。

為了使工作更具代表性，所選取的鑄鋼節點都是位置比較典型，受荷相對較大的節點，只要選取的節點能夠滿足強度要求，其他鑄鋼節點承載力亦沒有問題。網架上鑄鋼節點的選取位置見圖1。

1網架結構鑄鋼節點的應用現狀及特點

隨著空間結構的不斷發展，結構的跨度越來越大，結構形式日趨多樣，結構中構件間節點的連接方式和力學性能亦日趨復雜，而節點構造是否合理，對結構的受力性能、施工工藝、工程造價都有相當大的影響。目前，傳統的焊接球節點、鋼管相貫節點等節點形式難以在構造及制作工藝上滿足要求，因此，具有良好適用性的鑄鋼節點受到工程界的青睞。鑄鋼節點可以避免或降低構件相接處的應力集中程度，具有節點設計自由度大、外形美觀等特點。

在國外，鑄鋼節點已有很多成功應用的實例，如日本名古屋體育館的單層球面網殼，采用了帶加勁肋的圓柱狀鑄鋼節點；德國斯圖加特機場航站樓的主體結構為樹狀仿生結構，其“主干”與“支干”的連接部位全部采用了鑄鋼相貫節點。國內一些工程也大量使用鑄鋼節點，如上海新國際博覽中心、鄭州國際會展中心、天津奧林匹克體育中心等。

重慶T3A航站樓所采用的鑄鋼節點就是將鑄鋼材料通過鑄型而成的一種節點，將鋼結構構件、部件或板件連接成一整體。該節點較以往其他工程使用的鑄鋼節點受力更為復雜、造型更為迥異。相比于傳統焊接節點，重慶江北機場新建T3A航站樓所用的鑄鋼節點具有如下特點：

1)鑄鋼節點在工廠內整體澆鑄，在局部高應力區形成圓角和圓滑過渡的截面，不僅可免去相貫線切割及重疊焊縫焊接引起的應力集中，將應力集中系數降低到原來的40%，而且具有美觀的流線型外形。2）節點設計自由度大，可根據建筑外形、受力狀況、澆鑄工藝等設計出合理的截面形狀，以改善節點的應力分布狀況。3）節點整體澆鑄而成，壁厚一般大于相鄰構件，節點剛度大且整體性好。4）疲勞性能、耐腐蝕性能、抗震性能均好。

鑄鋼件選用CECS235:2008《鑄鋼節點應用技術規程》的G20Mn5高強度低合金材質，鑄鋼件通過熱處理不僅有較高的強度和韌性，且焊接性能良好，有利于現場的施工和焊接。詳細的力學性能見表1。

由于鑄鋼節點數量較多，本分析選取了網架中部分受力較大的上弦或下弦節點為分析對象，分析內容基本可以覆蓋其他節點受力情況，所選取的鑄鋼節點形式見圖2。

2有限元分析

2.1有限元模型

由于T3A航站樓中的鑄鋼節點體型復雜，直接在ANSYS中建模很困難，所以首先采用SolidWorks進行有限元實體模型的建立，根據鑄鋼件實際尺寸采用1：1進行模型建立，然后導入ANSYS進行分析，鑄鋼節點為剛性節點，因此要選有節點轉動的實體單元，采用三維實體單元對幾何模型進行網格劃分，每個單元有10個結點（4個角點和6個中間結點），每個結點有6個自由度，采用局部加密的自適應法劃分節點計算模型的網格。

2.2荷載及邊界條件

分析中鑄鋼假定為理想的彈塑性材料，材料的彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，屈服強度為360MPa，進行彈塑性分析時，采用vonMises屈服準則及相關的流動法則。由于鑄鋼球管節點的壁比較厚，為提高計算精度，網格劃分控制單元尺寸為25mm。根據MST2011求出的各個桿件的軸力，鑄鋼節點各個桿件的內力是平衡的，為了使結果反映節點的真實受力狀態，邊界條件為節點在某一工況下桿件軸力、彎矩及剪力反向施加與該節點上。

2.3有限元計算分析

根據重慶T3A整體網架的計算模型，用軟件MST計算得出各鑄鋼節點在不利工況組合下的各桿端內力，該內力即為有限元分析中所施加給節點的荷載。整體網架工況種類共有157種，限于篇幅，只考慮不利的4種工況，以鑄鋼節點ZGJ-6為例，只需考慮以下4種不利工況：工況2，即荷載組合為“1.2靜+1.4活”；工況27，即“1.2靜+1.4活+0.84風”，工況74，即“1.2靜+1.4活+0.84風+0.84溫(+40℃)”；工況94，即“1.2靜+1.4風+0.84溫(+40℃)”。這4種工況的分析荷載可以覆蓋其他所有工況的受力情況，由于本次測試的鑄鋼節點是典型的空間三維結構，節點在荷載作用下的性是以節點的應力低于其設計強度為標準。為此，根據上述4種工況下所受荷載大小，采用通用有限元程序ANSYS模擬鑄鋼節點在上述工況下所產生的應力、應變、變形，并以此作為評價鑄鋼節點性的依據。

根據設計荷載進行線彈性靜力分析，對具體的6個鑄鋼節點ZGJ-1、ZGJ-2、ZGJ-3、ZGJ-4、ZGJ-5、ZGJ-6（圖2）全部進行有限元分析，選取典型的鑄鋼節點ZGJ-6計算后得到變形圖、von-Mises應力云圖如圖3-圖6所示。

從以上結果可知，ZGJ-6在4種工況下應力為180.01MPa，小于的屈服應力360MPa。

節點ZGJ-3在工況2下的應力為273.98MPa，是鑄鋼節點在所有工況下的應力，小于的屈服應力360MPa，滿足設計要求。

2.4彈塑性極限承載性能分析

鑄鋼節點彈塑性極限承載力分析時，材料的本構關系采用理想彈塑性模型，限于篇幅，本節僅給出荷載步的vonMises應力云圖。

當荷載值為2倍設計荷載時，節點有部分區域進入塑性區，應力發生在支管與主管交匯的部位，其vonMises應力云圖如圖7所示。

3試驗對比

為了確保計算結果的準確性，選取鑄鋼件節點ZGJ-6進行了實體足尺試驗（圖8），探究在指定工況2作用下的受力性能，對此節點進行軸向拉壓試驗，檢驗其承載能力水平是否滿足設計要求。本次試驗采用與實際工程中相同截面的支管，并采用相同的連接方式與鑄鋼件節點進行對接。