鑄鋼節點枝狀空間鋼結構的研究與應用
深圳文化中心黃金樹為鑄鋼節點枝狀空間鋼結構,介紹了巨型復雜鑄件的設計與鑄造工藝,樹枝結構安裝 工藝及測控手段,復雜條件下異種鋼材的焊接。
鋼結構;空間結構;鑄鋼;節點;設計;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有對稱分布的樹型結 構的大前廳,樹型結構表面裝飾成黃金色,故稱黃金 樹。黃金樹按照樹的生長機理設計,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,為鑄鋼節點枝狀空間鋼結構(見圖1)。黃金 樹建筑高度達40m,2棵樹投影面積約3400m2 0匯交節
點共計67個,形 狀各異,節點伸出 的枝管數量為3~ 10個。鋼結構工 程量約1200t,主桿 件共計216根。復雜鑄鋼節點達
10個分枝、重達7.71U
鑄鋼節點
本工程的深化設計按國外做法由施工單位完 成,設計單位只進行審查。由于結構新穎獨特,尤其是 鑄鋼節點造型復雜、體積龐大,給節點的計算和受力分 析帶來困難。
鑄鋼節點具有不同性、多枝性、分枝多向性、體 積龐大、重量大等特點。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。
枝狀空間結構為不規則結構,規模
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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雜、龐大的體系。 安裝過程中的累計誤差控制難,相關節點的協調和修 正難。
枝狀空間結構焊接約束較多,焊接變形控制較 難,鑄鋼件體形復雜、現場焊接空間狹窄,而且鑄件與 鋼管對接為不同材質、不同壁厚的高空全位置焊接。
鑄鋼節點案例
黃金樹結構與鑄鋼節點造型的深化設計、節點鑄 造、結構安裝、測控與焊接等方面的綜合技術在國內尚 無先例可循,具有較大難度。
2.1巨型復雜鑄件的設計及驗算
通過對節點的大量計算 和分析,創造性地釆用半空 心半實心的節點形式(見圖 2),解決了鑄鋼節點的構造和受力難題。
材質 通過化學成分、力學性能比較,選用中 國牌ZG275485H代換原牌號(日本)SCW480焊接結 構用鑄鋼件。
模型建立 節點設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 點建立計算模型進行分析G節點分析與選擇實心節點極限承載力 為設計承載力的45倍左右,鑄造相對容易,但造成材 料的浪費,加大了節點的自重,同時難以解決一些焊接 技術問題,對整個黃金樹結構受力將產生不利的作用; 空心節點 模型壁厚取28mm時,極限承載力為設 計承載力的5.71倍,材料省,自重輕,但給鑄造帶來相 當大的困難;半實心節點節點管徑450mm或 350mm,壁厚40mm。極限承載力為設計承載力的15倍 左右,可以減輕節點自重,能解決節點焊接難度,同時 鑄造工藝可行;根據各類型節點受力狀況及鑄造、安 裝、焊接難度進行綜合考慮,選擇安全、經濟、合理可行 的半空心半實心節點。
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,經查詢資料和市場調研,傳統的木模、蠟模、金屬模 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用于汽車 制造業,模具的材料可以隨鋼水自然揮發消失,但用于 如此復雜的建筑還是次。經過改進,采用消失模 鑄造工藝。
模型制作將圖紙數據轉換成機床能夠識別 的數據格式,然后制作模型骨架,在骨架中心處的圓球 上打孔定位,然后將經特殊處理的桿件插入孔內,既保 證桿件空間位置的準確性,又控制了每根桿件的長度。 經修整后,形成模型骨架。
鑄造工藝 主要控制內容:采用透氣性好、 強度高、干燥快的醇基涂料;布設澆鑄系統;向砂 箱內通COz氣體,使砂型硬化,然后注入鋼水進行澆 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,使節點幾何形狀、外觀達到建筑設計要求,在 正式生產前,選取典型的429號節點,按照1 : 1的比例 進行模具制造試驗及澆鑄試驗。
鑄鋼節點-深圳機場
枝狀空間結構打破了傳統的橫平豎直的結構形 式,對現場安裝提出了較高的技術要求I枝狀空間結 構為不規則結構,節點鑄件形狀各異、外形復雜、體積 龐大。針對其形式和特點,制定了由下向上、由內及 夕卜、由主枝到次枝的空間定位安裝工藝:
在鑄鋼節點下方搭設節點安裝與校正專用固 定架與支撐架,吊裝節點至支撐架上,調校節點至設計 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。
鑄鋼節點枝狀空間鋼結構