近日，廣州大劇院被評(píng)為2013年度世界十大歌劇院。大劇院外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)，由精工鋼構(gòu)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。鑄鋼節(jié)點(diǎn)腔內(nèi)設(shè)置了復(fù)雜的構(gòu)造措施，這在國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)中尚不多見(jiàn)。部分尺寸和重量超限的節(jié)點(diǎn)將分段鑄造，這在國(guó)內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)工程中也是首次出現(xiàn)。

鑄鋼節(jié)點(diǎn)

整體安裝完成

1 工程概況

廣州大劇院（圖1）位于珠江新城中心區(qū)南部，為廣州的標(biāo)志性建筑。其占地4.2萬(wàn)m²，總建筑面積4.6萬(wàn)m²，包括1800座的大劇場(chǎng)、400座的多功能廳以及4000 m²的前廳和休息廳、地下停車(chē)場(chǎng)和其他輔助設(shè)施，工程總投資超過(guò)10億元。

大劇場(chǎng)和多功能廳二者的幾何外形呈石頭形狀，被形象地稱(chēng)為“雙礫”，又分別被稱(chēng)為“大石頭”和“小石頭”，其建筑寓意是宛如兩塊被珠江水沖刷過(guò)的靈石。“大石頭”的水平投影長(zhǎng)度和寬度分別是127m和125m，高度為43m；“小石頭”的水平投影長(zhǎng)度和寬度分別是87.6m和86.7m，高度為25m。

圖1大劇院效果圖

1.1 外圍護(hù)鋼結(jié)構(gòu)體系

大劇場(chǎng)和多功能廳的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)（圖2）采用空間組合折板式三向斜交網(wǎng)殼，結(jié)構(gòu)的整體幾何形狀為不規(guī)則多面體。大劇場(chǎng)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)有64個(gè)面和104條棱線(xiàn)，外表面積約為23180m²，最小和最大二面角分別為79°和177.5°；多功能廳外圍護(hù)結(jié)構(gòu)有37個(gè)面和54條棱線(xiàn)，外表面積約為9440m²，最小和最大二面角分別為43.9°和174.1°。

大劇場(chǎng)和多功能廳外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的每個(gè)面均為三角形或四邊形(圖3)， 將其邊做若干分段，在面內(nèi)連接形成三向網(wǎng)格，以邊作為主梁，內(nèi)部網(wǎng)格則采用次梁連接，主次梁均采用鋼箱梁。在大劇場(chǎng)和多功能廳的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)落地處設(shè)置收邊 環(huán)梁，其下設(shè)置球形支座，其中多數(shù)為固定鉸支座，支承主梁處的支座為可滑動(dòng)支座；在兩個(gè)鋼網(wǎng)殼的內(nèi)部于多面體頂點(diǎn)分別設(shè)置14個(gè)和4個(gè)支點(diǎn)，均采用可滑動(dòng)支座。

圖2外圍護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3外圍護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的一個(gè)典型面

1.2 大劇院鑄鋼節(jié)點(diǎn)

大劇場(chǎng)和多功能廳的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)。本工程共使用了69個(gè)鑄鋼節(jié)點(diǎn)，圖4給出了其中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)及其構(gòu)造特征。

本工程所使用的鑄鋼節(jié)點(diǎn)具有形狀復(fù)雜、多分肢、體積和重量巨大等特點(diǎn)；鑄鋼節(jié)點(diǎn)在承載時(shí)處于復(fù)雜受力狀態(tài)，為了保證其承載力，腔內(nèi)設(shè)置了復(fù)雜的構(gòu)造措施，這些在國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)中尚不多見(jiàn)。另外，本工程中共有23個(gè)鑄鋼節(jié)點(diǎn)由于尺寸和重量超限，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的鑄造生產(chǎn)水平和一般的運(yùn)輸方式都要求將其分段鑄造和熱處理，然后分別運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，這種情況首次出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)工程中。

圖4 兩個(gè)鑄鋼節(jié)點(diǎn)

2 鑄鋼節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)

2.1 鑄鋼節(jié)點(diǎn)分類(lèi)及設(shè)計(jì)難點(diǎn)

本工程鑄鋼節(jié)點(diǎn)可分為如下幾類(lèi)：(1)形狀復(fù)雜；(2)質(zhì)量巨大；(3)分肢較長(zhǎng)；(4)分肢眾多，某些鑄鋼節(jié)點(diǎn)甚至集多種特征于一體。圖5給出了四類(lèi)節(jié)點(diǎn)中最典型的節(jié)點(diǎn)：DZG27不僅肢管較多、長(zhǎng)度和截面尺寸不一，而且相互之間空間關(guān)系復(fù)雜；DZG20為最重的鑄鋼節(jié)點(diǎn)，其重量為39.55t；DZG3左肢和右肢最大長(zhǎng)度之和接近18m，兩個(gè)長(zhǎng)肢的夾角較??；DZG18共有10個(gè)分肢，長(zhǎng)度和截面尺寸各異，相互之間空間關(guān)系復(fù)雜，三個(gè)較長(zhǎng)肢管兩兩間夾角較小。

圖5四個(gè)典型的鑄鋼節(jié)點(diǎn)

本工程在深化設(shè)計(jì)時(shí)面臨的突出難題是鑄鋼節(jié)點(diǎn)的“找形”，即以光滑曲面實(shí)現(xiàn)各肢管的平滑連接。本工程采用SolidWorks三維建模。首先利用Tekla Structures建立的整體模型參數(shù)，根據(jù)倒角半徑，將各管肢端部保留一定長(zhǎng)度的平直段，而后利用造型曲面將各肢管進(jìn)行平滑連接，然后對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)增加實(shí)體特征（圖6）。本工程中鑄鋼節(jié)點(diǎn)多而不同，對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要進(jìn)行三維精確建模，工作量非常大。表1給出了各個(gè)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的重量及匯總數(shù)據(jù)。

圖6 在SolidWorks對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維實(shí)體建模

表1 鑄鋼節(jié)點(diǎn)重量明細(xì)表(t)

大石頭(大劇場(chǎng))鑄鋼件						小石頭(多功能廳)鑄鋼件
DZG1	16.26	DZG17	19.40	DZG33	26.47	XZG1	10.73	XZG12	17.87
DZG2	16.16	DZG18	36.97	DZG37	23.48	XZG2	5.85	XZG13	7.10
DZG3	35.56	DZG19	12.92	DZG38	19.18	XZG3	7.11	XZG14	9.84
DZG4	24.29	DZG20	39.55	DZG34	21.23	XZG4	13.47	XZG15	9.10
DZG5	9.81	DZG21	13.09	DZG35	12.60	XZG5	11.26	XZG16	26.96
DZG6	12.86	DZG22	15.25	DZG36	14.36	XZG6	18.94	XZG17	5.08
DZG7	19.51	DZG23	16.07	DZG39	13.17	XZG7	21.21	XZG18	16.10
DZG8	13.34	DZG24	6.74	DZG40	5.19	XZG8	24.04	XZG19	10.04
DZG9	16.04	DZG25	10.57	DZG41	20.06	XZG9	14.77	XZG22	11.53
DZG10	9.51	DZG26	29.88	DZG50	12.23	XZG10	10.36	XZG25	16.46
DZG11	18.37	DZG27	36.39	DZG52	8.18	XZG11	11.08
DZG12	14.23	DZG28	12.09	DZG53	8.66	數(shù)據(jù)匯總
DZG13	20.62	DZG29	8.28	DZG54	20.21		個(gè)數(shù)	總重	均重
DZG14	7.96	DZG30	8.59	DZG55	12.54	大石頭	48	806.31	16.80
DZG15	17.18	DZG31	12.73	DZG56	8.30	小石頭	21	278.89	13.28
DZG16	24.41	DZG32	11.92	DZG57	13.89	總計(jì)	69	1085.2	15.73

 

2.2 深化設(shè)計(jì)主要技術(shù)要點(diǎn)

2.2.1壁厚的確定

由于滿(mǎn)足受力要求的中心區(qū)壁厚一般較大，中心區(qū)壁厚一般由受力要求確定。肢管壁厚的確定原則是梁與肢管的連接為等強(qiáng)連接，同時(shí)肢管壁厚應(yīng)足夠大。為避免壁厚突變引起應(yīng)力集中，讓肢管的壁厚呈線(xiàn)性變化，即由端口至鼓形體壁厚平滑過(guò)渡。見(jiàn)圖7。

圖7鑄鋼節(jié)點(diǎn)壁厚的確定

2.2.2 加勁肋的布置

鑄鋼節(jié)點(diǎn)腔內(nèi)加勁肋布置原則如下：

（1）節(jié)點(diǎn)中心區(qū)的加勁肋一般沿節(jié)點(diǎn)的最長(zhǎng)方向布置，其厚度一般與中心區(qū)翼緣厚度相同；若中心區(qū)面積過(guò)大，一道加勁肋不足以保證節(jié)點(diǎn)的承載力，則沿相同方向布置相同壁厚的加勁肋 (圖8)。

（2）在距每個(gè)管口50mm的距離都設(shè)置一道工藝加勁肋；若肢管長(zhǎng)度較長(zhǎng)，則布置若干道工藝加勁肋，其距離根據(jù)計(jì)算和鑄造工藝確定(圖9)。

（3）在各肢管與中心區(qū)連接的過(guò)渡區(qū)域設(shè)置一道加勁肋，其形式和尺寸一般與工藝加勁肋相同(圖9)。

（4）若肢管較長(zhǎng)，應(yīng)布置若干道受力加勁肋，其位置、間距、形式和尺寸需要根據(jù)有限元分析和構(gòu)造要求確定。

（5）所有加勁肋必須開(kāi)洞，即加勁肋一般為環(huán)形。

(a) DZG2中心區(qū)加勁肋的設(shè)置

(b) DZG10中心區(qū)加勁肋的設(shè)置

圖8鑄鋼節(jié)點(diǎn)中心區(qū)加勁肋的設(shè)置

圖9DZG2的肢管B的加勁肋的設(shè)置

2.2.3重量和尺寸超限的鑄鋼節(jié)點(diǎn)的分段和對(duì)接

本工程中1/3的鑄鋼節(jié)點(diǎn)尺寸和重量過(guò)大，受到國(guó)內(nèi)現(xiàn)有超大鑄鋼節(jié)點(diǎn)鑄造水平和一般熱處理爐容量的限制，需要將其分段鑄造和熱處理。四個(gè)典型鑄鋼節(jié)點(diǎn)的分段如圖10所示。

圖10四個(gè)典型節(jié)點(diǎn)的分段

不同于一般構(gòu)件的對(duì)接，鑄鋼節(jié)點(diǎn)分段的端口一般為非規(guī)則形狀，而且往往為斜切而成(圖11)，焊接坡口的形式、尺寸和位置對(duì)于分段的順利對(duì)接有非常重要的影響。從圖12可以看到，當(dāng)兩分段為斜切而成時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生了一部分坡口，端口上需要另外再開(kāi)坡口的位置為另一分段自然坡口的相對(duì)位置、垂直于切面的位置以及需要進(jìn)一步加工的自然坡口。當(dāng)端口為“H”型或“□”型等簡(jiǎn)單形狀時(shí)，很容易判斷出需要開(kāi)坡口的位置；然而，當(dāng)端口為非規(guī)則形狀時(shí)，需要將端口對(duì)正后固定好兩分段，然后標(biāo)記出需要開(kāi)坡口的位置，這樣才能開(kāi)坡口。本工程焊接坡口的形式和尺寸參照?qǐng)D13所示的做法。為方便分段的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接，要求在兩端口的相對(duì)位置焊接耳板。

圖11 XZG8的一段的端口

圖12斜接坡口示意圖

圖13鑄鋼件分段的焊接坡口

 

2.3 典型節(jié)點(diǎn)DZG31的深化設(shè)計(jì)

2.3.1 DZG31的截面尺寸及構(gòu)造

如圖14所示，DZG31共有9個(gè)肢管，其中A~H和梁連接，P和支座連接，A~H為箱形管，P為錐形管；相鄰肢管之間用倒角連接，肢管的上下翼緣采用鼓形體連接，各肢管的內(nèi)部都設(shè)置加勁肋以提高節(jié)點(diǎn)的剛度。表2為各肢管端口尺寸及中心區(qū)板厚。圖15為DZG31的節(jié)點(diǎn)參數(shù)及部分端口剖面圖。

圖14 DZG31的3D模型及肢管編號(hào)

 

表2 各肢管端口尺寸及鼓形體厚度

圖15 DZG31的節(jié)點(diǎn)參數(shù)及部分端口剖面圖

2.3.2 DZG31有限元分析

將肢管A~H固定，在肢管P的底面施加17.638MPa的均勻壓力，肢管P承受的總壓力為10000kN，大約為1.3倍的設(shè)計(jì)荷載。計(jì)算時(shí)采用完全彈性假定。采用SolidWorks作為建模工具，ANSYS WorkBench作為分析工具。有限元模型見(jiàn)圖16。

 

圖16有限元模型

如圖17所示，DJD31的變形很小，最大位移僅為1.67mm，因此該節(jié)點(diǎn)具備很大的剛度；如圖18所示，鑄鋼節(jié)點(diǎn)的最大等效應(yīng)力為213MPa，未超出屈服強(qiáng)度，最大應(yīng)力發(fā)生的位置是肢管B靠近端口的加勁肋的角部。

 

圖17 位移云圖

 

圖18 von Mises應(yīng)力云圖

3 鑄鋼節(jié)點(diǎn)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及鑄造生產(chǎn)

3.1 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

目前，國(guó)內(nèi)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的制作和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有跟上鋼結(jié)構(gòu)工程的發(fā)展，如果執(zhí)行國(guó)內(nèi)現(xiàn)行鑄鋼件的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，將不能保證獲得具有較高外在和內(nèi)部質(zhì)量以及良好焊接性能的鑄鋼節(jié)點(diǎn)。因此，需要在綜合國(guó)內(nèi)外鑄鋼節(jié)點(diǎn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上針對(duì)本工程制定鑄鋼節(jié)點(diǎn)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

精工鋼構(gòu)針對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的材質(zhì)、化學(xué)成分、機(jī)械性能、尺寸偏差和內(nèi)部缺陷等向鑄造廠(chǎng)家提出具體的技術(shù)要求，并負(fù)責(zé)制定檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 鑄鋼節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)

本工程鑄鋼節(jié)點(diǎn)在生產(chǎn)過(guò)程中的難點(diǎn)和重點(diǎn)為：1）模型制作及造型；2）鑄造變形和缺陷控制；3）超長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的鑄造。超長(zhǎng)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)方法可以概況為整模制作和剖分分模造型分段鑄造分別熱處理搭架試對(duì)接（圖19）。

圖19 超長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的試對(duì)接

鑄鋼節(jié)點(diǎn)的鑄造方法：將液態(tài)合金注入鑄型，待其冷卻凝固后，就可以獲得鑄鋼件毛坯，毛坯經(jīng)過(guò)一系列的處理便可以得到滿(mǎn)足使用要求的最終產(chǎn)品（圖20）。

(a) 未打磨的鑄鋼節(jié)點(diǎn)

 

(b) 成品鑄鋼節(jié)點(diǎn)

圖20 鑄鋼節(jié)點(diǎn)

 

本工程所采用的模型為木模和消失模（圖21）。 木模是形成鑄型型腔的主要工藝裝備，其整體實(shí)樣采用干燥的紅松材料制作，表明刷涂聚胺酯油漆。對(duì)于消失模，要求將其密度控制在一定范圍內(nèi)，以控制發(fā)氣量， 防止鑄件產(chǎn)生氣孔；由于模型較為復(fù)雜，需要分塊制造，而后粘結(jié)成整體模型。模型制作前要求采用計(jì)算機(jī)建模，以確保放樣精度，模型制作完畢須經(jīng)檢驗(yàn)合格方可 進(jìn)行造型。

(a) 木模模型

(b) 消失模模型

圖21 節(jié)點(diǎn)模型

鑄鋼節(jié)點(diǎn)常用的鑄造方法有砂型鑄造（圖22）和消失模鑄造。在大劇院工程中，上述兩種方法均有采用。采用砂型鑄造時(shí)，模型制作難度較大，而且造型繁瑣，費(fèi)工時(shí)較多；采用消失模鑄造時(shí)，由于模型強(qiáng)度和剛度較低，需要控制好其變形，否則會(huì)極大影響鑄鋼件的尺寸精度。

 

圖22 砂型造型

鑄件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)方法為超聲波探傷和磁粉探傷（圖23）。磁粉探傷用于檢查鑄件表面或接近表面的裂紋，以及夾渣和孔洞等缺陷，超聲波探傷則用于檢查各種厚度鑄件內(nèi)部的裂紋和夾渣等缺陷。

(a) 超聲波探傷

(b) 磁粉探傷

圖23 鑄鋼節(jié)點(diǎn)的無(wú)損探傷

 

4 力學(xué)性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

以DZG6鑄鋼節(jié)點(diǎn)（圖24）的試驗(yàn)進(jìn)行說(shuō)明。固定A~G，對(duì)P施加豎直向上的荷載，試驗(yàn)的加載方法如圖25所示。測(cè)量的主要內(nèi)容包括：1）位移測(cè)點(diǎn)各級(jí)荷載作用下的撓度；2）應(yīng)變測(cè)點(diǎn)在各級(jí)荷載作用下的應(yīng)變。

(a)DZG6實(shí)物照片

(b) DZG6肢管編號(hào)圖

圖24 DZG6及肢管編號(hào)

圖25 加載架示意圖

加載儀器是12000kN液壓千斤頂，由千斤頂、高壓油管、油泵、壓力傳感器、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀等組成加載-測(cè)試系統(tǒng)。加載架為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由基座和七個(gè)立柱組成，基座承受肢管P對(duì)液壓千斤頂?shù)姆戳?，七個(gè)立柱分別固定DZG6的七個(gè)肢管。加載曲線(xiàn)見(jiàn)圖26。

圖26 加載曲線(xiàn)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)得到的典型荷載-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖27，28所示。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析可以發(fā)現(xiàn)：1）鑄鋼節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)處于彈性范圍；2）鑄鋼節(jié)點(diǎn)具有很大的剛度；3）中心區(qū)加勁肋的設(shè)置和采用較大的壁厚有效降低了鼓型體的應(yīng)力水平；4）鑄鋼節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力呈區(qū)域性性分布的特點(diǎn)，從端口到鼓型體應(yīng)力的變化趨勢(shì)是“低→高→低”； 5）從肢管到鼓型體，力流沿一定方向擴(kuò)散，減少了應(yīng)力集中。

圖27肢管A翼緣的應(yīng)變

圖28 肢管C與鼓形體相貫處的應(yīng)變