CN102312486A - 大型铸钢节点及在超高层建筑结构中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型铸钢节点，特点是该铸钢节点为轴心设有椭圆孔的矩形柱体，柱体的两端面上设有凸起的方框，柱体的四个侧面上分别设有至少一个凸台或连接臂。上述铸钢节点在超高层建筑结构中的应用，特点是该铸钢节点设于高层建筑结构中内筒柱与连梁、剪力墙内钢板或伸臂桁架的交点上，铸钢节点两端面与内筒柱连接，铸钢节点侧面的凸台或连接臂与连梁、剪力墙内钢板或伸臂桁架连接。本发明通过对节点结构的改变，缓解了节点残余应力的叠加作用，减小了作用于节点的应力峰值，避免了铸钢件本体的撕裂现象，选用适合的焊接材料与焊接工艺，使厚壁铸钢节点在超高层建筑结构中的应用得以实现。
Description
技术领域
本发明涉及建筑钢结构技术领域的铸钢节点，尤其是一种大型铸钢节点及在超高层建筑结构中的应用。
背景技术
在超高层建筑结构中，钢结构框架是结构的主体，框架中的节点是承受结构荷载的关键点，对于超高层建筑结构中，尤其是框架核心筒内筒柱与伸臂桁架及巨型斜撑桁架连接的节点，即该节点分别与伸臂桁架、巨型斜撑桁架、剪力墙内钢板及连梁连接，由于该节点受力复杂，经综合评定，采用铸钢节点，目前存在的问题是：
a）铸钢节点处为多杆件交汇，与之连接的杆件均为厚壁构件，其中伸臂桁架弦杆钢材最大厚度为130mm，材质为低合金高强钢Q420GJC，存在焊接熔敷量大，焊接残余应力大的问题；
b）铸钢节点是铸钢件，自身匀质性差，晶体结构较轧制钢板疏松，铸钢件壁厚方向受力较弱，不能用轧制钢板厚度方向的性能指标与其比对；
c）厚度60～130mm的钢板焊接于铸钢节点的侧面上，将会产生较大的焊接收缩应力，增大了铸钢节点壁厚方向层状撕裂可能性；
d）铸钢件晶粒粗大，杂质多，存在缩松和气孔，在高的热应力作用情况下可能导致铸钢件内部热裂纹；电弧燃烧过程中内部气体的分解，增加了熔池中气体的成分，易产生气孔；若焊接材料、焊接工艺不当，还容易产生冷裂纹。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种大型铸钢节点及在超高层建筑结构中的应用，本发明通过对节点结构的改变，缓解了节点残余应力的叠加作用，减小了作用于节点的应力峰值，避免了铸钢件本体的撕裂现象，选用适合的焊接材料与焊接工艺，使厚壁铸钢节点在超高层建筑结构中的应用得以实现。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种大型铸钢节点，特点是该铸钢节点为轴心设有椭圆孔的矩形柱体，柱体的两端面上设有凸起的方框，柱体的四个侧面上分别设有至少一个凸台或连接臂，所述凸台或连接臂与柱体侧面之间为圆弧过渡。
上述大型铸钢节点在超高层建筑结构中的应用，特点是该铸钢节点设于高层建筑结构中内筒柱与连梁、剪力墙内钢板或伸臂桁架的交点上，铸钢节点两端面上的方框与内筒柱连接，铸钢节点侧面的凸台或连接臂与连梁、剪力墙内钢板或伸臂桁架连接。
所述凸台或连接臂沿凸起方向截面的变化率在100﹪～80﹪之间。
本发明通过对节点结构的改变，缓解了节点残余应力的叠加作用，减小了作用于节点的应力峰值，避免了铸钢件本体的撕裂现象，选用适合的焊接材料与焊接工艺，使厚壁铸钢节点在超高层建筑结构中的应用得以实现。
附图说明
图1为本发明铸钢节点的结构示意图；
图2为本发明铸钢节点与连接构件焊接的结构示意图；
图3为本发明铸钢节点的使用状态示意图。
图4为本发明凸台或连接臂与剪力墙内钢板或伸臂桁架接头的结构示意图；
图5为本发明凸台或连接臂与连梁接头的结构示意图。
具体实施方式
参阅图1，本发明铸钢节点1为轴心设有椭圆孔2的矩形柱体，柱体的两端面上设有凸起的方框7，柱体的四个侧面上分别设有至少一个凸起的凸台3或连接臂4，凸台3或连接臂4与柱体的侧面之间设有过渡圆弧5。
参阅图2及图3，本发明铸钢节点1设于高层建筑结构中内筒柱6与连梁12、剪力墙内钢板13或伸臂桁架14的交点上，所述铸钢节点1两端面的方框7与内筒柱6的上、下端连接，凸台3或连接臂4与连梁12、剪力墙内钢板13或伸臂桁架14连接。
参阅图1，所述铸钢节点1侧面的凸台3或连接臂4沿凸起的方向截面的变化率在100﹪～80﹪之间。
实施例
本实施例结合正在建造的深圳京基蔡屋围金融中心工程，对大型铸钢节点1在超高层建筑结构中的应用进一步说明，工程占地面积达4.6万平方米，地下四层，地上98层，结构总高度达446米；沿高度方向设有4个加强层，其中37～38层、55～59层加强层核心筒内筒柱6与桁架连接的节点采用铸钢节点1，铸钢节点1设于高层建筑结构中核心筒内筒柱6与连梁12、剪力墙内钢板13和伸臂桁架14的交点处，铸钢节点1设于内筒柱6上，铸钢节点1上下两端面的方框7均与内筒柱6连接，凸台3分别连接连梁12、剪力墙内钢板13或伸臂桁架14，连接臂4连接连梁12和伸臂桁架14，伸臂桁架14连接外框巨型柱11。
本发明铸钢节点1的结构为轴心设有椭圆孔2的矩形柱体，柱体的两端面上设有凸起的方框7，柱体的四个侧面上分别设有一个或两个凸起的凸台3或连接臂4，所述凸台3或连接臂4与柱体的侧面之间设有过渡圆弧5；铸钢节点1的凸台3或连接臂4与其他连接构件焊接时，焊缝采用对接全熔透焊缝；铸钢节点1通过其上的凸台3或连接臂4与厚板连接构件焊接，避免了铸钢节点1的壁厚直接与厚板连接构件呈“T”形状态的连接；在凸台3或连接臂4的构造上，控制凸台3或连接臂4截面的变化率，凸台3或连接臂4沿凸起方向截面的变化率在100﹪～80﹪之间；清除铸钢节点1上的尖角，未注明铸造圆角为R10～20mm，利于气体的排出。
铸钢节点1材质选用G20Mn5QT，按《铸钢节点应用技术规程》CECS235：2008标准要求进行控制，主要性能指标：
屈服强度Rp0.2≥300MPa；
抗拉强度Rm=500-650MPa；
延伸率A≥22%，冲击功AKV（20℃）≥60。
铸钢节点1化学成分满足表一规定：
表一
附图中的连梁12、剪力墙内钢板13或伸臂桁架14均为连接构件，当连接构件与铸钢节点1的连接臂4或凸台3焊接时，由于连接构件与连接臂4或凸台3间的熔敷量大，产生的焊接应力大，为防止焊接变形和可能导致的裂纹，采用如下焊接工艺：
为确保铸钢节点1的焊接质量，焊接之前对铸钢节点1的凸台3和连接臂4周边150mm区域内进行母材的超声波检测，检测标准为：GB7233-87《铸钢件超声波探伤及质量评级方法》，质量等级为II级；
对过渡圆弧5、凸台3与凸台3交接部分或凸台3与连接臂4交接部分，按GB9444采用磁粉表面探伤，II级合格。
焊接方法，采用埋弧自动焊焊接或实芯焊丝CO2气体保护焊焊接；按《铸钢节点应用技术规程》CECS 235：2008标准规定，铸钢节点1与连接构件母材碳当量基本相同时，按连接构件母材相同技术要求选择焊材；连接构件母材为： Q345B、Q345GJC；铸钢节点1母材为：G20Mn5QT；焊材选用H10Mn2/SJ101或ER50-G；
当连接构件母材为：Q420GJC；铸钢节点1母材为：G20Mn5QT；设计选用焊材为：H10Mn2A/SJ101；
受力计算按连接构件钢板的截面积计算，选用焊材应满足Q420GJC机械性能要求。
焊接模拟试验及工艺评定
参阅图4、图5，铸钢节点1与连接构件正式施焊前需进行焊接模拟试验，初步确定焊接接头的焊接变形量，根据变形偏差值，调整施焊焊接顺序；
根据《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）要求，考虑焊接方法及焊接位置，进行以下铸钢节点1焊接的工艺评定；
见表二；
为减小熔合比，减小铸钢节点1母材的粗晶杂质向焊缝区过渡，铸钢节点1的凸台3和连接臂4上不开坡口；
控制铸钢节点1母材的预热温度为150～200℃，沿焊缝中心两侧各100mm范围以内进行均匀加热，当预热温度达到预定值后，保温20～30分钟，温度的测试须在离连接构件坡口80～100mm处进行，采用远红外测温仪测试；层间温度大于最低预热温度，最高不超过250℃；
控制焊接材料在储存、烘焙、发放过程的环境，避免焊接材料受潮，造成焊缝中氢含量增加；
在满足焊缝根部焊道尺寸的情况下，选择适中的焊接线能量进行焊接，避免受热条件不足及散热较快而产生焊道裂纹，加强对跟部焊道检验，确认无缺陷后，方可进行填充焊道和盖面焊道的焊接，填充焊道和盖面焊道亦选用合格规范中较小的焊接线能量、多层、多道焊接工艺措施，特别是连接构件坡口边靠近铸钢节点1时，尽可能选稍小焊接线能量焊接，焊接工艺参数见表三；
| 焊材 | 规格 | 电流 | 电压 | 焊接速度 | 焊接线能量 |
| ER50-G | Φ1.2mm | 260~300A | 28~32V | 30~40cm/min | 10.9~19.2KJ/ cm |
| H10Mn2/SJ101 | Φ4.8mm | 550~650A | 28~33V | 35~45 cm/min | 20.5~36.8KJ/ cm |
| H10Mn2A/SJ101 | Φ4.8mm | 550~650A | 28~33V | 33~45 cm/min | 20.5~36.8KJ/ cm |
焊后进行后热保温处理，在焊缝两侧各100mm处全方位均匀加热，加热方式采用电脑温控电加热或火焰加热；后热温度应为200～300℃，温度测量距焊缝中心线50mm处进行，温度达到后不少于两层石棉布紧裹并用扎丝捆紧，保温时间不少于2小时，待自然冷却达到环境温度后方能拆出石棉布；
采用磁粉（MT）探伤方法检查焊缝及焊缝周围是否存在焊接裂纹。
焊接中，首先保证焊接接头的质量外，还要重点控制焊接变形，从根本上减小焊接拘束，保证焊接应力释放自由，防止应力约束过大，导致节点连接部位尺寸偏差；
本发明剪力墙内钢板13、伸臂桁架14与铸钢节点1的焊缝均为厚板焊接，焊缝加强高较大，焊接时，注意焊缝外观成型，焊缝表面略凹，且与母材表面宜平滑过度，以减小焊趾部位应力集中；
焊缝由两名焊工同时对称施焊，伸臂桁架14因杆件存在倾斜角度，考虑变形方向，焊接时先焊上部焊缝；采用对称施焊、多次翻身焊接完成。
超声波探伤焊缝；各连接构件与铸钢节点1的位置偏差检测。
Claims (3)
1.一种大型铸钢节点，其特征在于该铸钢节点为轴心设有椭圆孔的矩形柱体，柱体的两端面上设有凸起的方框，柱体的四个侧面上分别设有至少一个凸台或连接臂，所述凸台或连接臂与柱体侧面之间为圆弧过渡。
2.一种权利要求1所述大型铸钢节点在超高层建筑结构中的应用，其特征在于该铸钢节点设于高层建筑结构中内筒柱与连梁、剪力墙内钢板或伸臂桁架的交点上，铸钢节点两端面上的方框分别与内筒柱连接，铸钢节点侧面的凸台或连接臂与连梁、剪力墙内钢板或伸臂桁架连接。
3.根据权利要求1所述的大型铸钢节点，其特征在于所述凸台或连接臂沿凸起方向截面的变化率在100﹪～80﹪之间。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20120111 |