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鑄鋼節(jié)點(diǎn)在輕型橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

摘要：鑄鋼節(jié)點(diǎn)以其拓?fù)湫螤钸m應(yīng)性強(qiáng)、受力性能好、施工方便等特點(diǎn)，適用于輕型管狀結(jié)構(gòu)橋梁。輕型橋 梁中的鑄鋼節(jié)點(diǎn)按其連接作用類型可分為：鑄鋼交匯節(jié)點(diǎn)、鑄鋼支點(diǎn)以及鋼一混結(jié)合面的鑄鋼齒狀節(jié)點(diǎn)等。結(jié)合 鑄鋼節(jié)點(diǎn)在輕型橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),介紹其在橋梁中的應(yīng)用情況，并探討橋梁鑄鋼節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；輕型橋梁；鑄鋼節(jié)點(diǎn)；管狀結(jié)構(gòu)；樹狀橋墩

1引言

在橋梁工程中，鑄鋼件主要應(yīng)用于形狀復(fù)雜、應(yīng) 力集中的結(jié)構(gòu)部位，如：鑄鋼支座（搖軸支座和輻軸 支座）、耳板銷接節(jié)點(diǎn)、鑄鋼索夾、懸索橋鞍座等。

隨著輕型橋梁結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展，管狀結(jié)構(gòu)在 橋梁工程中**發(fā)展?jié)摿ΑＴ卺娪霉軤顦?gòu)件的橋梁 中，由于在桿件交匯處直接釆用焊接或栓接存在困 難，其制造及受力可靠性成為一個(gè)技術(shù)瓶頸，而整體 鑄鋼節(jié)點(diǎn)是解決這一問(wèn)題的好方法。目前，釆用鑄 鋼節(jié)點(diǎn)與管狀構(gòu)件的橋梁在我國(guó)還是空白；相比之 下，鑄鋼節(jié)點(diǎn)在我國(guó)的大型建筑結(jié)構(gòu)（體育場(chǎng)館、會(huì) 展中心、航站樓等）工程中已得到較多的應(yīng)用⑴。

鑄鋼節(jié)點(diǎn)配合管狀構(gòu)件在橋梁工程應(yīng)用中的優(yōu) 勢(shì)主要表現(xiàn)為：1.鑄鋼節(jié)點(diǎn)在工廠整體鑄造，避免了 管狀構(gòu)件焊接節(jié)點(diǎn)的相貫線切割及交叉焊縫，從而 減少熱影響區(qū)的缺陷和殘余應(yīng)力，保證了節(jié)點(diǎn)區(qū)域 優(yōu)良的力學(xué)性能；2.鑄鋼節(jié)點(diǎn)可以有復(fù)雜的外形和 內(nèi)腔，可按受力狀況采用合理的拓?fù)湫螤?/span>;3.鑄鋼節(jié) 點(diǎn)的化學(xué)成份要求很高，材質(zhì)均勻且具有良好的強(qiáng) 度、塑性、韌性、可焊性及疲勞性能等；4.鑄鋼節(jié)點(diǎn)既 可用于橋梁結(jié)構(gòu)中的管狀構(gòu)件交匯處，也可用于管 狀構(gòu)件與混凝土構(gòu)件的連接面等，其與周圍桿件的 連接方式主要為焊接，也可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成螺紋連 接或銷軸連接形式。

總之，鑄鋼節(jié)點(diǎn)將節(jié)點(diǎn)與構(gòu)件的焊接部位轉(zhuǎn)移 到應(yīng)力比較平順的節(jié)點(diǎn)區(qū)之外，可以大大提高橋梁 結(jié)構(gòu)的組拼質(zhì)量、施工速度和耐久性，有利于促進(jìn)橋 梁結(jié)構(gòu)向輕質(zhì)、高效方向發(fā)展。

2輕型橋梁中的鑄鋼節(jié)點(diǎn)形式

在管狀輕型結(jié)構(gòu)橋梁中，根據(jù)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的連接作用分為3種類型：1.管狀構(gòu)件的鑄鋼交匯節(jié)點(diǎn)；2.鑄鋼支點(diǎn)；3.鋼一混結(jié)合面的鑄鋼齒狀節(jié)點(diǎn)。

3鑄鋼節(jié)點(diǎn)在橋梁工程中的應(yīng)用

目前在歐洲尤其是德國(guó)，鑄鋼節(jié)點(diǎn)配合管狀構(gòu) 件在橋梁工程中已得到一定應(yīng)用m ,包括人行橋、 公路橋和鐵路橋（見(jiàn)表Do

3.1人行橋

鑄鋼節(jié)點(diǎn)在國(guó)外的人行橋中得到了很多應(yīng)用， 如鋼一混連接部位及管狀構(gòu)件的交匯部位。

3.2公路橋

德國(guó)斯圖加特的內(nèi)森巴赫橋是一座鋼一混組合結(jié)構(gòu)公路橋梁,位于狹長(zhǎng)而秀美的內(nèi)森巴赫山谷，其流暢的線形、通透的結(jié)構(gòu)形式，宛若空中交通聯(lián)廊掩映在郁郁蔥蔥的谷底，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)功 能與環(huán)境的高度統(tǒng)一。橋梁結(jié)構(gòu)中的混凝土橋面板 支承在鋼管桁架上，而上述兩者的重量又被幾個(gè)樹 狀鋼管橋墩支承。該橋中的鋼管桁架與混凝土橋面 的連接部位應(yīng)用了鑄鋼齒狀節(jié)點(diǎn)，鋼管桁架和樹狀鋼管橋墩釆用了鑄鋼交匯節(jié)點(diǎn)。德國(guó)的圣奇里安橋同樣采用了類似的鑄鋼節(jié)點(diǎn)。

德國(guó)的夏頓恩橋與昆特一慕新根橋分別為鋼一混凝土組合拱橋、管狀桁 架組合梁橋。管狀構(gòu)件的鑄鋼交匯節(jié)點(diǎn)、鋼一混結(jié)合部位的鑄鋼齒狀節(jié)點(diǎn)以及鑄鋼支點(diǎn)在上述兩橋中均得到了應(yīng)用。

3.3鐵路橋

德國(guó)柏林的新建火車站中的所有橋梁都被鋼管 樹狀橋墩支承。車站附近跨漢布特港 (Humboldthafen)河的橋梁為鋼一混組合拱橋。上述橋梁中均應(yīng)用了管狀構(gòu)件的鑄鋼交匯節(jié)點(diǎn)和鋼一混結(jié)合部位的鑄鋼齒狀節(jié)點(diǎn)。

4輕型橋梁結(jié)構(gòu)與鑄鋼節(jié)點(diǎn)的研究

4.1帶鑄鋼節(jié)點(diǎn)的管狀結(jié)構(gòu)

輕型化是橋梁結(jié)構(gòu)的一個(gè)發(fā)展方向，而鋼材以 其較小的重量強(qiáng)度比能很好地適應(yīng)輕型化的發(fā)展趨勢(shì)。

管狀構(gòu)件不但充分發(fā)揮了鋼材在輕型方面的優(yōu)勢(shì)，且由于其剛度大、抗壓和抗扭性能好，同樣承載 能力的管狀構(gòu)件鋼材用量比型鋼要小得多，可節(jié)約鋼材20%以上。因此，管狀結(jié)構(gòu)是一種值得重視的 高效輕型結(jié)構(gòu)，在橋梁結(jié)構(gòu)的桁架梁、桁式拱肋、鋼 管橋墩中均可應(yīng)用。

從國(guó)外的實(shí)踐來(lái)看，一些采用樹狀橋墩直接承 托混凝土板的橋梁，打破了傳統(tǒng)橋梁布局中梁、墩分離的概念,使橋梁整體更具視覺(jué)美感。鑄鋼節(jié)點(diǎn)可以使鋼管橋墩以點(diǎn)支承的方式連接于橋面板。由于鋼管的剛度相對(duì)較小，該類橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)溫度的適應(yīng) 性較好，在結(jié)構(gòu)中可少設(shè)伸縮縫，甚至不設(shè)(例如德國(guó)斯圖加特的內(nèi)森巴赫橋)，橋梁的整體性好。

4.2鑄鋼節(jié)點(diǎn)的若干研究課題

管狀結(jié)構(gòu)是一種高效輕型結(jié)構(gòu)，而鑄鋼節(jié)點(diǎn)以 其自身的優(yōu)越性，配合管狀構(gòu)件必將在橋梁工程中 得到廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)外針對(duì)橋梁工程中的鑄鋼 節(jié)點(diǎn)問(wèn)題已進(jìn)行了很多研究，例如世界知名橋梁專家J. Schlaich教授在設(shè)計(jì)內(nèi)森巴赫橋時(shí)，采用鑄鋼 齒狀節(jié)點(diǎn)作為混凝土橋面板與鋼管腹桿之間的連接 件，并且利用有限元分析與拉壓桿方法進(jìn)行結(jié)合部的設(shè)計(jì)分析;Gundolf Denzer通過(guò)有限元分析對(duì) 圣奇里安橋所采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式進(jìn)行了優(yōu)化，S. C. Haldimann-Sturm 和 A. Nussbaumer 針 對(duì)管狀結(jié)構(gòu)橋梁中的鑄鋼節(jié)點(diǎn)的疲勞設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了研究相比之下，我國(guó)目前在鑄鋼節(jié)點(diǎn)方面的 應(yīng)用研究還僅針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)，為促進(jìn)鑄鋼節(jié)點(diǎn)在橋 梁結(jié)構(gòu)中的發(fā)展，有必要加強(qiáng)以下幾方面的研究。

 4.2.1鑄鋼節(jié)點(diǎn)的彈塑性設(shè)計(jì)

在桿件交匯節(jié)點(diǎn)處，不規(guī)則幾何形狀帶來(lái)局部 應(yīng)力集中，如完全按照彈性方法設(shè)計(jì),必然會(huì)使鑄鋼 節(jié)點(diǎn)的幾何尺寸及材料用量大大增加，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò) 于保守。故對(duì)局部應(yīng)力集中應(yīng)有恰當(dāng)認(rèn)識(shí)，由于鑄 鋼節(jié)點(diǎn)有較好的塑性性能，因此允許鑄鋼節(jié)點(diǎn)有部 分塑性開展是合適的設(shè)計(jì)方法。目前多采用基于 Von Mises等效應(yīng)力的強(qiáng)度準(zhǔn)則，但在考慮缺陷模 擬分析和建立實(shí)用強(qiáng)度準(zhǔn)則方面，還應(yīng)加強(qiáng)鑄鋼節(jié) 點(diǎn)彈塑性設(shè)計(jì)方面的理論與試驗(yàn)研究。

4.2.2鑄鋼節(jié)點(diǎn)的抗震性能

帶鑄鋼節(jié)點(diǎn)的管狀輕型橋梁中，鑄鋼節(jié)點(diǎn)在整 個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震受力體系中占有重要的地位。例 如，樹狀鋼管橋墩分叉處的鑄鋼節(jié)點(diǎn)或 鑄鋼支座,在地震發(fā)生中將承受較大的 作用力，且一旦失效將導(dǎo)致整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的倒塌。

目前，針對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)抗震性能的研究還較少，且 尚無(wú)試驗(yàn)依據(jù)，因而針對(duì)高烈度區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)中的鑄 鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗震性能的理論與試驗(yàn)研究是今后一個(gè) 重要的研究課題。

4. 2.3與混凝土界面連接的鑄鋼節(jié)點(diǎn)形式與性能 管狀輕型橋梁一般由鋼管構(gòu)件與混凝土板組 成，與其它組合結(jié)構(gòu)橋梁類似，需在鋼一混連接面設(shè) 置剪力連接件來(lái)保證結(jié)構(gòu)的共同工作。以往的研究 表明，在水平剪力及疲勞荷載作用下，柔性剪力連接 件主要在焊接部位發(fā)生破壞，例如栓釘與母材的焊 接面，而剛性剪力連接件的破壞形式為連接件附近 的混凝土劈裂或壓碎。在管狀輕型橋梁中，鋼管橋 墩與橋面板經(jīng)常以點(diǎn)支承的方式固結(jié)，且混凝土板 通常做得較薄，因此對(duì)剪力連接件的要求與以往不 同。鑄鋼齒狀節(jié)點(diǎn)的運(yùn)用可以避免類似柔性剪力連 接件的破壞形式，且同樣需要避免發(fā)生類似剛性剪 力連接件的破壞形式，因此應(yīng)加強(qiáng)與混凝土界面連 接的鑄鋼節(jié)點(diǎn)形式及其性能研究，使其能夠在管狀 輕型橋梁中更好地發(fā)揮作用。

4.2.4鑄鋼節(jié)點(diǎn)疲勞性能

橋梁結(jié)構(gòu)承受著車輛的反復(fù)荷載，目前對(duì)鑄鋼 節(jié)點(diǎn)的疲勞研究還不多，一般采用很保守的設(shè)計(jì)方 法，如增大截面、減小應(yīng)力幅等，使設(shè)計(jì)很不經(jīng)濟(jì)，不 利于鑄鋼節(jié)點(diǎn)在橋梁工程中的應(yīng)用發(fā)展。國(guó)外相關(guān) 疲勞試驗(yàn)表明，一般破壞均在鑄鋼節(jié)點(diǎn)與其它桿件 的連接處，而節(jié)點(diǎn)本身不會(huì)發(fā)生任何破壞，疲勞強(qiáng)度 遠(yuǎn)大于實(shí)際需求?；诖?，有學(xué)者提出一種經(jīng)濟(jì)的 疲勞設(shè)計(jì)方法，從定量確定鑄鋼節(jié)點(diǎn)的制造誤差或 缺陷來(lái)反映鑄鋼節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度，使之與連接部位 的焊接疲勞強(qiáng)度相等，在保證疲勞強(qiáng)度的前提下，提 高結(jié)構(gòu)整體的經(jīng)濟(jì)性。此外，當(dāng)鑄鋼節(jié)點(diǎn)通過(guò)螺紋 形式或者軸承形式與其它構(gòu)件相連時(shí)，在疲勞荷載 的作用下，節(jié)點(diǎn)區(qū)域的不穩(wěn)定性增加，需通過(guò)理論及 試驗(yàn)研究確保其安全性及改進(jìn)構(gòu)造措施等。

4.2.5鑄鋼節(jié)點(diǎn)的制造與檢驗(yàn)

鑄鋼節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量保證除了設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)，其 制造工藝同樣非常重要，甚至在很多情況下決定了 鑄鋼節(jié)點(diǎn)的性能。此外，鑄鋼節(jié)點(diǎn)的檢驗(yàn)方法與精 度是評(píng)價(jià)其質(zhì)量的重要手段，尤其是無(wú)損檢驗(yàn)以及 與之對(duì)應(yīng)的儕鋼節(jié)點(diǎn)質(zhì)量等級(jí)的設(shè)置，某些情況下 還是鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的重要前提，例如疲勞設(shè)計(jì)。目 前國(guó)內(nèi)在這些方面相對(duì)落后，例如現(xiàn)行國(guó)標(biāo)《鑄鋼件 超聲探傷及質(zhì)量評(píng)級(jí)方法》(GB 7233-87)僅適用 于厚度大于等于30 mm的鑄鋼件，但在管狀結(jié)構(gòu)橋梁中的鑄鋼節(jié)點(diǎn)厚度一般是變化的，在焊接接口處通常較薄,按國(guó)標(biāo)則無(wú)法檢測(cè),而此處的鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán) 形對(duì)接焊縫的疲勞問(wèn)題是整個(gè)節(jié)點(diǎn)疲勞問(wèn)題的關(guān) 鍵,因此還需加強(qiáng)相關(guān)理論及試驗(yàn)研究。

4.2.6鑄鋼節(jié)點(diǎn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定是鑄鋼節(jié)點(diǎn)在我國(guó)應(yīng)用和發(fā)展 的前提，雖然早在1987年我國(guó)就制定了《焊接鋼結(jié)構(gòu)用碳素鑄鋼件標(biāo)準(zhǔn)XGB/T 7659),但其已無(wú)法滿 足現(xiàn)代結(jié)構(gòu)中鑄鋼節(jié)點(diǎn)的要求，一般在設(shè)計(jì)時(shí)參照 國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)外關(guān)于鑄鋼節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)主要 有：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3755、日本標(biāo)準(zhǔn)JIS G5102、美國(guó) 標(biāo)準(zhǔn)ASTM A216以及德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN17182。2008 年7月1日起施行的“鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程"是我 國(guó)**部有關(guān)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但僅適用于工 業(yè)與民用建筑和一般構(gòu)筑物的鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與制 作⑴，并不適用于橋梁工程設(shè)計(jì)。由于橋梁結(jié)構(gòu)承 受車輛的疲勞荷載和沖擊作用，且工作環(huán)境比一般 工業(yè)與民用建筑更加惡劣，因此需要制定適用于橋 梁的鑄鋼節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)或在橋梁規(guī)范中增加相應(yīng)條款。

5結(jié)語(yǔ)

鑄鋼節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用可以豐富鋼橋、組合結(jié)構(gòu)橋梁 的形式，鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與制造也可以體現(xiàn)一個(gè)國(guó) 家的工業(yè)水平。釆用鑄鋼節(jié)點(diǎn)的管狀橋梁結(jié)構(gòu)具有 自重輕、受力明確、造型美觀、施工快速等特點(diǎn)。在 歐洲，這類輕型橋梁結(jié)構(gòu)已在人行橋、公路橋以及鐵 路橋中得到一定應(yīng)用且備受關(guān)注，因此釆用鑄鋼節(jié) 點(diǎn)的新型橋梁結(jié)構(gòu)也值得我國(guó)橋梁工程界重視。

為推動(dòng)鑄鋼節(jié)點(diǎn)在新型橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，應(yīng) 借鑒國(guó)外橋梁領(lǐng)域和國(guó)內(nèi)、外建筑工程領(lǐng)域的成功 經(jīng)驗(yàn)，橋梁界首先要有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)意,促使科 研、制造、施工等方面的協(xié)力實(shí)施。