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

摘要：鑄鋼節(jié)點以其拓撲形狀適應(yīng)性強、受力性能好、施工方便等特點，適用于輕型管狀結(jié)構(gòu)橋梁。輕型橋 梁中的鑄鋼節(jié)點按其連接作用類型可分為：鑄鋼交匯節(jié)點、鑄鋼支點以及鋼一混結(jié)合面的鑄鋼齒狀節(jié)點等。結(jié)合 鑄鋼節(jié)點在輕型橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用優(yōu)勢,介紹其在橋梁中的應(yīng)用情況，并探討橋梁鑄鋼節(jié)點需要進一步研究的問題。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；輕型橋梁；鑄鋼節(jié)點；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、鑄鋼索夾、懸索橋鞍座等。

隨著輕型橋梁結(jié)構(gòu)的進一步發(fā)展，管狀結(jié)構(gòu)在 橋梁工程中**發(fā)展?jié)摿?。在釆用管狀?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技術(shù)瓶頸，而整體 鑄鋼節(jié)點是解決這一問題的好方法。目前，釆用鑄 鋼節(jié)點與管狀構(gòu)件的橋梁在我國還是空白；相比之 下，鑄鋼節(jié)點在我國的大型建筑結(jié)構(gòu)（體育場館、會 展中心、航站樓等）工程中已得到較多的應(yīng)用⑴。

鑄鋼節(jié)點配合管狀構(gòu)件在橋梁工程應(yīng)用中的優(yōu) 勢主要表現(xiàn)為：1.鑄鋼節(jié)點在工廠整體鑄造，避免了 管狀構(gòu)件焊接節(jié)點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)點區(qū)域 優(yōu)良的力學(xué)性能；2.鑄鋼節(jié)點可以有復(fù)雜的外形和 內(nèi)腔，可按受力狀況采用合理的拓撲形狀;3.鑄鋼節(jié) 點的化學(xué)成份要求很高，材質(zhì)均勻且具有良好的強 度、塑性、韌性、可焊性及疲勞性能等；4.鑄鋼節(jié)點既 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)計成螺紋連 接或銷軸連接形式。

總之，鑄鋼節(jié)點將節(jié)點與構(gòu)件的焊接部位轉(zhuǎn)移 到應(yīng)力比較平順的節(jié)點區(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)點形式

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

3鑄鋼節(jié)點在橋梁工程中的應(yīng)用

目前在歐洲尤其是德國，鑄鋼節(jié)點配合管狀構(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（見表Do

3.1人行橋

鑄鋼節(jié)點在國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，鋼管桁架和樹狀鋼管橋墩釆用了鑄鋼交匯節(jié)點。德國的圣奇里安橋同樣采用了類似的鑄鋼節(jié)點。

德國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、鋼一混結(jié)合部位的鑄鋼齒狀節(jié)點以及鑄鋼支點在上述兩橋中均得到了應(yīng)用。

3.3鐵路橋

德國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)點和鋼一混結(jié)合部位的鑄鋼齒狀節(jié)點。

4輕型橋梁結(jié)構(gòu)與鑄鋼節(jié)點的研究

4.1帶鑄鋼節(jié)點的管狀結(jié)構(gòu)

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

管狀構(gòu)件不但充分發(fā)揮了鋼材在輕型方面的優(yōu)勢，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。

從國外的實踐來看，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美感。鑄鋼節(jié)點可以使鋼管橋墩以點支承的方式連接于橋面板。由于鋼管的剛度相對較小，該類橋梁結(jié)構(gòu)對溫度的適應(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。目前國外針對橋梁工程中的鑄鋼 節(jié)點問題已進行了很多研究，例如世界知名橋梁專家J. Schlaich教授在設(shè)計內(nèi)森巴赫橋時，采用鑄鋼 齒狀節(jié)點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行結(jié)合部的設(shè)計分析;Gundolf Denzer通過有限元分析對 圣奇里安橋所采用鑄鋼節(jié)點的構(gòu)造形式進行了優(yōu)化，S. C. Haldimann-Sturm 和 A. Nussbaumer 針 對管狀結(jié)構(gòu)橋梁中的鑄鋼節(jié)點的疲勞設(shè)計問題進行了研究相比之下，我國目前在鑄鋼節(jié)點方面的 應(yīng)用研究還僅針對建筑結(jié)構(gòu)，為促進鑄鋼節(jié)點在橋 梁結(jié)構(gòu)中的發(fā)展，有必要加強以下幾方面的研究。

 4.2.1鑄鋼節(jié)點的彈塑性設(shè)計

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

4.2.2鑄鋼節(jié)點的抗震性能

帶鑄鋼節(jié)點的管狀輕型橋梁中，鑄鋼節(jié)點在整 個橋梁結(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)致整個橋梁結(jié)構(gòu)的倒塌。

目前，針對鑄鋼節(jié)點抗震性能的研究還較少，且 尚無試驗依據(jù)，因而針對高烈度區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)中的鑄 鋼節(jié)點進行抗震性能的理論與試驗研究是今后一個 重要的研究課題。

4. 2.3與混凝土界面連接的鑄鋼節(jié)點形式與性能 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)常以點支承的方式固結(jié)，且混凝土板 通常做得較薄，因此對剪力連接件的要求與以往不 同。鑄鋼齒狀節(jié)點的運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)加強與混凝土界面連 接的鑄鋼節(jié)點形式及其性能研究，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)點疲勞性能

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

4.2.5鑄鋼節(jié)點的制造與檢驗

鑄鋼節(jié)點的質(zhì)量保證除了設(shè)計方法的改進，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)點的性能。此外，鑄鋼節(jié)點的檢驗方法與精 度是評價其質(zhì)量的重要手段，尤其是無損檢驗以及 與之對應(yīng)的儕鋼節(jié)點質(zhì)量等級的設(shè)置，某些情況下 還是鑄鋼節(jié)點設(shè)計的重要前提，例如疲勞設(shè)計。目 前國內(nèi)在這些方面相對落后，例如現(xiàn)行國標(biāo)《鑄鋼件 超聲探傷及質(zhì)量評級方法》(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)點厚度一般是變化的，在焊接接口處通常較薄,按國標(biāo)則無法檢測,而此處的鑄鋼節(jié)點環(huán) 形對接焊縫的疲勞問題是整個節(jié)點疲勞問題的關(guān) 鍵,因此還需加強相關(guān)理論及試驗研究。

4.2.6鑄鋼節(jié)點的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定是鑄鋼節(jié)點在我國應(yīng)用和發(fā)展 的前提，雖然早在1987年我國就制定了《焊接鋼結(jié)構(gòu)用碳素鑄鋼件標(biāo)準(zhǔn)XGB/T 7659),但其已無法滿 足現(xiàn)代結(jié)構(gòu)中鑄鋼節(jié)點的要求，一般在設(shè)計時參照 國外的標(biāo)準(zhǔn)。目前國外關(guān)于鑄鋼節(jié)點的標(biāo)準(zhǔn)主要 有：國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3755、日本標(biāo)準(zhǔn)JIS G5102、美國 標(biāo)準(zhǔn)ASTM A216以及德國標(biāo)準(zhǔn)DIN17182。2008 年7月1日起施行的“鑄鋼節(jié)點應(yīng)用技術(shù)規(guī)程"是我 國**部有關(guān)鑄鋼節(jié)點的國家標(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)點設(shè)計與制 作⑴，并不適用于橋梁工程設(shè)計。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)點標(biāo)準(zhǔn)或在橋梁規(guī)范中增加相應(yīng)條款。

5結(jié)語

鑄鋼節(jié)點的應(yīng)用可以豐富鋼橋、組合結(jié)構(gòu)橋梁 的形式，鑄鋼節(jié)點的設(shè)計與制造也可以體現(xiàn)一個國 家的工業(yè)水平。釆用鑄鋼節(jié)點的管狀橋梁結(jié)構(gòu)具有 自重輕、受力明確、造型美觀、施工快速等特點。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) 點的新型橋梁結(jié)構(gòu)也值得我國橋梁工程界重視。

為推動鑄鋼節(jié)點在新型橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，應(yīng) 借鑒國外橋梁領(lǐng)域和國內(nèi)、外建筑工程領(lǐng)域的成功 經(jīng)驗，橋梁界首先要有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)意,促使科 研、制造、施工等方面的協(xié)力實施。