異型鋼結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點設(shè)計與澆鑄

摘要：本文以上海市普陀區(qū)金沙江路真北路人行天橋新建工程鋼結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點為實例，介紹了鑄鋼節(jié)點的深化設(shè)計和制作工藝，確保鑄鋼節(jié)點的精度、鑄造質(zhì)量滿足設(shè)計和規(guī)范要求，值得類似工程推廣應(yīng)用

關(guān)鍵字：鋼結(jié)構(gòu)；桁架體系；鑄鋼節(jié)點；熱處理

一、工程概況

上海市普陀區(qū)金沙江路真北路人人行天橋主橋為鋼結(jié)構(gòu)空間管格構(gòu)桁架體系，內(nèi)外側(cè)面為不規(guī)則雙向傾斜，空間桁架多節(jié)點交匯，桿件有相貫連接，焊接連接，高強(qiáng)螺栓連接多種形式。構(gòu)件數(shù)量多，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

本工程的上弦節(jié)點為鋼管多支交匯節(jié)點，為避免多支鋼管相貫焊接節(jié)點應(yīng)力太大和焊接的不便，設(shè)計上采用了鑄鋼節(jié)點，設(shè)計要求鑄鋼件的材質(zhì)性能應(yīng)等于或優(yōu)于Q420Qd，鑄鋼節(jié)點壁厚不小于40mm，鑄鋼桿件最小長度不小于1米。

在建筑鋼結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點的深化設(shè)計、模型制造、鑄造及質(zhì)檢等過程中，將嚴(yán)格控制每一生產(chǎn)過程，確保提供高品質(zhì)的鑄鋼節(jié)點。

鑄鋼節(jié)點的生產(chǎn)是集計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）、計算機(jī)輔助制造(CAM)、計算機(jī)輔助測量(CAM)及先進(jìn)的鑄造工藝和技術(shù)為一體的高科技產(chǎn)品。本公司將選擇具有綜合科技優(yōu)勢的專業(yè)生產(chǎn)單位，確保鑄鋼節(jié)點高品質(zhì)。

二、深化設(shè)計

充分發(fā)揮在鑄造領(lǐng)域中的技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合近年來鑄鋼節(jié)點深化設(shè)計的實際經(jīng)驗，運用計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD），在鋼結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點的深化設(shè)計中，在體現(xiàn)建筑師的設(shè)計思想、符合結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求的前提下，滿足鑄造生產(chǎn)，確保鑄鋼節(jié)點高品質(zhì)。

三、鑄造生產(chǎn)

3.1 模型制作

模型的設(shè)計與制造是鑄鋼節(jié)點制作的關(guān)鍵步驟。鑄造中常用的模型制作方法有：木模型、蠟?zāi)Ｐ�、金屬模、消失�！?D塑料模等。其中，蠟?zāi)Ｐ椭贿m用于小件生產(chǎn)，金屬型適用于大批量生產(chǎn)。根據(jù)項目的特點，選擇適用于本項目鑄鋼節(jié)點的模型制作。

3.2 鑄造工藝

鑄造工藝是獲得良好鑄鋼節(jié)點制作的重要環(huán)節(jié)之一，根據(jù)鑄鋼節(jié)點結(jié)構(gòu)的特殊性，借助模擬凝固軟件，制定合理的鑄造工藝是鑄件能否成功的關(guān)鍵因素。

1、涂料：涂料是為了增加型砂抵抗金屬液的沖刷和侵蝕作用，防止鑄件表面產(chǎn)生機(jī)械或化學(xué)粘砂獲得表面光潔的鑄件。本鑄件采用醇基涂料，這種涂料具有良好的透氣性、強(qiáng)度高、干燥速度快等特點。涂料層需>2毫米。

2、澆冒口系統(tǒng)：在鑄造生產(chǎn)中，澆冒口系統(tǒng)是影響鑄件質(zhì)量的重要因素之一。根據(jù)鑄鋼節(jié)點鑄件的特點，我們制定澆冒口系統(tǒng)的基本原則如下并用模擬凝固軟件模擬加以驗證：確保進(jìn)入型腔的鋼液平穩(wěn)、沒有渦流現(xiàn)象；選擇合理澆冒口位置，以利于鑄件順序凝固；澆冒口系統(tǒng)不應(yīng)在鑄件上引起熱應(yīng)力；保證在澆注過程中，金屬液在鑄型內(nèi)有合適的上升速度；澆冒口系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)具排氣、擋渣能力。

3.3 熱處理

熱處理是通過加熱、保溫和冷卻的方法，來改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而改善鋼性能的一種工藝。所以溫度和時間是影響熱處理過程的主要因素。鑄鋼件的加熱速度取決于鋼的化學(xué)成分、鑄件的斷面大小以及鑄件的形狀。一般合金鋼鑄件的加熱速度比碳鋼鑄件要低些。鑄件斷面越大，形狀復(fù)雜、斷面厚薄相差較大時，加熱速度要緩慢些。保溫時間取決于鑄件的壁厚或爐子的堆料情況。

鑄鋼節(jié)點正火后鑄件內(nèi)殘余應(yīng)力比較大。所以，采用正火加回火消除鑄鋼件內(nèi)應(yīng)力，最終使鑄件各項性能指標(biāo)滿足項目要求。

鑄件熱處理時應(yīng)注意以下幾點：

1、 在加熱過程中，當(dāng)爐溫升到650－700度時，應(yīng)緩慢升溫，或在此溫度下保溫一段時間。因為，在這個溫度區(qū)間，碳鋼發(fā)生相變，伴隨有體積變化，產(chǎn)生相變應(yīng)力，如果快速升溫，容易使鑄件薄壁部分與厚壁部分以及表面層和中心層之間產(chǎn)生溫度差增大，從而使鑄件的熱應(yīng)力增大，并容易導(dǎo)致鑄件開裂。

2、 為了使鑄件內(nèi)外溫度一致，并且有足夠的時間使組織完全轉(zhuǎn)變，厚壁鑄件的保溫時間要比薄壁鑄件長一些。保溫時間一般指鑄件均熱（即鑄件內(nèi)外溫度或顏色達(dá)到一致）后，開始計算。保溫計算方法如下：

（1）、按同爐鑄件最大壁厚計算，每25毫米保溫1小時，適用于壁厚200毫米以內(nèi)的鑄件。

（2）、按同爐鑄件最大壁厚計算，每50毫米保溫1小時，但不小于2小時，適用于壁厚200毫米以上的鑄件。對于特厚大鑄件，可采用每100毫米件保溫１小時，采用這種計算方法，保溫時間一般不包括均熱時間在內(nèi)。

（3）、 按堆料高度計算，一般碳鋼鑄件保溫時間按1米高保溫4小時計算。保溫時間定為5小時。

四、質(zhì)量保證措施

質(zhì)量控制是保證生產(chǎn)合格鑄件的基本保證，在鑄鋼節(jié)點制作過程中，主要的質(zhì)控方法如下：

4.1化學(xué)成份控制

1、為了確保化學(xué)成份控制在標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，澆注之前，必須對鋼水成份進(jìn)行爐前快速分析。如成份合格方可澆注，否則須調(diào)整鋼水成份，待成份合格后方可澆注。采用直讀光譜儀進(jìn)行爐前快速分析。

2、為確保具有良好的焊接性能，碳當(dāng)量應(yīng)嚴(yán)格控制。

3、鑄件冷卻凝固后，在試塊上取樣，再進(jìn)行一次化學(xué)分析，此樣做為最終化學(xué)成份結(jié)果。

4.2 機(jī)械性能控制

鑄件澆注時用同爐鋼水，澆注試樣經(jīng)隨爐熱處理后、機(jī)械加工制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，對其進(jìn)行機(jī)械性能試驗。

內(nèi)在及表面質(zhì)量控制：鑄件出廠前，需對鑄件進(jìn)行無損檢測，鑄鋼件不允許有影響使用性能的裂紋、冷隔、縮松等缺陷存在。鑄鋼件按GB7233《鑄鋼件超聲探傷采用磁粉表面探傷及質(zhì)量評定方法》進(jìn)行超聲波檢測，質(zhì)量等級為Ⅱ級；不可超聲波探傷部位采用磁粉表面探傷按GB9444-88標(biāo)準(zhǔn)，3級合格。

尺寸控制：鑄鋼節(jié)點在從圖紙向模型和鑄件轉(zhuǎn)換過程中，每一個步驟都可能產(chǎn)生誤差，造成幾何形狀發(fā)生變化。測量是用于檢查模型和鑄件空間位置以及為鋼結(jié)構(gòu)安裝制定基準(zhǔn)的必不可少的工序之一。

五、鋼管相貫線節(jié)點的加工工藝

天橋主橋的頂面和內(nèi)外側(cè)面采用的是鋼管結(jié)構(gòu)組成的空間桁架結(jié)構(gòu)，鋼管構(gòu)件之間的連接節(jié)點為相貫線焊接節(jié)點。主橋內(nèi)外側(cè)面的腹桿采用的都是相貫面切割機(jī)直接切割下料成桿件，因此內(nèi)、外側(cè)弦桿的制作特別的重要，精度達(dá)不到將導(dǎo)致腹桿安裝困難，整體的精度無法保證，主弦桿鋼管進(jìn)廠后必須進(jìn)行矯正，鋼管對接后對直線度進(jìn)行檢查。