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鑄鋼節點在輕型橋梁結構中的應用研究

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

關鍵詞：橋梁工程；輕型橋梁；鑄鋼節點；管狀結構；樹狀橋墩

1引言

在橋梁工程中，鑄鋼件主要應用于形狀復雜、應 力集中的結構部位，如：鑄鋼支座（搖軸支座和輻軸 支座）、耳板銷接節點、鑄鋼索夾、懸索橋鞍座等。

隨著輕型橋梁結構的進一步發展，管狀結構在 橋梁工程中**發展潛力。在釆用管狀構件的橋梁 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瓶頸，而整體 鑄鋼節點是解決這一問題的好方法。目前，釆用鑄 鋼節點與管狀構件的橋梁在我國還是空白；相比之 下，鑄鋼節點在我國的大型建筑結構（體育場館、會 展中心、航站樓等）工程中已得到較多的應用⑴。

鑄鋼節點配合管狀構件在橋梁工程應用中的優 勢主要表現為：1.鑄鋼節點在工廠整體鑄造，避免了 管狀構件焊接節點的相貫線切割及交叉焊縫，從而 減少熱影響區的缺陷和殘余應力，保證了節點區域 優良的力學性能；2.鑄鋼節點可以有復雜的外形和 內腔，可按受力狀況采用合理的拓撲形狀;3.鑄鋼節 點的化學成份要求很高，材質均勻且具有良好的強 度、塑性、韌性、可焊性及疲勞性能等；4.鑄鋼節點既 可用于橋梁結構中的管狀構件交匯處，也可用于管 狀構件與混凝土構件的連接面等，其與周圍桿件的 連接方式主要為焊接，也可根據需要設計成螺紋連 接或銷軸連接形式。

總之，鑄鋼節點將節點與構件的焊接部位轉移 到應力比較平順的節點區之外，可以大大提高橋梁 結構的組拼質量、施工速度和耐久性，有利于促進橋 梁結構向輕質、高效方向發展。

2輕型橋梁中的鑄鋼節點形式

在管狀輕型結構橋梁中，根據鑄鋼節點的連接作用分為3種類型：1.管狀構件的鑄鋼交匯節點；2.鑄鋼支點；3.鋼一混結合面的鑄鋼齒狀節點。

3鑄鋼節點在橋梁工程中的應用

目前在歐洲尤其是德國，鑄鋼節點配合管狀構 件在橋梁工程中已得到一定應用m ,包括人行橋、 公路橋和鐵路橋（見表Do

3.1人行橋

鑄鋼節點在國外的人行橋中得到了很多應用， 如鋼一混連接部位及管狀構件的交匯部位。

3.2公路橋

德國斯圖加特的內森巴赫橋是一座鋼一混組合結構公路橋梁,位于狹長而秀美的內森巴赫山谷，其流暢的線形、通透的結構形式，宛若空中交通聯廊掩映在郁郁蔥蔥的谷底，實現了結構功 能與環境的高度統一。橋梁結構中的混凝土橋面板 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 的連接部位應用了鑄鋼齒狀節點，鋼管桁架和樹狀鋼管橋墩釆用了鑄鋼交匯節點。德國的圣奇里安橋同樣采用了類似的鑄鋼節點。

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。管狀構件的鑄鋼交匯節點、鋼一混結合部位的鑄鋼齒狀節點以及鑄鋼支點在上述兩橋中均得到了應用。

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。上述橋梁中均應用了管狀構件的鑄鋼交匯節點和鋼一混結合部位的鑄鋼齒狀節點。

4輕型橋梁結構與鑄鋼節點的研究

4.1帶鑄鋼節點的管狀結構

輕型化是橋梁結構的一個發展方向，而鋼材以 其較小的重量強度比能很好地適應輕型化的發展趨勢。

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

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，該類橋梁結構對溫度的適應 性較好，在結構中可少設伸縮縫，甚至不設(例如德國斯圖加特的內森巴赫橋)，橋梁的整體性好。

4.2鑄鋼節點的若干研究課題

管狀結構是一種高效輕型結構，而鑄鋼節點以 其自身的優越性，配合管狀構件必將在橋梁工程中 得到廣泛的應用。目前國外針對橋梁工程中的鑄鋼 節點問題已進行了很多研究，例如世界知名橋梁專家J. Schlaich教授在設計內森巴赫橋時，采用鑄鋼 齒狀節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合部的設計分析;Gundolf Denzer通過有限元分析對 圣奇里安橋所采用鑄鋼節點的構造形式進行了優化，S. C. Haldimann-Sturm 和 A. Nussbaumer 針 對管狀結構橋梁中的鑄鋼節點的疲勞設計問題進行了研究相比之下，我國目前在鑄鋼節點方面的 應用研究還僅針對建筑結構，為促進鑄鋼節點在橋 梁結構中的發展，有必要加強以下幾方面的研究。

 4.2.1鑄鋼節點的彈塑性設計

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

4.2.2鑄鋼節點的抗震性能

帶鑄鋼節點的管狀輕型橋梁中，鑄鋼節點在整 個橋梁結構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點或 鑄鋼支座,在地震發生中將承受較大的 作用力，且一旦失效將導致整個橋梁結構的倒塌。

目前，針對鑄鋼節點抗震性能的研究還較少，且 尚無試驗依據，因而針對高烈度區橋梁結構中的鑄 鋼節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點形式與性能 管狀輕型橋梁一般由鋼管構件與混凝土板組 成，與其它組合結構橋梁類似，需在鋼一混連接面設 置剪力連接件來保證結構的共同工作。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 墩與橋面板經常以點支承的方式固結，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，且同樣需要避免發生類似剛性剪 力連接件的破壞形式，因此應加強與混凝土界面連 接的鑄鋼節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揮作用。

4.2.4鑄鋼節點疲勞性能

橋梁結構承受著車輛的反復荷載，目前對鑄鋼 節點的疲勞研究還不多，一般采用很保守的設計方 法，如增大截面、減小應力幅等，使設計很不經濟，不 利于鑄鋼節點在橋梁工程中的應用發展。國外相關 疲勞試驗表明，一般破壞均在鑄鋼節點與其它桿件 的連接處，而節點本身不會發生任何破壞，疲勞強度 遠大于實際需求。基于此，有學者提出一種經濟的 疲勞設計方法，從定量確定鑄鋼節點的制造誤差或 缺陷來反映鑄鋼節點的疲勞強度，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 高結構整體的經濟性。此外，當鑄鋼節點通過螺紋 形式或者軸承形式與其它構件相連時，在疲勞荷載 的作用下，節點區域的不穩定性增加，需通過理論及 試驗研究確保其安全性及改進構造措施等。

4.2.5鑄鋼節點的制造與檢驗

鑄鋼節點的質量保證除了設計方法的改進，其 制造工藝同樣非常重要，甚至在很多情況下決定了 鑄鋼節點的性能。此外，鑄鋼節點的檢驗方法與精 度是評價其質量的重要手段，尤其是無損檢驗以及 與之對應的儕鋼節點質量等級的設置，某些情況下 還是鑄鋼節點設計的重要前提，例如疲勞設計。目 前國內在這些方面相對落后，例如現行國標《鑄鋼件 超聲探傷及質量評級方法》(GB 7233-87)僅適用 于厚度大于等于30 mm的鑄鋼件，但在管狀結構橋梁中的鑄鋼節點厚度一般是變化的，在焊接接口處通常較薄,按國標則無法檢測,而此處的鑄鋼節點環 形對接焊縫的疲勞問題是整個節點疲勞問題的關 鍵,因此還需加強相關理論及試驗研究。

4.2.6鑄鋼節點的技術標準

技術標準的制定是鑄鋼節點在我國應用和發展 的前提，雖然早在1987年我國就制定了《焊接鋼結構用碳素鑄鋼件標準XGB/T 7659),但其已無法滿 足現代結構中鑄鋼節點的要求，一般在設計時參照 國外的標準。目前國外關于鑄鋼節點的標準主要 有：國際標準ISO 3755、日本標準JIS G5102、美國 標準ASTM A216以及德國標準DIN17182。2008 年7月1日起施行的“鑄鋼節點應用技術規程"是我 國**部有關鑄鋼節點的國家標準，但僅適用于工 業與民用建筑和一般構筑物的鑄鋼節點設計與制 作⑴，并不適用于橋梁工程設計。由于橋梁結構承 受車輛的疲勞荷載和沖擊作用，且工作環境比一般 工業與民用建筑更加惡劣，因此需要制定適用于橋 梁的鑄鋼節點標準或在橋梁規范中增加相應條款。

5結語

鑄鋼節點的應用可以豐富鋼橋、組合結構橋梁 的形式，鑄鋼節點的設計與制造也可以體現一個國 家的工業水平。釆用鑄鋼節點的管狀橋梁結構具有 自重輕、受力明確、造型美觀、施工快速等特點。在 歐洲，這類輕型橋梁結構已在人行橋、公路橋以及鐵 路橋中得到一定應用且備受關注，因此釆用鑄鋼節 點的新型橋梁結構也值得我國橋梁工程界重視。

為推動鑄鋼節點在新型橋梁結構中的應用，應 借鑒國外橋梁領域和國內、外建筑工程領域的成功 經驗，橋梁界首先要有相應的結構設計創意,促使科 研、制造、施工等方面的協力實施。