近日，广州大剧院被评为2013年度世界十大歌剧院。大剧院外围护结构的节点采用铸钢节点，由精工钢构进行深化设计。铸钢节点腔内设置了复杂的构造措施，这在国内外钢结构中尚不多见。部分尺寸和重量超限的节点将分段铸造，这在国内建筑钢结构工程中也是首次出现。
铸钢节点
整体安装完成
1 工程概况
广州大剧院（图1）位于珠江新城中心区南部，为广州的标志性建筑。其占地4.2万m2，总建筑面积4.6万m2，包括1800座的大剧场、400座的多功能厅以及4000 m2的前厅和休息厅、地下停车场和其他辅助设施，工程总投资超过10亿元。
大剧场和多功能厅二者的几何外形呈石头形状，被形象地称为“双砾”，又分别被称为“大石头”和“小石头”，其建筑寓意是宛如两块被珠江水冲刷过的灵石。“大石头”的水平投影长度和宽度分别是127m和125m，高度为43m；“小石头”的水平投影长度和宽度分别是87.6m和86.7m，高度为25m。
图1大剧院效果图
1.1 外围护钢结构体系
大剧场和多功能厅的外围护结构（图2）采用空间组合折板式三向斜交网壳，结构的整体几何形状为不规则多面体。大剧场外围护结构有64个面和104条棱线，外表面积约为23180m2，最小和最大二面角分别为79°和177.5°；多功能厅外围护结构有37个面和54条棱线，外表面积约为9440m2，最小和最大二面角分别为43.9°和174.1°。
大剧场和多功能厅外围护结构的每个面均为三角形或四边形(图3)， 将其边做若干分段，在面内连接形成三向网格，以边作为主梁，内部网格则采用次梁连接，主次梁均采用钢箱梁。在大剧场和多功能厅的外围护结构落地处设置收边 环梁，其下设置球形支座，其中多数为固定铰支座，支承主梁处的支座为可滑动支座；在两个钢网壳的内部于多面体顶点分别设置14个和4个支点，均采用可滑动支座。
图2外围护结构示意图
图3外围护钢结构的一个典型面
1.2 大剧院铸钢节点
大剧场和多功能厅的外围护结构的节点采用铸钢节点。本工程共使用了69个铸钢节点，图4给出了其中的两个节点及其构造特征。
本工程所使用的铸钢节点具有形状复杂、多分肢、体积和重量巨大等特点；铸钢节点在承载时处于复杂受力状态，为了保证其承载力，腔内设置了复杂的构造措施，这些在国内外钢结构中尚不多见。另外，本工程中共有23个铸钢节点由于尺寸和重量超限，国内现有的铸造生产水平和一般的运输方式都要求将其分段铸造和热处理，然后分别运输到现场，这种情况首次出现在国内建筑钢结构工程中。
图4 两个铸钢节点
2 铸钢节点深化设计
2.1 铸钢节点分类及设计难点
本工程铸钢节点可分为如下几类：(1)形状复杂；(2)质量巨大；(3)分肢较长；(4)分肢众多，某些铸钢节点甚至集多种特征于一体。图5给出了四类节点中最典型的节点：DZG27不仅肢管较多、长度和截面尺寸不一，而且相互之间空间关系复杂；DZG20为最重的铸钢节点，其重量为39.55t；DZG3左肢和右肢最大长度之和接近18m，两个长肢的夹角较小；DZG18共有10个分肢，长度和截面尺寸各异，相互之间空间关系复杂，三个较长肢管两两间夹角较小。
图5四个典型的铸钢节点
本工程在深化设计时面临的突出难题是铸钢节点的“找形”，即以光滑曲面实现各肢管的平滑连接。本工程采用SolidWorks三维建模。首先利用Tekla Structures建立的整体模型参数，根据倒角半径，将各管肢端部保留一定长度的平直段，而后利用造型曲面将各肢管进行平滑连接，然后对铸钢节点增加实体特征（图6）。本工程中铸钢节点多而不同，对于每个节点都需要进行三维精确建模，工作量非常大。表1给出了各个铸钢节点的重量及汇总数据。
图6 在SolidWorks对铸钢节点进行三维实体建模
表1 铸钢节点重量明细表(t)
|
大石头(大剧场)铸钢件 |
小石头(多功能厅)铸钢件 |
||||||||
|
DZG1 |
16.26 |
DZG17 |
19.40 |
DZG33 |
26.47 |
XZG1 |
10.73 |
XZG12 |
17.87 |
|
DZG2 |
16.16 |
DZG18 |
36.97 |
DZG37 |
23.48 |
XZG2 |
5.85 |
XZG13 |
7.10 |
|
DZG3 |
35.56 |
DZG19 |
12.92 |
DZG38 |
19.18 |
XZG3 |
7.11 |
XZG14 |
9.84 |
|
DZG4 |
24.29 |
DZG20 |
39.55 |
DZG34 |
21.23 |
XZG4 |
13.47 |
XZG15 |
9.10 |
|
DZG5 |
9.81 |
DZG21 |
13.09 |
DZG35 |
12.60 |
XZG5 |
11.26 |
XZG16 |
26.96 |
|
DZG6 |
12.86 |
DZG22 |
15.25 |
DZG36 |
14.36 |
XZG6 |
18.94 |
XZG17 |
5.08 |
|
DZG7 |
19.51 |
DZG23 |
16.07 |
DZG39 |
13.17 |
XZG7 |
21.21 |
XZG18 |
16.10 |
|
DZG8 |
13.34 |
DZG24 |
6.74 |
DZG40 |
5.19 |
XZG8 |
24.04 |
XZG19 |
10.04 |
|
DZG9 |
16.04 |
DZG25 |
10.57 |
DZG41 |
20.06 |
XZG9 |
14.77 |
XZG22 |
11.53 |
|
DZG10 |
9.51 |
DZG26 |
29.88 |
DZG50 |
12.23 |
XZG10 |
10.36 |
XZG25 |
16.46 |
|
DZG11 |
18.37 |
DZG27 |
36.39 |
DZG52 |
8.18 |
XZG11 |
11.08 |
||
|
DZG12 |
14.23 |
DZG28 |
12.09 |
DZG53 |
8.66 |
数据汇总 |
|||
|
DZG13 |
20.62 |
DZG29 |
8.28 |
DZG54 |
20.21 |
个数 |
总重 |
均重 |
|
|
DZG14 |
7.96 |
DZG30 |
8.59 |
DZG55 |
12.54 |
大石头 |
48 |
806.31 |
16.80 |
|
DZG15 |
17.18 |
DZG31 |
12.73 |
DZG56 |
8.30 |
小石头 |
21 |
278.89 |
13.28 |
|
DZG16 |
24.41 |
DZG32 |
11.92 |
DZG57 |
13.89 |
总计 |
69 |
1085.2 |
15.73 |
2.2 深化设计主要技术要点
2.2.1壁厚的确定
由于满足受力要求的中心区壁厚一般较大，中心区壁厚一般由受力要求确定。肢管壁厚的确定原则是梁与肢管的连接为等强连接，同时肢管壁厚应足够大。为避免壁厚突变引起应力集中，让肢管的壁厚呈线性变化，即由端口至鼓形体壁厚平滑过渡。见图7。
图7铸钢节点壁厚的确定
2.2.2 加劲肋的布置
铸钢节点腔内加劲肋布置原则如下：
（1）节点中心区的加劲肋一般沿节点的最长方向布置，其厚度一般与中心区翼缘厚度相同；若中心区面积过大，一道加劲肋不足以保证节点的承载力，则沿相同方向布置相同壁厚的加劲肋 (图8)。
（2）在距每个管口50mm的距离都设置一道工艺加劲肋；若肢管长度较长，则布置若干道工艺加劲肋，其距离根据计算和铸造工艺确定(图9)。
（3）在各肢管与中心区连接的过渡区域设置一道加劲肋，其形式和尺寸一般与工艺加劲肋相同(图9)。
（4）若肢管较长，应布置若干道受力加劲肋，其位置、间距、形式和尺寸需要根据有限元分析和构造要求确定。
（5）所有加劲肋必须开洞，即加劲肋一般为环形。
(a) DZG2中心区加劲肋的设置
(b) DZG10中心区加劲肋的设置
图8铸钢节点中心区加劲肋的设置
图9DZG2的肢管B的加劲肋的设置
2.2.3重量和尺寸超限的铸钢节点的分段和对接
本工程中1/3的铸钢节点尺寸和重量过大，受到国内现有超大铸钢节点铸造水平和一般热处理炉容量的限制，需要将其分段铸造和热处理。四个典型铸钢节点的分段如图10所示。
图10四个典型节点的分段
不同于一般构件的对接，铸钢节点分段的端口一般为非规则形状，而且往往为斜切而成(图11)，焊接坡口的形式、尺寸和位置对于分段的顺利对接有非常重要的影响。从图12可以看到，当两分段为斜切而成时已经产生了一部分坡口，端口上需要另外再开坡口的位置为另一分段自然坡口的相对位置、垂直于切面的位置以及需要进一步加工的自然坡口。当端口为“H”型或“□”型等简单形状时，很容易判断出需要开坡口的位置；然而，当端口为非规则形状时，需要将端口对正后固定好两分段，然后标记出需要开坡口的位置，这样才能开坡口。本工程焊接坡口的形式和尺寸参照图13所示的做法。为方便分段的现场对接，要求在两端口的相对位置焊接耳板。
图11 XZG8的一段的端口
图12斜接坡口示意图
图13铸钢件分段的焊接坡口
2.3 典型节点DZG31的深化设计
2.3.1 DZG31的截面尺寸及构造
如图14所示，DZG31共有9个肢管，其中A~H和梁连接，P和支座连接，A~H为箱形管，P为锥形管；相邻肢管之间用倒角连接，肢管的上下翼缘采用鼓形体连接，各肢管的内部都设置加劲肋以提高节点的刚度。表2为各肢管端口尺寸及中心区板厚。图15为DZG31的节点参数及部分端口剖面图。
图14 DZG31的3D模型及肢管编号
表2 各肢管端口尺寸及鼓形体厚度
图15 DZG31的节点参数及部分端口剖面图
2.3.2 DZG31有限元分析
将肢管A~H固定，在肢管P的底面施加17.638MPa的均匀压力，肢管P承受的总压力为10000kN，大约为1.3倍的设计荷载。计算时采用完全弹性假定。采用SolidWorks作为建模工具，ANSYS WorkBench作为分析工具。有限元模型见图16。
图16有限元模型
如图17所示，DJD31的变形很小，最大位移仅为1.67mm，因此该节点具备很大的刚度；如图18所示，铸钢节点的最大等效应力为213MPa，未超出屈服强度，最大应力发生的位置是肢管B靠近端口的加劲肋的角部。
图17 位移云图
图18 von Mises应力云图
3 铸钢节点检验标准及铸造生产
3.1 检验标准
目前，国内铸钢节点的制作和检验标准没有跟上钢结构工程的发展，如果执行国内现行铸钢件的相关标准，将不能保证获得具有较高外在和内部质量以及良好焊接性能的铸钢节点。因此，需要在综合国内外铸钢节点相关标准的基础上针对本工程制定铸钢节点的检验标准。
精工钢构针对铸钢节点的材质、化学成分、机械性能、尺寸偏差和内部缺陷等向铸造厂家提出具体的技术要求，并负责制定检验标准。
3.2 铸钢节点的生产
本工程铸钢节点在生产过程中的难点和重点为：1）模型制作及造型；2）铸造变形和缺陷控制；3）超长节点的铸造。超长铸钢节点的生产方法可以概况为整模制作和剖分
分模造型分段铸造分别热处理搭架试对接（图19）。
图19 超长节点的试对接
铸钢节点的铸造方法：将液态合金注入铸型，待其冷却凝固后，就可以获得铸钢件毛坯，毛坯经过一系列的处理便可以得到满足使用要求的最终产品（图20）。
(a) 未打磨的铸钢节点
(b) 成品铸钢节点
图20 铸钢节点
本工程所采用的模型为木模和消失模（图21）。 木模是形成铸型型腔的主要工艺装备，其整体实样采用干燥的红松材料制作，表明刷涂聚胺酯油漆。对于消失模，要求将其密度控制在一定范围内，以控制发气量， 防止铸件产生气孔；由于模型较为复杂，需要分块制造，而后粘结成整体模型。模型制作前要求采用计算机建模，以确保放样精度，模型制作完毕须经检验合格方可 进行造型。
(a) 木模模型
(b) 消失模模型
图21 节点模型
铸钢节点常用的铸造方法有砂型铸造（图22）和消失模铸造。在大剧院工程中，上述两种方法均有采用。采用砂型铸造时，模型制作难度较大，而且造型繁琐，费工时较多；采用消失模铸造时，由于模型强度和刚度较低，需要控制好其变形，否则会极大影响铸钢件的尺寸精度。
图22 砂型造型
铸件内部缺陷的检测方法为超声波探伤和磁粉探伤（图23）。磁粉探伤用于检查铸件表面或接近表面的裂纹，以及夹渣和孔洞等缺陷，超声波探伤则用于检查各种厚度铸件内部的裂纹和夹渣等缺陷。
(a) 超声波探伤
(b) 磁粉探伤
图23 铸钢节点的无损探伤
4 力学性能试验
4.1 试验方案
以DZG6铸钢节点（图24）的试验进行说明。固定A~G，对P施加竖直向上的荷载，试验的加载方法如图25所示。测量的主要内容包括：1）位移测点各级荷载作用下的挠度；2）应变测点在各级荷载作用下的应变。
(a)DZG6实物照片
(b) DZG6肢管编号图
图24 DZG6及肢管编号
图25 加载架示意图
加载仪器是12000kN液压千斤顶，由千斤顶、高压油管、油泵、压力传感器、静态电阻应变仪等组成加载-测试系统。加载架为钢筋混凝土结构，由基座和七个立柱组成，基座承受肢管P对液压千斤顶的反力，七个立柱分别固定DZG6的七个肢管。加载曲线见图26。
图26 加载曲线
4.2 试验结果
试验得到的典型荷载-应变曲线如图27，28所示。通过对试验结果的分析可以发现：1）铸钢节点的工作状态处于弹性范围；2）铸钢节点具有很大的刚度；3）中心区加劲肋的设置和采用较大的壁厚有效降低了鼓型体的应力水平；4）铸钢节点的应力呈区域性性分布的特点，从端口到鼓型体应力的变化趋势是“低→高→低”； 5）从肢管到鼓型体，力流沿一定方向扩散，减少了应力集中。
图27肢管A翼缘的应变
图28 肢管C与鼓形体相贯处的应变
