铸钢节点在轻型桥梁结构中的应用研究

摘要：铸钢节点以其拓扑形状适应性强、受力性能好、施工方便等特点，适用于轻型管状结构桥梁。轻型桥 梁中的铸钢节点按其连接作用类型可分为：铸钢交汇节点、铸钢支点以及钢一混结合面的铸钢齿状节点等。结合 铸钢节点在轻型桥梁结构中的应用优势,介绍其在桥梁中的应用情况，并探讨桥梁铸钢节点需要进一步研究的问题。

关键词：桥梁工程；轻型桥梁；铸钢节点；管状结构；树状桥墩

1引言

在桥梁工程中，铸钢件主要应用于形状复杂、应 力集中的结构部位，如：铸钢支座（摇轴支座和辐轴 支座）、耳板销接节点、铸钢索夹、悬索桥鞍座等。

随着轻型桥梁结构的进一步发展，管状结构在 桥梁工程中**发展潜力。在釆用管状构件的桥梁 中，由于在杆件交汇处直接釆用焊接或栓接存在困 难，其制造及受力可靠性成为一个技术瓶颈，而整体 铸钢节点是解决这一问题的好方法。目前，釆用铸 钢节点与管状构件的桥梁在我国还是空白；相比之 下，铸钢节点在我国的大型建筑结构（体育场馆、会 展中心、航站楼等）工程中已得到较多的应用⑴。

铸钢节点配合管状构件在桥梁工程应用中的优 势主要表现为：1.铸钢节点在工厂整体铸造，避免了 管状构件焊接节点的相贯线切割及交叉焊缝，从而 减少热影响区的缺陷和残余应力，保证了节点区域 优良的力学性能；2.铸钢节点可以有复杂的外形和 内腔，可按受力状况采用合理的拓扑形状;3.铸钢节 点的化学成份要求很高，材质均匀且具有良好的强 度、塑性、韧性、可焊性及疲劳性能等；4.铸钢节点既 可用于桥梁结构中的管状构件交汇处，也可用于管 状构件与混凝土构件的连接面等，其与周围杆件的 连接方式主要为焊接，也可根据需要设计成螺纹连 接或销轴连接形式。

总之，铸钢节点将节点与构件的焊接部位转移 到应力比较平顺的节点区之外，可以大大提高桥梁 结构的组拼质量、施工速度和耐久性，有利于促进桥 梁结构向轻质、高效方向发展。

2轻型桥梁中的铸钢节点形式

在管状轻型结构桥梁中，根据铸钢节点的连接作用分为3种类型：1.管状构件的铸钢交汇节点；2.铸钢支点；3.钢一混结合面的铸钢齿状节点。

3铸钢节点在桥梁工程中的应用

目前在欧洲尤其是德国，铸钢节点配合管状构 件在桥梁工程中已得到一定应用m ,包括人行桥、 公路桥和铁路桥（见表Do

3.1人行桥

铸钢节点在国外的人行桥中得到了很多应用， 如钢一混连接部位及管状构件的交汇部位。

3.2公路桥

德国斯图加特的内森巴赫桥是一座钢一混组合结构公路桥梁,位于狭长而秀美的内森巴赫山谷，其流畅的线形、通透的结构形式，宛若空中交通联廊掩映在郁郁葱葱的谷底，实现了结构功 能与环境的高度统一。桥梁结构中的混凝土桥面板 支承在钢管桁架上，而上述两者的重量又被几个树 状钢管桥墩支承。该桥中的钢管桁架与混凝土桥面 的连接部位应用了铸钢齿状节点，钢管桁架和树状钢管桥墩釆用了铸钢交汇节点。德国的圣奇里安桥同样采用了类似的铸钢节点。

德国的夏顿恩桥与昆特一慕新根桥分别为钢一混凝土组合拱桥、管状桁 架组合梁桥。管状构件的铸钢交汇节点、钢一混结合部位的铸钢齿状节点以及铸钢支点在上述两桥中均得到了应用。

3.3铁路桥

德国柏林的新建火车站中的所有桥梁都被钢管 树状桥墩支承。车站附近跨汉布特港 (Humboldthafen)河的桥梁为钢一混组合拱桥。上述桥梁中均应用了管状构件的铸钢交汇节点和钢一混结合部位的铸钢齿状节点。

4轻型桥梁结构与铸钢节点的研究

4.1带铸钢节点的管状结构

轻型化是桥梁结构的一个发展方向，而钢材以 其较小的重量强度比能很好地适应轻型化的发展趋势。

管状构件不但充分发挥了钢材在轻型方面的优势，且由于其刚度大、抗压和抗扭性能好，同样承载 能力的管状构件钢材用量比型钢要小得多，可节约钢材20%以上。因此，管状结构是一种值得重视的 高效轻型结构，在桥梁结构的桁架梁、桁式拱肋、钢 管桥墩中均可应用。

从国外的实践来看，一些采用树状桥墩直接承 托混凝土板的桥梁，打破了传统桥梁布局中梁、墩分离的概念,使桥梁整体更具视觉美感。铸钢节点可以使钢管桥墩以点支承的方式连接于桥面板。由于钢管的刚度相对较小，该类桥梁结构对温度的适应 性较好，在结构中可少设伸缩缝，甚至不设(例如德国斯图加特的内森巴赫桥)，桥梁的整体性好。

4.2铸钢节点的若干研究课题

管状结构是一种高效轻型结构，而铸钢节点以 其自身的优越性，配合管状构件必将在桥梁工程中 得到广泛的应用。目前国外针对桥梁工程中的铸钢 节点问题已进行了很多研究，例如世界知名桥梁专家J. Schlaich教授在设计内森巴赫桥时，采用铸钢 齿状节点作为混凝土桥面板与钢管腹杆之间的连接 件，并且利用有限元分析与拉压杆方法进行结合部的设计分析;Gundolf Denzer通过有限元分析对 圣奇里安桥所采用铸钢节点的构造形式进行了优化，S. C. Haldimann-Sturm 和 A. Nussbaumer 针 对管状结构桥梁中的铸钢节点的疲劳设计问题进行了研究相比之下，我国目前在铸钢节点方面的 应用研究还仅针对建筑结构，为促进铸钢节点在桥 梁结构中的发展，有必要加强以下几方面的研究。

 4.2.1铸钢节点的弹塑性设计

在杆件交汇节点处，不规则几何形状带来局部 应力集中，如完全按照弹性方法设计,必然会使铸钢 节点的几何尺寸及材料用量大大增加，导致设计过 于保守。故对局部应力集中应有恰当认识，由于铸 钢节点有较好的塑性性能，因此允许铸钢节点有部 分塑性开展是合适的设计方法。目前多采用基于 Von Mises等效应力的强度准则，但在考虑缺陷模 拟分析和建立实用强度准则方面，还应加强铸钢节 点弹塑性设计方面的理论与试验研究。

4.2.2铸钢节点的抗震性能

带铸钢节点的管状轻型桥梁中，铸钢节点在整 个桥梁结构的抗震受力体系中占有重要的地位。例 如，树状钢管桥墩分叉处的铸钢节点或 铸钢支座,在地震发生中将承受较大的 作用力，且一旦失效将导致整个桥梁结构的倒塌。

目前，针对铸钢节点抗震性能的研究还较少，且 尚无试验依据，因而针对高烈度区桥梁结构中的铸 钢节点进行抗震性能的理论与试验研究是今后一个 重要的研究课题。

4. 2.3与混凝土界面连接的铸钢节点形式与性能 管状轻型桥梁一般由钢管构件与混凝土板组 成，与其它组合结构桥梁类似，需在钢一混连接面设 置剪力连接件来保证结构的共同工作。以往的研究 表明，在水平剪力及疲劳荷载作用下，柔性剪力连接 件主要在焊接部位发生破坏，例如栓钉与母材的焊 接面，而刚性剪力连接件的破坏形式为连接件附近 的混凝土劈裂或压碎。在管状轻型桥梁中，钢管桥 墩与桥面板经常以点支承的方式固结，且混凝土板 通常做得较薄，因此对剪力连接件的要求与以往不 同。铸钢齿状节点的运用可以避免类似柔性剪力连 接件的破坏形式，且同样需要避免发生类似刚性剪 力连接件的破坏形式，因此应加强与混凝土界面连 接的铸钢节点形式及其性能研究，使其能够在管状 轻型桥梁中更好地发挥作用。

4.2.4铸钢节点疲劳性能

桥梁结构承受着车辆的反复荷载，目前对铸钢 节点的疲劳研究还不多，一般采用很保守的设计方 法，如增大截面、减小应力幅等，使设计很不经济，不 利于铸钢节点在桥梁工程中的应用发展。国外相关 疲劳试验表明，一般破坏均在铸钢节点与其它杆件 的连接处，而节点本身不会发生任何破坏，疲劳强度 远大于实际需求。基于此，有学者提出一种经济的 疲劳设计方法，从定量确定铸钢节点的制造误差或 缺陷来反映铸钢节点的疲劳强度，使之与连接部位 的焊接疲劳强度相等，在保证疲劳强度的前提下，提 高结构整体的经济性。此外，当铸钢节点通过螺纹 形式或者轴承形式与其它构件相连时，在疲劳荷载 的作用下，节点区域的不稳定性增加，需通过理论及 试验研究确保其安全性及改进构造措施等。

4.2.5铸钢节点的制造与检验

铸钢节点的质量保证除了设计方法的改进，其 制造工艺同样非常重要，甚至在很多情况下决定了 铸钢节点的性能。此外，铸钢节点的检验方法与精 度是评价其质量的重要手段，尤其是无损检验以及 与之对应的儕钢节点质量等级的设置，某些情况下 还是铸钢节点设计的重要前提，例如疲劳设计。目 前国内在这些方面相对落后，例如现行国标《铸钢件 超声探伤及质量评级方法》(GB 7233-87)仅适用 于厚度大于等于30 mm的铸钢件，但在管状结构桥梁中的铸钢节点厚度一般是变化的，在焊接接口处通常较薄,按国标则无法检测,而此处的铸钢节点环 形对接焊缝的疲劳问题是整个节点疲劳问题的关 键,因此还需加强相关理论及试验研究。

4.2.6铸钢节点的技术标准

技术标准的制定是铸钢节点在我国应用和发展 的前提，虽然早在1987年我国就制定了《焊接钢结构用碳素铸钢件标准XGB/T 7659),但其已无法满 足现代结构中铸钢节点的要求，一般在设计时参照 国外的标准。目前国外关于铸钢节点的标准主要 有：国际标准ISO 3755、日本标准JIS G5102、美国 标准ASTM A216以及德国标准DIN17182。2008 年7月1日起施行的“铸钢节点应用技术规程"是我 国**部有关铸钢节点的国家标准，但仅适用于工 业与民用建筑和一般构筑物的铸钢节点设计与制 作⑴，并不适用于桥梁工程设计。由于桥梁结构承 受车辆的疲劳荷载和冲击作用，且工作环境比一般 工业与民用建筑更加恶劣，因此需要制定适用于桥 梁的铸钢节点标准或在桥梁规范中增加相应条款。

5结语

铸钢节点的应用可以丰富钢桥、组合结构桥梁 的形式，铸钢节点的设计与制造也可以体现一个国 家的工业水平。釆用铸钢节点的管状桥梁结构具有 自重轻、受力明确、造型美观、施工快速等特点。在 欧洲，这类轻型桥梁结构已在人行桥、公路桥以及铁 路桥中得到一定应用且备受关注，因此釆用铸钢节 点的新型桥梁结构也值得我国桥梁工程界重视。

为推动铸钢节点在新型桥梁结构中的应用，应 借鉴国外桥梁领域和国内、外建筑工程领域的成功 经验，桥梁界首先要有相应的结构设计创意,促使科 研、制造、施工等方面的协力实施。