徐丹 侯方健 馬曉珂

【摘要】大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用到體育場(chǎng)館中，索夾作為索網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系中的重要組成部分，其產(chǎn)品質(zhì)量就顯得至關(guān)重要。本文結(jié)合工程實(shí)例，主要從索夾鑄鋼件鑄造、索夾鑄鋼件與合金鋼異種材質(zhì)焊接、索夾承載力試驗(yàn)研究3個(gè)方面來介紹高強(qiáng)度鑄鋼與合金鋼組合索夾在大跨度體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)上的研究與應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】索夾;鑄造;承載力試驗(yàn)

大跨度索網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越多地運(yùn)用到現(xiàn)代體育場(chǎng)館中，某體育中心項(xiàng)目體育場(chǎng)屋面結(jié)構(gòu)采用全封閉索網(wǎng)體系，也稱輪輻式結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)新穎。本封閉索網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系共由40榀徑向索（直徑分別為100mm、110mm、120mm），和8根環(huán)向索（直徑均位100mm）組成，所有索均采用全封閉索。

體育場(chǎng)全封閉單層索網(wǎng)體系屬于預(yù)應(yīng)力自平衡的全張力結(jié)構(gòu)體系。全張力結(jié)構(gòu)體系必須通過張拉，在結(jié)構(gòu)中建立必要的預(yù)應(yīng)力，才具有結(jié)構(gòu)剛度，以承受載荷和維持形狀。索夾作為預(yù)應(yīng)力體系中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其抗滑移承載能力是保證結(jié)構(gòu)安全性的重要因素之一。體育場(chǎng)索夾包含兩種：環(huán)索索夾和徑向索夾。對(duì)于環(huán)向索夾，徑向索拉力和八根環(huán)向索拉力在徑向上的分力相互平衡，環(huán)索索夾作為連接徑向索和環(huán)向索的關(guān)鍵構(gòu)件，所以環(huán)索索夾的產(chǎn)品質(zhì)量顯得尤為重要。

本文主要從環(huán)索索夾鑄鋼件鑄造、索夾鑄鋼件與中耳板異種材質(zhì)焊接、索夾承載力試驗(yàn)研究3個(gè)方面來介紹高強(qiáng)度鑄鋼與合金鋼組合索夾在大跨度體育場(chǎng)結(jié)構(gòu)上的研究與應(yīng)用。

1.工程簡介

某體育中心項(xiàng)目體育場(chǎng)采用了鋼結(jié)構(gòu)外圈+上部索膜結(jié)構(gòu)，長軸跨度260m，短軸跨度230m，高點(diǎn)高度40m，是國內(nèi)最大跨度的單層索膜結(jié)構(gòu)。

體育場(chǎng)環(huán)索索夾由上下鑄鋼件和中間耳板組成，鑄鋼件材質(zhì)為G20Mn5QT，中間耳板的材質(zhì)為Q390C。環(huán)索索夾上下鑄鋼件和中間耳板通過焊接連接，并通過螺栓與蓋板連接。環(huán)索索夾構(gòu)造見圖1。

2. 索夾鑄造

本工程主要利用三維造型軟件與計(jì)算機(jī)凝固模擬分析軟件相互協(xié)調(diào)，通過凝固模擬預(yù)測(cè)鑄鋼件缺陷、優(yōu)化鑄造工藝，保證環(huán)索索夾鑄鋼件具有優(yōu)良內(nèi)在的質(zhì)量。

我們主要從索夾鑄造工藝方案、過程控制、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)等方面來介紹環(huán)索索夾的鑄造制作方法。

2.1鑄造工藝方案

本項(xiàng)目采用凝固模擬分析軟件對(duì)環(huán)索索夾鑄鋼節(jié)點(diǎn)工藝的凝固過程進(jìn)行模擬。通過分析整個(gè)凝固過程來制定切實(shí)可行的各種工藝措施，從而確保鑄件的凝固過程實(shí)現(xiàn)有效的順序凝固。

凝固模擬是以鑄件充型過程、凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)為核心對(duì)鑄件進(jìn)行鑄造工藝分析。它可以完成鑄件的凝固分析、流動(dòng)分析以及流動(dòng)和傳熱耦合計(jì)算分析，確定鑄鋼件的澆注溫度、澆注速度、澆注時(shí)間、鋼水需求量、砂型中冷卻時(shí)間等工藝參數(shù)，同時(shí)預(yù)測(cè)鑄件縮孔和縮松的傾向。通過凝固模擬預(yù)測(cè)鑄件缺陷、優(yōu)化鑄造工藝，保證鑄鋼件具有優(yōu)良的質(zhì)量。鑄鋼件的凝固分析過程如表1。

2.2索夾鑄造過程控制

鑄造是獲得良好鑄鋼件制作的重要環(huán)節(jié)之一。根據(jù)鑄鋼件結(jié)構(gòu)的特殊性并結(jié)合消失模本身的特點(diǎn)，制定合理的鑄造工藝是鑄件能否成功的關(guān)鍵因素。

2.2.1 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(diǎn)。涂料層厚度需>2mm。

2.2.2 澆注系統(tǒng)

在鑄造生產(chǎn)中，澆注系統(tǒng)是影響鑄件質(zhì)量的重要因素之一。根據(jù)鑄鋼件鑄造的特點(diǎn)，我們制定澆注系統(tǒng)的基本原則如下：

a.確保進(jìn)入型腔的鋼液平穩(wěn)、沒有渦流現(xiàn)象;

b.選擇合理澆注位置，以利于鑄件順序凝固;

c.澆注系統(tǒng)不應(yīng)在鑄件上引起熱應(yīng)力;

d.保證在澆注過程中，金屬液在鑄型內(nèi)有合適的上升速度;

e澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)具排氣、擋渣能力。

2.2.3 熱處理

鑄鋼件熱處理的目的是達(dá)到細(xì)化組織、軟化鑄態(tài)組織、消除鑄鋼件內(nèi)應(yīng)力，最終使鑄件各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足項(xiàng)目要求。本項(xiàng)目鑄件的熱處理方式為淬火加回火。

2.2.4 后處理

鑄件的后處理是鑄鋼件生產(chǎn)的最后一道工序，主要內(nèi)容有：打箱、折除芯骨、拋丸、割去澆冒口、打磨、表面涂裝等，工作量極大，是形成鑄件外觀的關(guān)鍵工序，由于鑄鋼件鑄件形狀復(fù)雜、表面要求高，因此，清理工作量是普通鑄件的一倍。鑄件打磨完畢后，經(jīng)拋丸處理使鑄件形成均勻一致的外觀效果。

2.3 產(chǎn)品檢測(cè)

環(huán)索鑄鋼件鑄造打磨完畢后，先進(jìn)行外觀檢測(cè)，主要檢測(cè)鑄件尺寸公差和鑄件表面粗糙度是否滿足設(shè)計(jì)要求，然后進(jìn)行超聲探傷和磁粉探傷，主要質(zhì)量檢測(cè)要求如下：

2.3.1 鑄件尺寸公差符合《GB/T 6414-1999》要求;

2.3.2 鑄件表面粗糙度 Ra≤40μm;

2.3.3 鑄件超聲探傷 GB/T 7233.1-2009， 2級(jí)合格 ;

2.3.4 鑄件磁粉探傷 GB9444-2007， 2級(jí)合格。

3. 鑄鋼與超厚鋼板焊接

環(huán)索索夾中鑄鋼件與耳板的焊接屬于異種材質(zhì)的焊接，而且中耳板板厚達(dá)到100mm厚，所以如何保證二者的焊接質(zhì)量是環(huán)索索夾制作的重點(diǎn)。

3.1 母材焊接性分析

大家都知道，相對(duì)普通合金鋼來說，鑄鋼件的含碳量較高，焊接性較差，焊接過程中更容易產(chǎn)生缺陷。

環(huán)索索夾中鑄鋼件G20Mn5QT的化學(xué)成分，如表2所示;中耳板Q390C的化學(xué)成分，如表3所示。

依據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)推存的碳當(dāng)量計(jì)算公式：

計(jì)算得出鑄鋼G20Mn5QT的碳當(dāng)量在0.4～0.5之間，Q390C的碳當(dāng)量在0.50～0.55之間。兩者的碳當(dāng)量均較大，焊接難度較大，焊接接頭淬硬傾向較大，冷裂紋敏感性較高，焊接過程中需要進(jìn)行必要的預(yù)熱、后熱等措施。同時(shí)焊接過程中還需嚴(yán)格控制焊接熱輸入，盡量采用較小的焊接熱輸入進(jìn)行焊接。

3.2 焊接方法及焊接材料的選擇

通過以往類似項(xiàng)目鑄鋼件的焊接經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，我們考慮選用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，這種方法熱輸入相對(duì)較小，焊接效率也較高。

考慮到鑄鋼件G20Mn5QT的焊接性較差，我們選擇與之相匹配的焊接材料進(jìn)行焊接，環(huán)索索夾制作CO2焊焊接材料選用ER50-6型THQ-50C實(shí)芯焊絲。

3.3焊接施工工藝

為了保證焊接質(zhì)量，項(xiàng)目專門編寫了焊接專項(xiàng)方案，主要從焊接前、焊接過程中以及焊接完成后三個(gè)方面來控制焊接質(zhì)量。

焊接前，要安排焊工用砂輪機(jī)認(rèn)真打磨坡口兩側(cè)20mm范圍內(nèi)的銹蝕、油污、灰塵等，直至露出金屬光澤。

針對(duì)鑄鋼件與超厚板合金鋼焊接性差，焊接過程中容易產(chǎn)生焊接裂紋的問題，我們焊接前要對(duì)坡口兩側(cè)100mm范圍內(nèi)進(jìn)行充分預(yù)熱，結(jié)合鑄鋼G20Mn5QT和Q390C的成分及板厚確定焊前預(yù)熱溫度不小于150℃，預(yù)熱方法采用電加熱。

焊接過程中需要嚴(yán)格控制焊接熱輸入，防止過大和過小的焊接熱輸入在焊接過程中產(chǎn)生缺陷;同時(shí)焊接過程中需要嚴(yán)格控制層間溫度（150℃～250℃）。施工過程中的焊接工藝參數(shù)參照焊接工藝評(píng)定所制定的工藝參數(shù)，如表4。

焊接完成后需要在焊縫兩側(cè)各100mm范圍內(nèi)全方位均勻進(jìn)行后加熱，后熱溫度≥250℃，采用不少于2層石棉布緊裹并用扎絲捆扎保溫，保溫時(shí)間不小于90分鐘，然后緩冷至環(huán)境溫度。

3.4焊后檢測(cè)

為了防止焊縫產(chǎn)生延遲裂紋，我們?cè)诤附油瓿?4小時(shí)后，對(duì)所有的焊縫進(jìn)行超聲波探傷，檢測(cè)結(jié)果均合格。

4. 索夾承載力試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過靜力加載試驗(yàn)，測(cè)定索夾在極限拉力作用下的應(yīng)力變化情況，驗(yàn)證索夾在極限承載力下的安全性。

4.2試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)材料主要為環(huán)索索夾、反力架，試驗(yàn)設(shè)備主要為四臺(tái)YCW400B千斤頂、油泵、位移計(jì)、DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析儀、電阻式三向應(yīng)變片等。

4.3 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

試驗(yàn)索夾通過耳板和銷軸與反力架相連。通過四臺(tái)YCW400B千斤頂頂推反力架，對(duì)試驗(yàn)索夾施加拉力，具體試驗(yàn)示意圖見圖2。

本次試驗(yàn)最大拉力取拉索最小破斷力14500KN。加載設(shè)備選用4臺(tái)YCW400B穿心千斤頂，4臺(tái)千斤頂頂推合力達(dá)到16000KN。試驗(yàn)前采用與其配套的精密壓力表在實(shí)驗(yàn)室專業(yè)設(shè)備上進(jìn)行標(biāo)定，以保證油泵壓力表的讀數(shù)與千斤頂?shù)膹埨?zhǔn)確對(duì)應(yīng)。

試驗(yàn)分加載和卸載兩階段。加載共分11級(jí)，卸載共分7級(jí)，見表5。試驗(yàn)時(shí)逐級(jí)加載和逐級(jí)卸載，每級(jí)荷載穩(wěn)壓2min后讀取數(shù)據(jù)。

在加載過程中，采用電阻式三向應(yīng)變片監(jiān)測(cè)索夾表面應(yīng)變，采用位移計(jì)監(jiān)測(cè)索夾表面相對(duì)位移，采用DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析儀自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電腦中。

應(yīng)力、位移測(cè)量點(diǎn)的布置十分重要，三向應(yīng)變片的測(cè)點(diǎn)布置和位移測(cè)點(diǎn)如圖3、4所示。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

4.4.1 除去測(cè)點(diǎn)2、9、29、31、33的數(shù)據(jù)無效外，其他測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力均隨載荷的增大而增大，高應(yīng)力區(qū)主要集中在中間板的過渡段，最大等效應(yīng)力位于焊縫部位的測(cè)點(diǎn)16，達(dá)到350Mpa，未達(dá)到材料屈服強(qiáng)度390Mpa，索夾處于彈性應(yīng)力狀態(tài)。

4.4.2 在加載過程中位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無明顯變化。

4.4.3 卸載后，除了測(cè)點(diǎn)15（57Mpa）和測(cè)點(diǎn)16（72Mpa）之都較低外，其它測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力。

4.4.4 卸載后索夾表面未見明顯損傷。

綜上，試驗(yàn)索夾能承受14500KN的拉力。

5.結(jié)論

通過合理的鑄造和焊接工藝，我們能夠制作出合格的高強(qiáng)度鑄鋼與合金鋼組合索夾，索夾極限承載力試驗(yàn)驗(yàn)證了高強(qiáng)度鑄鋼與合金鋼組合索夾能夠很好地運(yùn)動(dòng)到實(shí)際工程中，本項(xiàng)目環(huán)索索夾制作工藝對(duì)今后類似的體育場(chǎng)館工程具有參考和借鑒意義。

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（作者單位：中建鋼構(gòu)有限公司）

【中圖分類號(hào)】TU356

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1671-3362（2019）07-0050-04