铸钢相贯节点的设计与力学计算铸钢相贯节点的设计通过对多个实际工程中铸钢相贯节点的设计与计算的研究，本文提出以下建议。铸钢相贯节点的设计主要包括节点选型、节点外形设计、确定各铸钢管的几何尺寸以及构造设计。
(1)节点类型的确定要充分考虑节点强度、铸造工艺以及经济因素。在实际工程中，应主要采用半空心半实心铸钢相贯节点和空心铸钢相贯节点，若空心铸钢相贯节点可满足强度与铸造工艺的要求，应优先考虑采用该种节点形式。
(2)节点外形主要是根据各杆件的汇交角度、尺寸、位置、强度并考虑建筑造型的美观以及铸造工艺来设计。
(3)各铸钢管的几何尺寸设计主要包括确定各铸钢管的壁厚与长度。铸钢管壁厚的确定要求在保证节点具有足够强度的条件下，充分考虑铸造工艺，因此铸钢管的壁厚不易过薄，通常壁厚与直径之比td=0111～0114<3>.铸钢管长度设计主要是结合节点外形，综合考虑节点重量、施焊空间确定。
(4)铸钢相贯节点的构造设计主要包括确定各铸钢管之间倒角半径的大小、节点的焊接接口形式以及是否设置加劲肋和加劲肋的位置与尺寸，对半空心半实心铸钢相贯节点还需确定减重孔的位置与尺寸。铸钢相贯节点各铸钢管之间倒角半径的范围通常为20mm～100mm，根据其允许范围，在不影响结构功能的条件下，可适当加大倒角半径。铸钢相贯节点与钢管的焊接为对接焊，由于节点中的铸钢管壁厚比相应钢管的要大，若将钢管与铸钢件直接焊接，势必在此处产生较大的焊接应力，因此铸钢节点与钢管的焊接处通常要做焊接槽口，即在焊口部位处，铸钢管壁厚应平滑过渡到与钢管相当的壁厚，槽口尺寸根据铸钢管壁厚与相连钢管壁厚确定。为铸钢相贯节点中常用的焊接接口形式。
铸钢相贯节点的力学计算铸钢相贯节点的力学计算法，通常利用大型通用有限元程序(如ANSYS)进行受力分析。节点的有限元分析通常选实体单元划分网格并根据铸钢材质的屈服强度进行弹性或塑性分析，从而得到节点的应力分布图。通过对应力图的研究，推断节点的应力分布特点，得出节点的应力最大值及其位置，以对节点的承载安全性做出判断。鉴于铸钢材质具有较好的塑性，铸钢相贯节点的强度判断准则可以采用VonMises屈服准则，即当计算点的Mises应力超过材料强度，认为该点进入塑性。除此之外，对那些受力较大、构造复杂的铸钢相贯节点还有必要进行足尺试件或缩尺模型的试验研究。
工程实例工程概况重庆奥林匹克体育中心是一座可以容纳60000名观众的大型综合体育场，总建筑面积63000m2，共分东西南北四面看台。为了建筑造型的需要，在东西看台上方各有一片罩蓬结构。罩蓬的结构形式采用双向平行弦等厚度钢管网壳，其平面投影为梭形，横跨南北看台。网壳两落地点的直线距离312m，东西方向最大宽度78m，网壳厚度4.5m，单块网壳覆盖面积17400m2.
铸钢相贯节点的设计重庆奥林匹克体育中心工程中的铸钢相贯节点位于钢管网壳的下弦平面，与支承在基岩上的斜向支座相连。整个节点汇交10根杆件，其中两杆所受轴向力较大，杆件直径达到550mm，若采用常规的钢管相贯节点根本无法满足加工要求，所以根据该节点的杆件角度、尺寸以及考虑建筑外形将节点设计成鼓形空心铸钢相贯节点，其几何形状如所示。为确保安全及满足节点外形的需要，将节点中受力最大的两杆件设计成变截面，即铸钢管与钢管焊接处的直径与钢管相同，两铸钢管汇交处的直径为865mm，形状类似鼓形。其它各铸钢管为等截面，直径和其相连的钢管直径相同，并且与鼓形面交接处存在倒角，与钢管焊接处设有槽口。各铸钢管的壁厚是相应钢管壁厚的1.5～3倍。为了提高节点的强度与刚度，在承受较大轴向力的杆件内设置加劲肋。铸钢节点的材质参照德国DIN17182标准中的GS20Mn5，其机械性能指标为：屈服强度230MPa、极限强度450MPa、延伸率22%、D级冲击功37J.整个铸钢件重约3.8t.
铸钢相贯节点的受力分析计算模型鼓形空心铸钢相贯节点几何尺寸初步确定后，采用ANSYS软件对节点进行有限元分析。由于节点外型复杂，而且在铸钢管与铸钢管相交处都存在倒角，而ANSYS的前处理器无法对体进行倒角，因此为了使计算结果符合节点的真实受力状态，先用AutoCad建立节点的实体模型，然后将其存为Sat文件，直接输入到ANSYS中。节点建模采用十节点的四面体单元，单元类型为Solid187，网格划分控制单元边长，采用自由网格划分，最小网格尺寸控制在60mm以内。节点荷载是根据网壳结构整体计算的46种工况，从中选取两组最不利工况而得到。其中工况一由两根直径最大的杆件产生最大压力控制，工况二由两根直径最大的杆件产生最大拉力控制。节点荷载的施加是将集中力转换成表面力作用到杆端截面上，在与斜向支座相连杆件的端部施加三方向约束，以反映节点的真实受力状态。
计算结果分析、分别给出了鼓形空心铸钢相贯节点工况一与工况二在设计荷载作用下弹性计算的VonMises应力分布图。由有限元分析可知，鼓形铸钢相贯节点在两工况下的应力分布呈现出区域性特点。各铸钢管与鼓形面相交区域均有应力集中现象，具体应力值受杆件内力、铸钢管尺寸及在鼓形面上所处位置的影响，连接区域越接近鼓形面中部，其应力值对端部施加应力放大越明显。工况一下的应力峰值约为217MPa，工况二下的应力峰值约为90MPa.鼓形面除与铸钢管相交的局部区域有应力集中外，大部分区域的应力水平较低，两工况下的VonMises应力均远小于铸钢材质的屈服强度230MPa.总体而言，鼓形铸钢相贯节点在各铸钢管与鼓形面相交区域有应力集中现象，远离汇交区域的铸钢管及鼓形面上的应力水平较低。
结论(1)铸钢相贯节点由于在厂内整体浇铸而成，不仅可免去相贯线切割，消除重叠焊缝焊接引起的应力集中，而且随着铸造工艺的不断提高，可根据建筑需要生产出具有复杂外形和内腔的节点。目前，国内在一些大跨度结构中已开始采用铸钢相贯节点并逐步推广。(2)铸钢相贯节点按其内部构造可分为实心铸钢相贯节点、空心铸钢相贯节点和半空心半实心铸钢相贯节点三类。在实际工程中，应主要采用半空心半实心铸钢相贯节点和空心铸钢相贯节点。(3)铸钢相贯节点的设计主要包括节点选型、节点外形设计、确定各铸钢管的几何尺寸以及构造设计。节点设计除应满足规定的结构强度外，要充分考虑铸造工艺。(4)铸钢相贯节点的计算方法主要采用有限元分析法，单元类型通常选实体单元，其强度准则采用VonMises屈服准则。