高強度鑄鋼與合金鋼組合索夾研究與應用

徐丹 侯方健 馬曉珂

【摘要】大跨度索網結構廣泛應用到體育場館中，索夾作為索網結構體系中的重要組成部分，其產品質量就顯得至關重要。本文結合工程實例，主要從索夾鑄鋼件鑄造、索夾鑄鋼件與合金鋼異種材質焊接、索夾承載力試驗研究3個方面來介紹高強度鑄鋼與合金鋼組合索夾在大跨度體育場結構上的研究與應用。

【關鍵詞】索夾;鑄造;承載力試驗

大跨度索網結構越來越多地運用到現代體育場館中，某體育中心項目體育場屋面結構采用全封閉索網體系，也稱輪輻式結構體系，結構新穎。本封閉索網結構體系共由40榀徑向索（直徑分別為100mm、110mm、120mm），和8根環向索（直徑均位100mm）組成，所有索均采用全封閉索。

體育場全封閉單層索網體系屬于預應力自平衡的全張力結構體系。全張力結構體系必須通過張拉，在結構中建立必要的預應力，才具有結構剛度，以承受載荷和維持形狀。索夾作為預應力體系中的關鍵節點，其抗滑移承載能力是保證結構安全性的重要因素之一。體育場索夾包含兩種：環索索夾和徑向索夾。對于環向索夾，徑向索拉力和八根環向索拉力在徑向上的分力相互平衡，環索索夾作為連接徑向索和環向索的關鍵構件，所以環索索夾的產品質量顯得尤為重要。

本文主要從環索索夾鑄鋼件鑄造、索夾鑄鋼件與中耳板異種材質焊接、索夾承載力試驗研究3個方面來介紹高強度鑄鋼與合金鋼組合索夾在大跨度體育場結構上的研究與應用。

1.工程簡介

某體育中心項目體育場采用了鋼結構外圈+上部索膜結構，長軸跨度260m，短軸跨度230m，高點高度40m，是國內最大跨度的單層索膜結構。

體育場環索索夾由上下鑄鋼件和中間耳板組成，鑄鋼件材質為G20Mn5QT，中間耳板的材質為Q390C。環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。環索索夾構造見圖1。

2. 索夾鑄造

本工程主要利用三維造型軟件與計算機凝固模擬分析軟件相互協調，通過凝固模擬預測鑄鋼件缺陷、優化鑄造工藝，保證環索索夾鑄鋼件具有優良內在的質量。

我們主要從索夾鑄造工藝方案、過程控制、產品質量檢測等方面來介紹環索索夾的鑄造制作方法。

2.1鑄造工藝方案

本項目采用凝固模擬分析軟件對環索索夾鑄鋼節點工藝的凝固過程進行模擬。通過分析整個凝固過程來制定切實可行的各種工藝措施，從而確保鑄件的凝固過程實現有效的順序凝固。

凝固模擬是以鑄件充型過程、凝固過程數值模擬技術為核心對鑄件進行鑄造工藝分析。它可以完成鑄件的凝固分析、流動分析以及流動和傳熱耦合計算分析，確定鑄鋼件的澆注溫度、澆注速度、澆注時間、鋼水需求量、砂型中冷卻時間等工藝參數，同時預測鑄件縮孔和縮松的傾向。通過凝固模擬預測鑄件缺陷、優化鑄造工藝，保證鑄鋼件具有優良的質量。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節之一。根據鑄鋼件結構的特殊性并結合消失模本身的特點，制定合理的鑄造工藝是鑄件能否成功的關鍵因素。

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，防止鑄件表面產生機械或化學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、強度高、干燥速度快等特點。涂料層厚度需>2mm。

2.2.2 澆注系統

在鑄造生產中，澆注系統是影響鑄件質量的重要因素之一。根據鑄鋼件鑄造的特點，我們制定澆注系統的基本原則如下：

a.確保進入型腔的鋼液平穩、沒有渦流現象;

b.選擇合理澆注位置，以利于鑄件順序凝固;

c.澆注系統不應在鑄件上引起熱應力;

d.保證在澆注過程中，金屬液在鑄型內有合適的上升速度;

e澆注系統的結構應具排氣、擋渣能力。

2.2.3 熱處理

鑄鋼件熱處理的目的是達到細化組織、軟化鑄態組織、消除鑄鋼件內應力，最終使鑄件各項性能指標滿足項目要求。本項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的最后一道工序，主要內容有：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鍵工序，由于鑄鋼件鑄件形狀復雜、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，經拋丸處理使鑄件形成均勻一致的外觀效果。

2.3 產品檢測

環索鑄鋼件鑄造打磨完畢后，先進行外觀檢測，主要檢測鑄件尺寸公差和鑄件表面粗糙度是否滿足設計要求，然后進行超聲探傷和磁粉探傷，主要質量檢測要求如下：

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級合格 ;

2.3.4 鑄件磁粉探傷 GB9444-2007， 2級合格。

3. 鑄鋼與超厚鋼板焊接

環索索夾中鑄鋼件與耳板的焊接屬于異種材質的焊接，而且中耳板板厚達到100mm厚，所以如何保證二者的焊接質量是環索索夾制作的重點。

3.1 母材焊接性分析

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

環索索夾中鑄鋼件G20Mn5QT的化學成分，如表2所示;中耳板Q390C的化學成分，如表3所示。

依據國際焊接學會推存的碳當量計算公式：

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

3.2 焊接方法及焊接材料的選擇

通過以往類似項目鑄鋼件的焊接經驗并結合焊接工藝評定試驗，我們考慮選用CO2氣體保護焊進行焊接，這種方法熱輸入相對較小，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行焊接，環索索夾制作CO2焊焊接材料選用ER50-6型THQ-50C實芯焊絲。

3.3焊接施工工藝

為了保證焊接質量，項目專門編寫了焊接專項方案，主要從焊接前、焊接過程中以及焊接完成后三個方面來控制焊接質量。

焊接前，要安排焊工用砂輪機認真打磨坡口兩側20mm范圍內的銹蝕、油污、灰塵等，直至露出金屬光澤。

針對鑄鋼件與超厚板合金鋼焊接性差，焊接過程中容易產生焊接裂紋的問題，我們焊接前要對坡口兩側100mm范圍內進行充分預熱，結合鑄鋼G20Mn5QT和Q390C的成分及板厚確定焊前預熱溫度不小于150℃，預熱方法采用電加熱。

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

焊接完成后需要在焊縫兩側各100mm范圍內全方位均勻進行后加熱，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，保溫時間不小于90分鐘，然后緩冷至環境溫度。

3.4焊后檢測

為了防止焊縫產生延遲裂紋，我們在焊接完成24小時后，對所有的焊縫進行超聲波探傷，檢測結果均合格。

4. 索夾承載力試驗

4.1 試驗目的

通過靜力加載試驗，測定索夾在極限拉力作用下的應力變化情況，驗證索夾在極限承載力下的安全性。

4.2試驗設備及材料

試驗材料主要為環索索夾、反力架，試驗設備主要為四臺YCW400B千斤頂、油泵、位移計、DH3816N靜態應變測試分析儀、電阻式三向應變片等。

4.3 試驗內容及方法

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

本次試驗最大拉力取拉索最小破斷力14500KN。加載設備選用4臺YCW400B穿心千斤頂，4臺千斤頂頂推合力達到16000KN。試驗前采用與其配套的精密壓力表在實驗室專業設備上進行標定，以保證油泵壓力表的讀數與千斤頂的張拉力準確對應。

試驗分加載和卸載兩階段。加載共分11級，卸載共分7級，見表5。試驗時逐級加載和逐級卸載，每級荷載穩壓2min后讀取數據。

在加載過程中，采用電阻式三向應變片監測索夾表面應變，采用位移計監測索夾表面相對位移，采用DH3816N靜態應變測試分析儀自動采集數據，并將數據存儲在電腦中。

應力、位移測量點的布置十分重要，三向應變片的測點布置和位移測點如圖3、4所示。

4.4 試驗結果

4.4.1 除去測點2、9、29、31、33的數據無效外，其他測點的應力均隨載荷的增大而增大，高應力區主要集中在中間板的過渡段，最大等效應力位于焊縫部位的測點16，達到350Mpa，未達到材料屈服強度390Mpa，索夾處于彈性應力狀態。

4.4.2 在加載過程中位移監測數據無明顯變化。

4.4.3 卸載后，除了測點15（57Mpa）和測點16（72Mpa）之都較低外，其它測點的殘余應力。

4.4.4 卸載后索夾表面未見明顯損傷。

綜上，試驗索夾能承受14500KN的拉力。

5.結論

通過合理的鑄造和焊接工藝，我們能夠制作出合格的高強度鑄鋼與合金鋼組合索夾，索夾極限承載力試驗驗證了高強度鑄鋼與合金鋼組合索夾能夠很好地運動到實際工程中，本項目環索索夾制作工藝對今后類似的體育場館工程具有參考和借鑒意義。

參考文獻

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（作者單位：中建鋼構有限公司）

【中圖分類號】TU356

【文獻標識碼】A

【文章編號】1671-3362（2019）07-0050-04