专利名称：竹结构的螺栓球预应力转换接头的制作方法
技术领域：
本发明属于建筑工程领域，涉及一种竹结构的螺栓球预应力转换接头。
背景技术：
竹材是地球上分布较为广泛的一种天然绿色可再生材料，具有较高的比强度和比刚度和柔韧性等优点。我国的竹材资源非常丰富，长期以来被广泛应用于工农业生产和生活的各个方面，特别是在2010年世博会以后，社会各界更加重视低碳环保的可持续发展，人们又开始研究如何把这个古老的材料运用于现代建筑领域中，使其重新焕发新的青春。为了使竹材能够更加广泛地应用于现代建筑领域，其关键点之一是如何解决竹材之间的连接问题。由于竹材生长过程的不可控性决定了其口径、壁厚等截面几何尺寸的不规则性，竹材不可能像经过人工制造生产出来的型钢那样具有很好的尺寸稳定性。因此，在过去千百年的生产生活中，人们一直采用绑扎、榫卯、螺栓、套筒等方式将竹材连接，连接强度和刚度很难得到保障，因而直接影响到竹结构强度、刚度和稳定性，制约了竹材的应用。授权公告号为CN 2761727，名称为“用于傣家竹楼的原竹结构节点”的中国专利文献中介绍了用于原竹结构常用节点构造，其中一字型、T型、X型、L型节点等均由一根或多根原竹完整贯穿节点，柱脚构造采用金属杯口灌注混凝土方式对节点予以加强，尽管在节点处增加了螺栓等构造措施，但是连接的刚度和强度并不可靠；授权公告号CN2021171176U，名称为“一种竹结构连接节点”和授权公告号为CN202023258U，名称为“一种竹结构螺栓球连接节点”的中国专利文献中分别公开了两种用于竹结构连接的钢节点，其主要特征是钢节点与竹材之间采用预埋钢筋加混凝土灌注的方式进行连接。这种连接的方式存在的问题是:混凝土与竹材之间的粘结强度很低，两者之间会发生相对滑动，无法通过混凝土传递轴向力，因此在大多数情况下，轴向力实际上主要是通过十字加强筋在竹材和钢箍之间进行传递的，在竹材与钢箍的接触点会产生应力集中现象，连接所能够传递的荷载大小完全取决于十字加强筋与竹材之间的挤压强度、竹材的抗劈裂能力，接触点处会先于竹材破坏，不能充分发挥竹材的承载能力。由于连接的不可靠性，现有的结构分析理论和有限元计算方法以及实验手段不能深入地应用于竹结构的分析计算中。由于竹结构连接方面存在的种种问题，竹结构的应用范围收到了很大的制约，一般主要应用于重要性不高的临时性的建筑结构中或者加工制作成板材。而目前大量应用的钢结构网架和桁架所采用的球节点和板节点是一种十分成熟节点形式，如果能够将竹材通过球节点或板节点相互连接，组成钢节点的竹结构，一定会极大地促进竹材在建筑工程领域的应用。解决这个问题的关键是找到一种竹材与钢节点之间的转换接头，并且能够使其连接强度和刚度均高于竹材自身强度和刚度构造方式。
发明内容
为了克服现有技术中竹材之间的连接处强度低的缺陷，本发明提供了一种安装简单、连接可靠的竹材与螺栓球节点之间的转换接头。为了实现上述发明目的，本发明的技术方案是:一种竹结构的螺栓球预应力转换接头，包括圆套管、锥头、螺栓杆、套筒和销栓，所述锥头为空心圆台结构，其上底面中部设有圆孔，下底面固定在圆套管的一端边缘上，螺栓杆穿出锥头的圆孔，套筒套设在螺栓杆穿出锥头的螺杆上，销栓将套筒固定在螺栓杆上，所述圆套管内设有预应力楔形膨胀杆、预应力楔形套筒和驱动齿轮，预应力楔形膨胀杆呈漏斗形，其包括两个部分，第一部分为圆柱形杆件，其外侧带有若干齿槽，第二部分为锥台体，其截面圆形直径最小的一端与第一部分连接，所述预应力楔形套筒套设在预应力楔形膨胀杆上，预应力楔形套筒的内径小于预应力楔形膨胀杆的最大外径，大于预应力楔形膨胀杆第一部分圆柱形杆件的外径，预应力楔形套筒沿圆周方向开有若干个与其轴线平行的切口，切口的长度均小于预应力楔形套筒的长度，所述圆套管的内侧沿圆周设有用于限制预应力楔形套筒的位移的环肋，圆套管外表面上对称地设有耳板，圆套管侧壁的耳板安装位置上设有驱动齿轮安装孔，驱动齿轮安装在耳板上并穿过管套管侧壁，所述驱动齿轮圆周上设有与预应力楔形膨胀杆上的齿槽配合的若干齿牙。圆套管嵌套在竹材端部的外侧，预应力楔形套筒插入在竹材内侧，圆套管的内侧沿圆周设有环肋，用于限制楔形套筒的位移，使竹材端部位于楔形套筒和圆套管之间，预应力楔形膨胀杆呈漏斗状，位于在预应力楔形套筒的内，在驱动齿轮的作用，预应力楔形膨胀杆向锥头一侧移动，预应力楔形膨胀杆的锥台体部分嵌入楔形套筒内，使预应力套筒沿圆周向外膨胀，将竹材端部紧紧的夹在楔形套筒和圆套管之间，使竹材和转换接头形成稳定的连接。优选的，预应力楔形套筒外径为等直径，内径为变直径，其壁厚从切口侧向未切口侧沿轴线方向连续增加。优选的，所述的切口的长度小于预应力楔形套筒的长度。进一步的，所述的切口的长度大于1/2预应力楔形套筒的长度。优选的，所述转换接头还包括若干紧固螺钉，圆套管上开有若干与紧固螺钉配合的螺纹孔。优选的，所述锥头上底面上设有封板，封板上对应的设有圆孔。优选的，所述驱动齿轮上设有旋转把手，所述旋转把手包括位于驱动齿轮上的凸块和可套设在凸块上的套筒把手。本发明的有益效果是:
(1)预应力楔形膨胀杆能够使预应力套筒沿圆周向外膨胀，从而使位于圆套管和预应力楔形套筒之间的竹材受到很大的挤压力。考虑到竹材横截面的非圆形几何特点，如果在竹材的端部沿周向开设一定数量的与竹材轴线平行的切口，则能够使圆套管与竹材之间的接触更加均匀，连接更加牢固；
(2)所述的转换接头连接牢固可靠，不会产生因连接处应力集中现象，能够均匀地将竹材的内力通过圆套管传递到节点上。也使得现有的结构分析理论、有限元分析方法和实验方法可以应用于竹结构的分析计算中，可大大地拓展竹材的应用领域；
(3)所述的转换接头加工制作简单，由于不用灌注混凝土材料，所以安装快速，能够实现即插即用；同时拆卸方便，可回收再利用，不会产生废弃物，有利于环境保护； (4)所述的转换接头能够适应各种截面尺寸和形状的竹材，应用范围广；
(5)安装好转换接头的竹材可以像钢构件一样通过球节点进行连接组成各种空间结构，充分利用了现有的技术和设备条件，生产效率高，经济效益好。
图1为本发明竹结构的螺栓球预应力转换接头的分解结构示意 图2为本发明竹结构的螺栓球预应力转换接头与竹材端部连接剖面 图3为本发明竹结构的螺栓球预应力转换接头的左视 图4为本发明竹结构的螺栓球预应力转换接头与螺栓球节点之间的连接结构示意图； 图5为本发明竹结构的螺栓球预应力转换接头的组装过程示意
:圆套管1、竹材2、预应力楔形套筒3、预应力楔形膨胀杆4、紧固螺钉5、树脂胶6、驱动齿轮7、销钉8、锥头9、封板10、套筒把手11、圆套管内侧环肋12、耳板13、螺栓杆14、套筒15、销栓16、螺栓球节点17。
具体实施例方式下面结合具体附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明:
如图1-3所示，本发明的竹结构的螺栓球预应力转换接头，包括圆套管1、锥头9、螺栓杆14、套筒15和销栓16，所述锥头9为空心圆台结构，其上底面中部设有圆孔，下底面与圆套管I的一端边缘焊接，螺栓杆14的头部位于锥头9内，杆部穿出锥头9上底面的圆孔，套筒15套设在螺栓杆15穿出锥头的螺杆上，销栓16嵌入到套筒15和螺栓杆14的销孔内，使套筒15固定在螺栓杆14上。圆套管I内设有预应力楔形膨胀杆4、预应力楔形套筒3和驱动齿轮7。预应力楔形膨胀杆4呈漏斗形，其包括两个部分，第一部分为圆柱形杆件，其外侧带有5个齿槽，第二部分为锥台体，其截面圆形直径最小的一端与第一部分连接。所述预应力楔形套筒3套设在预应力楔形膨胀杆4上，预应力楔形套筒3的内径小于预应力楔形膨胀杆4的最大外径，大于预应力楔形膨胀杆4第一部分圆柱形杆件的外径，预应力楔形套筒3沿圆周方向开有若干个与其轴线平行的切口，切口的长度等于3/4预应力楔形套筒的长度。预应力楔形套筒3外径为等直径，内径为变直径，其壁厚从切口侧向未切口侧沿轴线方向连续增加。所述圆套管I的内侧沿圆周设有用于限制预应力楔形套筒3的位移的环肋12，圆套管I外表面上对称地设有耳板13，圆套管I侧壁的耳板13安装位置上设有驱动齿轮7的安装孔，驱动齿轮7通过销钉8与耳板13固定，并穿过管套管I侧壁，驱动齿轮7可绕销钉8转动，驱动齿轮7圆周上均匀的分布有与预应力楔形膨胀杆4上的齿槽配合的10个齿牙。转换接头还包括八个紧固螺钉5，圆套管I上开有八个与紧固螺钉配合的螺纹孔，紧固螺钉5共有分为四组，每两个沿轴向设置圆套管I的紧固螺钉5分为一组，每组之间的安装间隔90度圆周角，紧固螺钉的实际使用情况可视竹材直径大小而定。所述锥头9上底面上设有封板10，封板10上对应锥头9的上底面圆孔位置也设有圆孔。所述驱动齿轮7上设有旋转把手，所述旋转把手包括位于驱动齿轮上的凸块和可套设在凸块上的套筒把手11。如图4，安装好转换接头的竹材构件可以采用钢结构工程中普遍使用的球节点连接方式组成各种空间结构。用螺栓扳手将转换接头端部的螺栓杆14旋入螺栓球节点17的螺栓孔中，使套筒15与螺栓球节点17压紧。竹材2的拉力由螺栓杆14传递至螺栓球节点17 ;竹材2的压力由套筒15传递至螺栓球节点17。如图5所示，本发明的组装和使用步骤如下:
(a)螺栓杆14从锥头的内侧插入封板10的孔中，在锥头的外侧将套筒15套在螺栓杆14上，并用销栓16固定；
(b)将组装好的锥头7焊接在圆套管I上；
(c)将预应力楔形套筒3插入圆套管I中；
(d)将预应力楔形膨胀杆4插入预应力楔形套筒3中；
(e)将驱动齿轮7与预应力楔形膨胀杆4啮合，并用销钉8将驱动齿轮7固定在耳板13上；
(f)将组装好的转换接头嵌套在涂抹树脂胶6的竹材2的端部，并使圆套管I位于竹材2外侧，预应力楔形套筒3位于竹材2内侧，然后用套筒把手11沿图示方向旋转驱动齿轮7，使竹材2被挤压在圆套管I和预应力楔形套筒3之间，将紧固螺钉5安装在圆套管I和竹材2上的螺纹孔内，将转换接头与竹材2牢固连接。
权利要求
1.一种竹结构的螺栓球预应力转换接头，包括圆套管、锥头、螺栓杆、套筒和销栓，所述锥头为空心圆台结构，其上底面中部设有圆孔，下底面固定在圆套管的一端边缘上，螺栓杆穿出锥头的圆孔，套筒套设在螺栓杆穿出锥头的螺杆上，销栓将套筒固定在螺栓杆上，其特征在于:所述圆套管内设有预应力楔形膨胀杆、预应力楔形套筒和驱动齿轮，预应力楔形膨胀杆呈漏斗形，其包括两个部分，第一部分为圆柱形杆件，其外侧带有若干齿槽，第二部分为锥台体，其截面圆形直径最小的一端与第一部分连接，所述预应力楔形套筒套设在预应力楔形膨胀杆上，预应力楔形套筒的内径小于预应力楔形膨胀杆的最大外径，大于预应力楔形膨胀杆第一部分圆柱形杆件的外径，预应力楔形套筒沿圆周方向开有若干个与其轴线平行的切口，切口的长度均小于预应力楔形套筒的长度，所述圆套管的内侧沿圆周设有用于限制预应力楔形套筒的位移的环肋，圆套管外表面上对称地设有耳板，圆套管侧壁的耳板安装位置上设有驱动齿轮安装孔，驱动齿轮安装在耳板上并穿过管套管侧壁，所述驱动齿轮圆周上设有与预应力楔形膨胀杆上的齿槽配合的若干齿牙。
2.根据权利要求1所述的竹结构的螺栓球预应力转换接头，其特征在于:预应力楔形套筒外径为等直径，内径为变直径，其壁厚从切口侧向未切口侧沿轴线方向连续增加。
3.根据权利要求1所述的竹结构的螺栓球预应力转换接头，其特征在于:所述的切口的长度小于预应力楔形套筒的长度。
4.根据权利要求3所述的竹结构的螺栓球预应力转换接头，其特征在于:所述的切口的长度大于1/2预应力楔形套筒的长度。
5.根据权利要求1所述的竹结构的螺栓球预应力转换接头，其特征在于:所述转换接头还包括若干紧固螺钉，圆套管上开有若干与紧固螺钉配合的螺纹孔。
6.根据权利要求1所述的竹结构的螺栓球预应力转换接头，其特征在于:所述锥头上底面上设有封板，封板上对应的设有圆孔。
7.根据权利要求1所述的竹结构的螺栓球预应力转换接头，其特征在于:所述驱动齿轮上设有旋转把手，所述旋转把手包括位于驱动齿轮上的凸块和可套设在凸块上的套筒把手。
全文摘要
本发明涉及一种竹结构的螺栓球预应力转换接头，包括圆套管、锥头、螺栓杆、套筒和销栓，所述圆套管内设有预应力楔形膨胀杆、预应力楔形套筒和驱动齿轮，所述预应力楔形套筒套设在预应力楔形膨胀杆上，圆套管外表面上对称地设有耳板，圆套管侧壁的耳板安装位置上设有驱动齿轮安装孔，驱动齿轮安装在耳板上并穿过管套管侧壁，所述驱动齿轮圆周上设有与预应力楔形膨胀杆上的齿槽配合的若干齿牙。本发明的竹结构的螺栓球预应力转换接头安装简单、连接可靠。
文档编号E04C5/08GK103184769SQ20131009363
公开日2013年7月3日 申请日期2013年3月22日 优先权日2013年3月22日
发明者文献民, 吕金炭, 刘大卫, 张云莲, 杨建辉, 程泽海 申请人:浙江科技学院, 福建荣盛钢结构实业有限公司