单层四边形网格结构装配式节点的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种单层四边形网格结构装配式节点，该装配式节点包括折线板件(3)，该折线板件包括依次连接的第一折线板件(3—1)、第二折线板件(3—2)和第三折线板件(3—3)，第一折线板件(3—1)和第二折线板件(3—2)之间形成的角度以及第二折线板件(3—2)和第三折线板件(3—3)之间形成的角度使得第一折线板件(3—1)、第二折线板件(3—2)和第三折线板件(3—3)之间形成了曲线，且该曲线满足曲面屋顶所需的曲线，折线板件的(3)两端分别设置有螺栓孔；折线板件(3)和直线组合杆件通过第二高强度螺栓(2)穿过螺栓孔连接，形成装配式杆件。本发明在单层四边形网格结构采光顶中具有广阔的应用前景。
【专利说明】单层四边形网格结构装配式节点
【技术领域】
[0001]本发明涉及玻璃采光顶结构领域，尤其涉及一种单层四边形网络结构装配式节点。
【背景技术】
[0002]现有的空间单层网格结构网格形状多为三角形，所用杆件通常是高频焊管或无缝钢管，杆件截面多为圆环形截面，结构的节点上一般有6根以上的管材与之相连，视觉上给人较为凌乱的感觉，建筑师和项目投资人希望有更为通透的建筑空间。
[0003]网格形状为平面四边形的空间单层网格结构因此产生。对于杆件为矩形钢管的四边形空间网格结构，现有工程中网格节点多为杆件间焊接形成。随着人工成本的日渐上涨，杆件与节点板之间采用螺栓连接的装配式节点越来越受到人们的欢迎。研究发现，这种节点既可用于球面、圆柱面、双曲抛物面等解析曲面空间单层网格结构，也可适用于自由曲面单层网格结构；同时这种结构屋面采光的玻璃为平面四边形，也大大地方便了玻璃的制作、运输及安装。装配式节点在面外能够承担一定的弯矩，面内能够产生一定的转动，从而形成了平面外刚接、平面内铰接的半刚性节点。这种节点是一种创新，良好的装配性和良好的受力性能将使得它在单层空间网格采光顶结构领域有着良好的应用前景。
【发明内容】
[0004]技术问题:本发明的目的是提供一种装配性、受力性能良好的单层四边形网络结构装配式节点。
[0005]
【发明内容】
:为解决上述技术问题，本发明提供了一种单层四边形网格结构装配式节点，该装配式节点包括:
[0006]折线板件，该折线板件包括依次连接的第一折线板件、第二折线板件和第三折线板件，第一折线板件和第二折线板件之间形成的角度以及第二折线板件和第三折线板件之间形成的角度使得第一折线板件、第二折线板件和第三折线板件之间形成了曲线，且该曲线满足曲面屋顶所需的曲线，折线板件的两端分别设置有螺栓孔；
[0007]直线组合杆件，该直线组合杆件包括矩形钢管和平面钢板，在矩形钢管的两端分别设置平面钢板，在平面钢板的端部开设有螺栓孔，折线板件和直线组合杆件通过第二高强度螺栓穿过螺栓孔连接，形成装配式杆件；
[0008]单层空间四边形网格结构双向杆件上下叠合，用第一高强度螺栓连接，形成装配式节点。
[0009]优选的，平面钢板的接触面与折线板件之间的接触面之间放置垫片，通过垫片(6)传递部分杆件轴力。
[0010]有益效果:在本发明中，单层四边形网格结构的曲面形式自由，造型优美，结构形式简洁，视觉效果通透；结构中的基本杆件均在工厂加工制作完成，工厂化程度高；工程现场该空间网格结构中的大量节点一般只需要按简单的规则进行装配，通过测力扳手等简单的工具即可完成节点装配，因此，施工现场具有施工速度快、施工质量易于控制的显著特点。从节点的力学性能来看，节点在平面外可以承担一定的弯矩，在平面内可以承受较大的轴力，承载力高；在荷载作用下，节点的位移很小，因此，节点具有较好的抗弯刚度。与其它单层空间网格结构相比，结构整体构造简单，节点的装配性、受力性能均比较好，在解析曲面和自由曲面单层四边形网格结构中，这种节点具有广阔的应用空间。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明节点构造平面示意图；
[0012]图2为本发明节点折线板件构造；
[0013]图3为本发明节点折线板件轴线图；
[0014]图4为本发明直线组合杆件立面图；
[0015]图5为本发明直线组合杆件平面图；
[0016]图6为本发明开口槽钢与钢板焊接示意图；
[0017]图7为本发明X轴方向折线板件与组合杆件的搭接关系示意图；
[0018]图8为本发明Y轴方向折线板件与组合杆件的搭接关系示意图；
[0019]图9节点处上下叠放及垫片安装三维示意图；
[0020]图10 a为节点试验加载装置杆轴方向加载示意图；
[0021]图10 b为节点试验加载装置节点平面外加载示意图；
[0022]图11为节点试验荷载-位移变化曲线；
[0023]图12为节点试验荷载-应力变化曲线。
[0024]其中有:第一高强度螺栓1、第二高强度螺栓2、折线板件3、第一折线板件3— 1、第二折线板件3— 2和第三折线板件3— 3、钢管4、钢板5、垫片6。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图及实施方式对本发明专利作进一步详细的说明:
[0026]装配式节点，适用用于单层四边形空间网格结构中，该结构包括工程量最大的两种基本的杆件形式:一是组合直线杆件，矩形钢管两端各IOCM左右切割成槽形与直线钢板焊接连接形成组合杆件，组合直线杆端均开有两个用于连接的螺栓孔；另一是折线杆件，通过钢板切削加工而成，折线杆件两端同样有两个用于连接的螺栓孔。本节点设计的基本原理是曲线的微分原理，即在一个大曲率的弧线上取出折线的微元。本节点通过折线杆件的角度变化形成空间结构的“曲面”，直线组合杆件与折线杆件采用高强度螺栓连接形成装配式节点。
[0027]图1所示的双向正交节点，X、Y两个方向的折线杆件通过I根Μ20的高强度螺栓I上下叠合连接。每根折线杆件的两端均用2根Μ16的高强度螺栓2与直线组合杆件连接。
[0028]图2是节点处折线板3的构造，由三段构成，呈左右对称，中间段下边缘的长度必须是所连接杆件的宽度+20_。折线板的厚度是所连接杆件截面高度的一半，宽度与被连接的杆件相同。折线板件中心开有一个螺栓孔，用Μ20高强度螺栓I连接上下折线板件，折线板的两端开有两个螺栓孔，用Μ16的高强度螺栓2连接组合直线杆件。
[0029]图3是折线板的杆件轴线，由三段线段构成，以中间段的线段为基准线，左右两边的线段与中基准线段的夹角α相等，α角的大小由单层四边形网格结构的曲面形状确定。
[0030]图4、图5是与折线板件相连的直线组合杆件的立面图和平面图，组合杆件由钢管4和钢板5构成。矩形钢管4的端部开出槽形，槽形管壁与钢板5采用熔透对接焊缝连接，如图6所示。组合杆件的端部在钢板5上开有两个螺栓孔，用Μ16的高强螺栓与折线板件相连。
[0031]图7是以椭圆抛物面为例，在四边形网格平面的X轴方向，折线板件3与组合杆件之间的搭接关系。此时，折线板件在上方，直线组合杆件在下方，折线板件的下表面与直线组合杆件的端部接触面间均进行摩擦面处理，如喷丸后涂无机富锌漆等。
[0032]图8是椭圆抛物面的四边形网格平面Y轴方向，折线板件3与组合杆件之间的搭接关系。此时，折线板件在下方，直线组合杆件在上方，折线板件的上表面与直线组合杆件的端部接触面间均进行摩擦面处理。
[0033]图9是将图7和图8的杆件在节点处上下叠放所得的三维示意图，以及节点在安装过程中，螺栓连接之后垫片安装示意图。
[0034]下面参照附图，对本发明具体实施方案做出更为详细的描述:
[0035]一.构件制作与安装
[0036]本发明新型装配式节点，首先进行的是基本杆件的制作。图2所示是基本杆件之一折线型板件3，该板件在工厂利用厚钢板切削加工而成。加工时，重点要根据单层四边形网格结构的曲面形状确定图3所示的杆件轴线，三段折线轴线之间的夹角由单层网格结构的曲面形状确定。折线板实体上下边线的展开长度不等，其中下边线的中间线段长应控制为杆件截面宽度+20mm。三段线的左右两端线段长为140mm，杆端螺栓M162间距为70mm，螺栓在左右两端板区域内居中布置，螺杆轴线垂直于区段折线板的轴线。用于X轴方向杆件连接的折线板件3下表面进行摩擦面处理；用于Y轴方向杆件连接的折线板件3上表面进行摩擦面处理。
[0037]图4所示是基本杆件之二直线型组合杆件。其中矩形钢管4根据图示尺寸进行下料，下料后根据图示尺寸在杆件的端部开出槽口。组合直线杆件的端部连接钢板5先加工成型，钢板5的一端按图示位置开好两个螺栓孔。钢板5的一端与开好槽口的矩形钢管壁进行熔透对焊接，如图6。钢板5与折线型钢板连接的面进行摩擦面处理。矩形钢管4的两端钢板5通过焊接连接。
[0038]图1为组装后的节点示意图，其中垫片6在节点X向和Y向杆件组装完成之后分别插入X向和Y向杆件中。
[0039]基本杆件均在工厂加工制作完成，大大提高了生产的工厂化水平，由于在流水线上进行加工作业，折线板的折线质量、螺栓孔的开孔质量均可得到有效保证，提高了构件制作的精细化水平。
[0040]基本杆件加工制作完成后运到施工现场，按图7所示完成X方向杆件拼装，在节点处，折线板件3在上，组合直线杆件在下，其间用4根M16的高强度螺栓2进行连接。图8所是Y方向杆件拼装，在节点处，折线板件3在下，组合直线杆件在上，其间同样用4根M16的高强度螺栓2进行连接。X、Y方向的杆件拼装完成后即可进行节点的整体拼装，如图9，采用I根M20的高强度螺栓I在节点中心处进行连接。在施工现场，节点杆件间的连接主要通过高强度螺栓进行连接，节点的装配性能好，安装质量易于控制。[0041]上述节点若使用在椭圆抛物面单层网格结构中，折线型板件只有一种加工型号，在后期处理上，视与直线组合杆件连接方式的不同，折线型板件摩擦面的处理面分上、下表面两种情形。直线组合杆件在Χ、y两个方向上的加工型号、摩擦面的处理均相同。因此，在这种空间网格结构中，形成面广量大的中间节点,杆件的基本形式只有2种基本类型，除了方便工厂加工外，也大大地方便了现场的存放、保管，有利于施工现场的材料管理和安装过程中的质量控制。
[0042]二.荷载试验研究
[0043]1.试验方法和试验装置
[0044]为了模拟本节点在结构中的受力状况，设置了专门的试验装置，见图10所示。
[0045]图1Oa可见，节点杆件在水平和竖向两个方向均施加沿着杆轴方向作用的轴向力，竖直杆在杆件的下方设置千斤顶；水平杆在杆件的右侧放置千斤顶。给水平杆和竖直杆加载的千斤顶极限加载均为50t，利用同一台油泵同步液压加载，同时给两台千斤顶供油，确保水平杆和竖直杆在加载过程中受力同步。而在十字交叉的节点中心施加节点中心荷载，图1Ob中节点中心荷载在节点平面外呈水平方向作用，采用手动液压加载。节点中心在荷载作用下的侧移由节点中心附近放置的百分表读出。
[0046]2.加载试验实施
[0047]I)节点在地面上组装、调整外形尺寸、拧紧螺栓使其符合设计要求，然后用起重葫芦将试件吊装就位。
[0048]2)检查千斤顶与杆轴之间的位置关系，给节点进行预载使试件准确就位。
[0049]3)节点加载数据P的确定:第一次加载由零至设计荷载标准值PK，分五级施加，每次加荷载标准值的20% ;第二次加载为破坏性加载，每级加载杆件轴线方向为50KN ;节点平面外为7KN。
[0050]4)变形观测点布置:要求对节点中心在荷载作用下的位移进行观测。
[0051]5)每级加载完成后停留15分钟，变形稳定后对百分表进行读数。
[0052]6)绘制荷载-位移化曲线(如图11)和代表测点的荷载-应力变化曲线(如图12)。3.试验结果分析
[0053]I)从结构的荷载一位移曲线可知，初期加载时，挠度与荷载呈线性关系，并与线弹性理论的分析接近，达到荷载标准值时，跨中相对挠度较小，表明结构的刚度较好。
[0054]2)当加载至P = 8PK时，荷载应力曲线明显平缓，表明试件开始转入塑性状态，试件杆端逐渐出现肉眼可见的变形直到最后屈曲。
[0055]本发明提供的单层四边形网格结构的装配式节点构造，主要包括两种基本杆件形式，一是折线型钢板，通过厚钢板切削加工而成，钢板的侧面的轴线为折线，由三段线段组成，折线型钢板实现了空间网格结构的曲面构造；二是直线组合杆件，通过钢管与钢板的焊接组合而成。折线型钢板与直线组合杆件交换空间位置关系，形成空间网格结构中的双向正交网格，网格的节点中心采用高强度螺栓进行连接，折线形钢板和直线组合杆件之间放置垫片来传递部分杆件轴力，装配式节点由此形成。试验表明，此节点可承担杆件轴线方向的较大的轴力和面外较大的节点荷载，具有较高的安全储备。节点在设计荷载作用下中心点的位移较小，证明节点具有一定的抗弯刚度。
[0056]这种装配式节点的单层四边形网格结构，网格平面为平面四边形，用于玻璃采光顶结构通透性好；折线型节点连接钢板实现了空间结构屋顶的曲面形式，利用曲线的微分原理，化复杂为简单。这种装配式节点在单层四边形网格结构采光顶中具有广阔的应用前
[0057]综上所述，新型节点在标准设计荷载下处于弹性受力状态，节点中心的位移很小，表明高强度螺栓连接的装配式节点具有良好的抗弯刚度。试件的实验过程分析表明，节点的破坏荷载在设计荷载的7倍左右，因此此类拼装节点具有较高的承载力储备。
[0058]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保 护范围。
【权利要求】
1.一种单层四边形网格结构装配式节点，其特征在于，该装配式节点包括: 折线板件(3)，该折线板件包括依次连接的第一折线板件(3 — I)、第二折线板件(3—2)和第三折线板件(3 — 3)，第一折线板件(3 — I)和第二折线板件(3 — 2)之间形成的角度以及第二折线板件(3 — 2)和第三折线板件(3 — 3)之间形成的角度使得第一折线板件(3 — I)、第二折线板件(3 — 2)和第三折线板件(3 — 3)之间形成了曲线，且该曲线满足曲面屋顶所需的曲线，折线板件的(3)两端分别设置有螺栓孔； 直线组合杆件，该直线组合杆件包括矩形钢管(4)和平面钢板(5)，在矩形钢管(4)的两端分别设置平面钢板(5)，在平面钢板(5)的端部开设有螺栓孔，折线板件(3)和直线组合杆件通过第二高强度螺栓(2)穿过螺栓孔连接，形成装配式杆件； 单层空间四边形网格结构双向杆件上下叠合，用第一高强度螺栓(I)连接，形成装配式节点。
2.根据权利要求1所述的单层四边形网格结构装配式节点，其特征在于，平面钢板(5)的接触面与折线板件(3)之间 的接触面之间放置垫片(6)，通过垫片(6)递部分杆件轴力。
【文档编号】E04B7/10GK103981990SQ201410223087
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】冯若强, 杨建林, 李海建 申请人:东南大学