一种镂空圆环形空间网格结构装配式节点的制作方法

本发明涉及建筑业空间结构设计技术领域，具体涉及一种镂空圆环形空间网格结构装配式节点。

背景技术：

随着经济社会快速的发展，建筑行业日益繁荣，众多形态各异、风情独特的大跨空间结构如雨后春笋般在全国各地兴起，而装配式空间网格结构以其建造周期短、施工方便、施工污染少在大跨空间结构中所占的比例也越来越重。因而装配式节点作为装配式空间网格结构的重要组成部分自然也受到了人们的广泛关注，吸引了大量学者和技术人员进行开发制造，以期获得装配更加高效、性能更加优越的空间结构装配式节点形式。现有技术的装配式节点自重较大，且节点组装步骤繁杂，不利于装配式空间结构的发展。

基于此本发明公开了一种镂空圆环形空间网格结构装配式节点，该种节点是一种创新，良好的装配性能和优越的受力性能将使得它在单层空间网格结构领域有着良好的应用前景

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可快速现场装配且力学性能优良的单层空间三角形网络结构装配式节点。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种镂空圆环形空间网格结构装配式节点，包括中心镂空圆环(1)、封板(3)、连接杆件(4)、螺栓(7)，所述中心镂空圆环(1)截面开设有镂空孔洞一(6)和镂空孔洞二(5)，所述镂空孔洞一(6)的外周壁上开设有第三螺栓孔(9)，所述封板(3)上开设有第二螺栓孔(11)，所述螺栓(7)依次通过第二螺栓孔(11)、第三螺栓孔(9)将封板(3)和中心镂空圆环(1)连接，且所述连接杆件(4)与封板(3)固定连接。

进一步的，所述中心镂空圆环(1)的整体结构是基于商用软件HYPERWORKS平台，利用拓扑优化原理，以节点应变能最小为目标函数，以连续体结构变密度法为优化算法，采用SIMP材料差值模型，以单元“单元密度”作为设计变量经过迭代优化而来；

应变能公式可表述为其中C为应变能，P＝KU，P为结构所受外荷载向量矩阵，T为矩阵转置符号，U为单元位移向量矩阵，K为刚度矩阵；

所述镂空孔洞一(6)和镂空孔洞二(5)主要通过所述“单元密度”与节点的材料弹性模量之间的函数关系优化得出，且所述函数关系为：

E(xe)＝(xe)^pE0

0＜(xe)min≤xe≤1

其中，E为单元优化后弹性模量，E0为初始弹性模量，p为惩罚系数，(xe)min为材料为空时的单元密度；xe为单元材料密度，且xe在0～1之间连续取值，程序优化后单元材料密度xe为[0.5，1]时保留该单元处材料，单元材料密度xe为[0，0.5)时删除该单元处材料。

进一步的，所述镂空孔洞一(6)的外圆周面切割成长边一(15)，所述长边一(15)与镂空孔洞一(6)上远离圆心的边平行；所述镂空孔洞二(5)的外圆周面切割成长边二(16)，所述长边二(16)与镂空孔洞二(5)上远离圆心的边平行。

进一步的，所述镂空孔洞一(6)为等腰梯形形状，所述镂空孔洞一(6)的中轴线与长边一的中垂线(14)对齐，所述镂空孔洞一(6)的四条边均有一定弧度，且所述镂空孔洞一(6)开有第三螺栓孔(9)的一侧为内拱形状。

进一步的，所述镂空孔洞二(5)为等腰三角形形状，所述镂空孔洞二(5)的三条边均具有一定弧度，镂空孔洞二(5)的中轴线与长边二的中垂线(13)对齐，且与等腰三角形最长边对应的等腰三角形顶点位于长边二的中垂线(13)上。

进一步的，所述镂空孔洞二(5)位于镂空孔洞一(6)的两侧。

进一步的，所述镂空孔洞一(6)中安装有节点内垫片(2)，所述节点内垫片(2)开设有第一螺栓孔(10)，且所述第一螺栓孔(10)、第二螺栓孔(11)和第三螺栓孔(9)的尺寸均相同。

进一步的，所述节点内垫片(2)的一侧为平面，另一侧为拱形曲面，所述节点内垫片(2)拱形曲面的弧度对应于镂空孔洞一(6)内拱形状一侧的弧度，且所述节点内垫片(2)的拱形曲面紧贴镂空孔洞一(6)的内拱形状的一侧，所述第三螺栓孔(9)对准第一螺栓孔(10)。

进一步的，所述螺栓(7)伸入镂空孔洞一(6)内的一端上具有螺纹，所述螺栓(7)依次穿过第二螺栓孔(11)、第三螺栓孔(9)和第一螺栓孔(10)后运用螺帽(8)套在螺纹上稳定连接。

本发明的有益效果为：

在本发明中，镂空圆环形空间网格结构装配式节点，外观优美，形式简洁，视觉效果通透与整体空间结构相得益彰，既增加了空间结构的建筑美感又不失其优越的力学性能，达到了建筑与结构的完美统一。

节点各部件均在工厂加工制作完成，工厂化程度高；施工现场仅需要依照简单的规则进行组装，通过测力扳手等简单的工具即可完成节点装配，因此，具有施工速度快、施工质量易于控制的优点。该种装配式节点以其优美的形式，良好的装配效率以及优越的力学性能在单层空间网格结构领域有着良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明装配式节点组装示意图；

图2是本发明装配式节点分解示意图；

图3是本发明装配式节点组装俯视示意图；

图4是本发明装配式节点的内垫片示意图；

图5是本发明装配式节点的封板示意图；

图6是本发明装配式节点的镂空孔洞一的平面示意图；

图7是本发明装配式节点的镂空孔洞二的平面示意图。

附图标记说明

1-中心镂空圆环、2-节点内垫片、3-封板、4-连接杆件、5-镂空孔洞二、6-镂空孔洞一、7-螺栓、8-螺帽、9-第三螺栓孔、10-第一螺栓孔、11-第二螺栓孔、12-外侧面、13-长边二的中垂线、14-长边一的中垂线、15-长边一、16-长边二。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1至图3所示，一种镂空圆环形空间网格结构装配式节点，包括中心镂空圆环1、节点内垫片2、封板3、连接杆件4、螺栓7。中心镂空圆环1截面开设有镂空孔洞一6和镂空孔洞二5，镂空孔洞一6沿中心镂空圆环1的圆周方向均匀分布有6个，且每个镂空孔洞一6的两侧均开设有镂空孔洞二5，镂空孔洞一6的外周壁上开设有两个第三螺栓孔9。镂空孔洞一6的外圆周面切割成长边一15，长边一15与镂空孔洞一6上远离圆心的边平行。镂空孔洞一6为等腰梯形形状，镂空孔洞一6的中轴线与长边一的中垂线14对齐，镂空孔洞一6的四条边均有一定弧度。如图6所示镂空孔洞一6由一外接四边形(此处为梯形)控制，镂空孔洞一6可看作由外接多边形进行倒角和线条处理而来，长边两角倒角半径为11mm，短边两角倒角半径为24mm，当然倒角半径可以根据制造要求进行调节，但要保证其开设螺栓孔的一侧为內拱形状。镂空孔洞一6的短边为66mm，长边为85mm，高度为57mm。

镂空孔洞二5的外圆周面切割成长边二16，长边二16与镂空孔洞二5上远离圆心的边平行。镂空孔洞二5为等腰三角形形状，镂空孔洞二5的中轴线与长边二的中垂线13对齐，且与等腰三角形最长边对应的等腰三角形顶点位于长边二的中垂线13上。如图7所示镂空孔洞二5由一外接等腰三角形控制，镂空孔洞二5的三条边均具有一定弧度，可看作由外接控制三角形进行倒角和线条处理而来，倒角半径没有固定值，建议取值为10。镂空孔洞二5的两个相等边的边长为43mm，长边为48mm。如图3所示，长边一的中垂线14与长边二的中垂线13的夹角为30°。

中心镂空圆环1的整体结构是基于商用软件HYPERWORKS平台，利用拓扑优化原理，以节点应变能最小为目标函数，以连续体结构变密度法为优化算法，采用SIMP材料差值模型，以单元“单元密度”作为设计变量经过迭代优化而来；

应变能公式可表述为其中C为应变能，P＝KU，P为结构所受外荷载向量矩阵，T为矩阵转置符号，U为单元位移向量矩阵，K为刚度矩阵；

镂空孔洞一6和镂空孔洞二5主要通过“单元密度”与节点的材料弹性模量之间的函数关系优化得出，且函数关系为：

E(xe)＝(xe)^pE0

0＜(xe)min≤xe≤1

其中，E为单元优化后弹性模量，E0为初始弹性模量，p为惩罚系数，(xe)min为材料为空时的单元密度；xe为单元材料密度，且xe在0～1之间连续取值，程序优化后单元材料密度xe为[0.5，1]时，表示该单元处材料很重要，保留该单元处材料，单元材料密度xe为[0，0.5)时，表示该单元处材料不重要，删除该单元处材料。

镂空孔洞一6中安装有节点内垫片2，节点内垫片2开设有两个第一螺栓孔10，且如图5所示，封板3上开设有两个第二螺栓孔11，第一螺栓孔10、第二螺栓孔11和第三螺栓孔9的尺寸均相同。如图4所示，节点内垫片2的一侧为平面，另一侧为拱形曲面。节点内垫片2拱形曲面的弧度对应于镂空孔洞一6内拱形状一侧的弧度，且节点内垫片2的拱形曲面紧贴镂空孔洞一6的内拱形状的一侧，第三螺栓孔9对准第一螺栓孔10。

螺栓7通过第二螺栓孔11、第三螺栓孔9和第一螺栓孔10依次连接封板3、镂空孔洞一6以及节点内垫片2。螺栓7端部固定在封板3第二螺栓孔11外边缘上，螺栓7伸入镂空孔洞一6内的一端上具有螺纹，螺栓7依次穿过第二螺栓孔11、第三螺栓孔9和第一螺栓孔10后运用螺帽8套在螺纹上稳定连接。

连接杆件4为方钢管，或者连接杆件4为矩形钢管；封板3为矩形钢板。连接杆件4与封板3固定连接。

根据单层空间三角形网格结构杆件的空间构成，也可将中心镂空圆环1的外侧面12进行相应切割以适应曲线不同角度的需要，比如可切割成圆台形。

节点装配时，先将螺栓7穿过封板3的第二螺栓孔11，将螺栓7的端部焊接在封板3的第二螺栓孔11外边缘上。然后封板3再与连接杆件4焊接，并且螺栓7的端部一同焊接入连接杆件4，此过程在工厂完成即可。然后将中心镂空圆环1、焊接在一起的连接杆件4与封板3运输到施工现场，吊装就位后将螺栓7依次穿过中心镂空圆环1上的第三螺栓孔9和节点内垫片2的第一螺栓孔10，稳定整个装置，并保持规整。最后，通过螺栓7在镂空孔洞一6内的一端上具有的螺纹，运用螺帽8拧紧整个连接装置从而完成组装。

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。