一种箱型截面单层网壳的装配式连接系统及其装配方法、设计方法与流程

本发明涉及一种连接系统，尤其涉及一种箱型截面单层网壳的装配式连接系统及其装配方法、设计方法，属于钢结构领域。

背景技术：

箱型截面杆是以冷弯、热轧和焊接等工艺制成的各类薄壁方管、矩形管或组焊箱型截面杆件的总称，具有极为优异的截面特性。从力学性能看，比圆环截面有更好的单向抗弯刚度，比工字型、槽形和Z型等开口型截面有更好的轴向抗扭刚度和弱轴抗弯刚度；从外观效果看，比圆环截面有更小的单向视线遮挡，比开口型截面更整洁；从耐候性能看，具有圆环截面同样的密闭性，便于表面防腐处理和清理灰垢。在高层钢框架结构、大跨度空间结构、仓储货架结构及桥梁结构等中都有广泛应用，其材质多为低碳钢、低合金钢或铝合金等。

箱型截面杆虽性能优异，但节点或连接技术发展相对滞后，主要依赖焊接，严重制约其推广应用和装配化发展。现有装配化连接技术多随节点开发而伴生，常以牺牲部分箱型截面杆优点换取安装方便，且通用性不足。例如，在大跨度空间结构中，德国的POLO-1(专利文献1)和中国的范锋CP型(专利文献2)不仅降低了轴向抗扭刚度和弱轴抗弯刚度优势，外观效果和耐候性也有一定损失；德国的Mero BK(专利文献3)、SEELE(专利文献4)和中国的范锋C型(专利文献5)节点则通过杆件翼缘开孔实现装配化，一定程度上削弱了杆件承载能力和密封性；德国的Mero ZK(专利文献1)、Mero-1(专利文献4)和荷兰的OCTA-1(专利文献3)节点则依赖于交汇核心空腔实现装配；中国的舒赣平节点(专利文献6)则因连接复杂，外观效果和耐候性均略显不足，难以发展通用化。另外，从经济性方面讲，德国的SEELE型(专利文献4)、荷兰的OCTA-1(专利文献3)型、中国的范锋C型(专利文献5)和舒赣平型(专利文献6)等节点均因工艺复杂、制造精度要求高或组件多等原因导致成本较高，亦不利于通用化推广。最后，杆件之间的连接不仅用于汇交的节点，也常用于构件中部、拐弯和转角处，且因各杆件功能特性不同，杆端连接传递内力的刚度也要求不同，随节点开发而伴生的连接技术在力学性能上难有广泛的适用性。

综上所述，现有装配式连接技术均不同程度破坏或削弱了箱型截面杆件的先天性能优势，且通用性不足，部分技术经济性不佳。本专利技术方案针对该现状，发展了一种适用于箱型截面单层网壳的新型装配式连接系统，该新型连接系统不仅保持了箱型截面杆件的外观效果和耐候性能优势，还能提供较高的强轴抗弯、弱轴抗弯和轴向抗扭承载能力。通过合理设计高强螺栓直径和数量、端板厚度等参数，本专利连接系统还可实现较宽范围的连接刚度调节。更重要的是，本专利连接系统组件少，加工工艺简单，误差容忍性强，制造成本低，可广泛推广。

专利文献1:尹德钰,刘善纬.钢网壳结构节点型式的综述[J].钢结构,1994,24(2):115-128。

专利文献2:范峰,马会环,沈世钊,等.装配式空间结构CP型节点[P].中国.实用新型专利.CN 203559492 U,2014,04。

专利文献3:Stephan S.,Sánchez-Alvarez J.and Knebel K..Reticulated Structures on Free-Form Surfaces[J].Stahlbau,2004,73(8):562-572。

专利文献4:Kyung Ju Hwang.Advanced Investigations of Grid Spatial Structures Considering Various Connection Systems[D].Stuttgart:University Stuttgart,2010。

专利文献5:范峰,马会环,江鑫.空间结构半刚性C型节点优化及转动性能试验研究[J].建筑结构学报,2016,37(3),134-140。

专利文献6:舒赣平,徐昆,张鹏,等.空间自由曲面网壳钢结构的装配式节点[P].中国.实用新型专利.CN 202577600 U,2012,12。

技术实现要素：

本发明主要是解决现有技术中存在的不足，提供一种结构紧凑，能够避免杆件箱壁开孔，提高连接面强轴抗弯、弱轴抗弯和轴向抗扭刚度及承载力；同时还解决了杆件外观轮廓破坏、耐候性降低和通用性不强等问题的一种箱型截面单层网壳的装配式连接系统及其装配方法、设计方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种箱型截面单层网壳的装配式连接系统，包括端板Ⅰ和端板Ⅱ，端板Ⅰ与端板Ⅱ通过若干套筒螺栓连接固定；

端板Ⅰ与端板Ⅱ之间形成安装操作孔；

端板Ⅰ、套筒螺栓、安装操作孔和端板Ⅱ组合形成连接系统。

作为优选，端板Ⅰ和端板Ⅱ具有对称性结构，其一面为杆件固定面,分别与相应箱型截面杆端相连；另一面为接触接合面,中部设有若干螺栓孔；端板Ⅰ中的螺栓孔为光壁孔，端板Ⅱ中的螺栓孔为螺纹孔；杆件固定面上临近周边按需设有杆端固定凸缘；沿接触结合面的周边设有突出的接触承压凸缘，接触承压凸缘上设有凹缺；套筒螺栓穿过端板Ⅰ和端板Ⅱ上的螺栓孔将其相向对齐紧固，上述接触承压凸缘上的凹缺对称拼合形成安装操作孔。

作为优选，所述的安装操作孔对应设有封闭安装操作孔的安装操作孔盖板。

作为优选，所述的安装操作孔的周边增设有耳板，所述的安装操作孔盖板与耳板通过沉头固定螺丝紧固定位，所述的安装操作孔盖板的外表面与端板Ⅰ、端板Ⅱ的侧表面平齐。

作为优选，安装操作孔盖板不是必需有的，安装操作孔盖板与安装操作孔的固定方式，可以是多种，可以是螺钉、过盈、焊接等多种方式。

作为优选，套筒螺栓包括套筒式高强螺栓杆，套筒式高强螺栓杆上套有环形垫片，套筒式高强螺栓杆中段表面设有可调节长滑槽，套筒式高强螺栓杆上套有套筒(，套筒与可调节长滑槽通过抗扭销钉进行限位。

一种箱型截面单层网壳的装配式连接系统的装配方法，按以下步骤进行：

(1).工厂生产期间先将若干套筒螺栓全部安装在端板Ⅰ的对应螺栓孔上，套筒和滑槽与接触承压凸缘位于同侧；

(2).将装有若干套筒螺栓的端板Ⅰ和端板Ⅱ的杆端固定面分别与对应的箱型截面杆端或节点固定连接；

(3).将安装好端板的杆件或节点从工厂整体运至安装现场；

(4).在安装现场，待构件或节点吊装到位后，将对应的端板Ⅰ和端板Ⅱ的接触结合面相向对齐抵近，扳手自安装操作孔进入两块端板之间，拧动套筒，带动高强螺栓杆，将若干套筒螺栓拧入端板Ⅱ上的对应螺纹孔，使得该两部分紧固连接；

(5).最后安装盖板封闭安装操作孔，形成密封整体，以实现连接功能。

一种箱型截面单层网壳的装配式连接系统的设计方法，按以下步骤进行：

安装操作孔设置以便于实现全部套筒螺栓安装为准，尽量减小安装操作孔尺寸和数量，且安装操作孔应尽量设置在接触承压凸缘上正应力小的区段；

盖板主要作用是封闭安装操作孔，并提高连接面的抗剪及抗扭承载能力；盖板的厚度依抗剪承载需求设计，轮廓、尺寸和数量应与安装操作孔对应，以保证盖板能方便且缝隙密合地嵌入安装操作孔，并用沉头螺丝固定；

上述接触承压凸缘的厚度应根据接触面局部承压强度验算确定，承压接触面按普通承压型高强螺栓连接接触面处理，刨平并保持清洁即可；

上述杆端固定凸缘，当端板与杆端采用焊接连接时，其功能为托弧板；当端板与杆端采用扣管连接时，其功能为内衬；当端板与杆端采用自攻钉或射钉连接时，其功能为连接板，因此杆端固定凸缘截面尺寸应根据相应连接方式设计；

上述端板Ⅰ和端板Ⅱ的厚度和高强螺栓杆的直径应根据连接面的整体转动刚度、变形和承载力要求设计；螺栓孔的数量和布置应根据本连接需传递的内力特征设计；

上述套筒螺栓的组数为若干，最常用值为1、2、3；对于截面较小的轴心受力杆的连接面，可令组数N＝1；对于小偏心压弯杆件或小轴心拉力的拉弯杆件的连接面，可令组数N＝2；；对于大轴心拉力的拉弯或大偏心压弯杆件的连接面，可令组数N＝3；

在端板Ⅰ上螺栓孔与高强螺栓杆之间有一定量的间隙6mm～16mm，为保证压应力能均匀而有效地传递，在高强螺栓杆的圆螺帽和左端板Ⅰ的杆端固定面(6)之间增设活动的环形厚垫片，其厚度不小于螺栓孔与高强度螺栓杆的直径之差；

端板Ⅰ和端板Ⅱ与杆件轴线正交时，其外轮廓形状和尺寸与相连杆件的横截面一致；端板Ⅰ和端板Ⅱ若与相连杆件轴线斜交时，外轮廓形状和尺寸与相连杆件的对应斜截面一致。

与现有连接技术相比，本发明的有益效果是：本发明公布的装配式连接系统将安装操作孔合理布置在连接端板之间，未削弱杆件自身承载能力；通过套筒螺栓组合件与接触承压凸缘的共同工作，使得该连接系统具有较高的抗弯刚度和承载能力；接触承压凸缘之间的接触摩擦和盖板的抗滑移作用还赋予了该连接系统较高的横截面抗剪和抗扭承载能力；该连接系统不仅构造简单、加工方便和连接可靠，而且对箱型截面杆的外观效果没有破坏，保有较高的密封性；该连接系统不针对具体节点开发，连接面转动刚度设计范围宽，可用于各类节点、杆件跨中、拐弯或转折处连接，具有较高的通用性；用料省，加工简单，生产成本较低，便于推广应用。

附图说明

图1为本发明的爆炸结构示意图；

图2图1的装配结构示意图；

图3是本发明中含单个螺栓的结构示意图；

图4是图3的装配结构示意图；

图5是本发明中含2个螺栓的结构示意图；

图6是图5的装配结构示意图；

图7是本发明中左端板的结构示意图；

图8是本发明中右端板的结构示意图；

图9是本发明中螺栓的爆炸结构示意图；

图10是图9的装配结构示意图；

图11是本发明与单层网壳节点的结构示意图；

图12是本发明与双向折弯构件的结构示意图。

附图标记：1、箱型截面杆端Ⅰ；3、箱型截面杆端Ⅱ。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、和图12所示，一种箱型截面单层网壳的装配式连接系统，包括端板Ⅰ2和端板Ⅱ3，端板Ⅰ2与端板Ⅱ3通过若干套筒螺栓5连接固定；

端板Ⅰ2与端板Ⅱ3之间形成安装操作孔12；

端板Ⅰ2、套筒螺栓5、安装操作孔12和端板Ⅱ4组合形成连接系统。

端板Ⅰ2和端板Ⅱ3具有对称性结构，其一面为杆件固定面6,分别与相应箱型截面杆端相连；另一面为接触接合面9,中部设有若干螺栓孔8；端板Ⅰ2中的螺栓孔为光壁孔，端板Ⅱ3中的螺栓孔为螺纹孔；杆件固定面6上临近周边按需设有杆端固定凸缘7；沿接触结合面9的周边设有突出的接触承压凸缘10，接触承压凸缘10上设有凹缺11；套筒螺栓5穿过端板Ⅰ和端板Ⅱ3上的螺栓孔8将其相向对齐紧固，上述接触承压凸缘10上的凹缺11对称拼合形成安装操作孔12。

所述的安装操作孔12对应设有封闭安装操作孔12的安装操作孔盖板13。

所述的安装操作孔12的周边增设有耳板14，所述的安装操作孔盖板13与耳板14通过沉头固定螺丝紧固定位，所述的安装操作孔盖板13的外表面与端板Ⅰ2、端板Ⅱ3的侧表面平齐。

套筒螺栓5包括套筒式高强螺栓杆15，套筒式高强螺栓杆15上套有环形垫片16，套筒式高强螺栓杆15中段表面设有可调节长滑槽17，套筒式高强螺栓杆15上套有套筒18，套筒18与可调节长滑槽17通过抗扭销钉19进行限位。

一种箱型截面单层网壳的装配式连接系统的装配方法，按以下步骤进行：

(1).工厂生产期间先将若干套筒螺栓5全部安装在端板Ⅰ2的对应螺栓孔8上，套筒18和滑槽17与接触承压凸缘10位于同侧；

(2).将装有若干套筒螺栓5的端板Ⅰ2和端板Ⅱ3的杆端固定面6分别与对应的箱型截面杆端或节点固定连接；

(3).将安装好端板的杆件或节点从工厂整体运至安装现场；

(4).在安装现场，待构件或节点吊装到位后，将对应的端板Ⅰ2和端板Ⅱ3的接触结合面9相向对齐抵近，扳手自安装操作孔12进入两块端板之间，拧动套筒18，带动高强螺栓杆15，将若干套筒螺栓5拧入端板Ⅱ上的对应螺纹孔8，使得该两部分紧固连接；

(5).最后安装盖板13封闭安装操作孔12，形成密封整体，以实现连接功能。

一种箱型截面单层网壳的装配式连接系统的设计方法，其特征在于按以下步骤进行：

安装操作孔12设置以便于实现全部套筒螺栓5安装为准，尽量减小安装操作孔12尺寸和数量，且安装操作孔12应尽量设置在接触承压凸缘(10)上正应力小的区段；

盖板13主要作用是封闭安装操作孔12，并提高连接面的抗剪及抗扭承载能力；盖板13的厚度依抗剪承载需求设计，轮廓、尺寸和数量应与安装操作孔12对应，以保证盖板13能方便且缝隙密合地嵌入安装操作孔12，并用沉头螺丝固定；

上述接触承压凸缘10的厚度应根据接触面局部承压强度验算确定，承压接触面按普通承压型高强螺栓连接接触面处理，刨平并保持清洁即可；

上述杆端固定凸缘7，当端板与杆端采用焊接连接时，其功能为托弧板；当端板与杆端采用扣管连接时，其功能为内衬；当端板与杆端采用自攻钉或射钉连接时，其功能为连接板，因此杆端固定凸缘7截面尺寸应根据相应连接方式设计；

上述端板Ⅰ2和端板Ⅱ3的厚度和高强螺栓杆15的直径应根据连接面的整体转动刚度、变形和承载力要求设计；螺栓孔8的数量和布置应根据本连接需传递的内力特征设计；

上述套筒螺栓5的组数为若干，最常用值为1、2、3；对于截面较小的轴心受力杆的连接面，可令组数N＝1；对于小偏心压弯杆件或小轴心拉力的拉弯杆件的连接面，可令组数N＝2；；对于大轴心拉力的拉弯或大偏心压弯杆件的连接面，可令组数N＝3；

在端板Ⅰ2上螺栓孔8与高强螺栓杆15之间有一定量的间隙6mm～16mm，为保证压应力能均匀而有效地传递，在高强螺栓杆15的圆螺帽和左端板Ⅰ2的杆端固定面6之间增设活动的环形厚垫片16，其厚度不小于螺栓孔8与高强度螺栓杆15的直径之差；

端板Ⅰ2和端板Ⅱ3与杆件轴线正交时，其外轮廓形状和尺寸与相连杆件的横截面一致；端板Ⅰ2和端板Ⅱ3若与相连杆件轴线斜交时，外轮廓形状和尺寸与相连杆件的对应斜截面一致。