一种钢管混凝土柱的偏心变径节点结构的制作方法

本实用新型涉及建筑施工领域，具体而言，涉及一种钢管混凝土柱的偏心变径节点结构。

背景技术：

一般情况下，大截面柱中心与小截面柱中心在同一轴线上时，现有做法往往是通过大截面向小截面按一定角度找坡度，形成管径渐小的锥形管，来完成大管径钢管向小管径钢管的改变，对于此类节点我们通常称之为钢管混凝土柱锥形管变径节点。但有时出于建筑空间或结构设计要求，需要使两者中心不在同一轴线上，此时，在完成由大向小的变径过程中，变径节点将不再是标准锥形管，而对于此类节点我们将称之为钢管混凝土柱偏心锥形管变径节点。

发明人在研究中发现，现有的钢管混凝土柱偏心锥形管变径节点至少存在以下缺点：

对于此类偏心变径节点中的异形锥管，无专业的异形锥管卷制设备进行加工，只能通过专门定制模具进行铸钢浇筑成型，此做法往往周期较长且费用较高；

其成型质量完全受模具制作精度影响，对制作模具的工人经验及技能熟练程度要求较高。

技术实现要素：

本实用新型的目的包括提供一种钢管混凝土柱的偏心变径节点结构，其采用容易制造的标准锥形管，制造方便、费用较低，不受模具制作精度影响，对操作人员要求较低，锥形管与大径钢管、小径钢管能形成偏心变径节点，方便快捷。

本实用新型的实施例通过以下技术方案实现：

一种钢管混凝土柱的偏心变径节点结构，包括大径钢管、小径钢管和锥形管。

大径钢管具有斜切的第一椭圆端面，小径钢管具有斜切的第二椭圆端面，锥形管具有相对设置的第一正圆端面和第二正圆端面，第一正圆端面的圆心与第二正圆端面的圆心之间的连线垂直于第一正圆端面。第一椭圆端面与第一正圆端面对接，第二椭圆端面与第二正圆端面对接，以使大径钢管、锥形管、小径钢管依次连接。

发明人发现，现有技术中的对于钢管混凝土柱偏心锥形管变径节点的处理，需用到异形锥管。对于异形锥管，无专业的异形锥管卷制设备进行加工，只能通过专门定制模具进行铸钢浇筑成型，此做法往往周期较长且费用较高。且异形锥管的成型质量完全受模具制作精度影响，对制作模具的工人经验及技能熟练程度要求较高。

据此发明人发明了一种钢管混凝土柱的偏心变径节点结构，包括大径钢管、小径钢管和锥形管，通过大径钢管、锥形管、小径钢管依次连接形成偏心变径节点。

锥形管具有相对设置的第一正圆端面和第二正圆端面，第一正圆端面和第二正圆端面分别对应于锥形管的两端的端面。第一正圆端面的圆心与第二正圆端面的圆心之间的连线垂直于第一正圆端面。该锥形管可由一条母线，绕第一正圆端面的圆心与第二正圆端面的圆心之间的连线旋转而形成，这样的锥形管是标准锥形管，可在工厂预先下料后直接卷制而成，制造简单，工作人员加工方便。大径钢管和小径钢管也可选择在工厂预先下料后直接卷制而成。

大径钢管具有斜切的第一椭圆端面，即第一椭圆端面相较于大径钢管的横截面是倾斜的。小径钢管的斜切的第二椭圆端面也是如此。

通过第一椭圆端面与第一正圆端面对接，形成大径钢管与锥形管的连接。通过第二椭圆端面与第二正圆端面对接，形成小径钢管与锥形管的连接。从而能够形成大径钢管、锥形管、小径钢管的依次连接。

由于大径钢管的直径与小径钢管的直径不同，因此能够形成变径节点。而大径钢管的第一椭圆端面倾斜设置于大径钢管上，小径钢管的第二椭圆端面倾斜设置于小径钢管上，在锥形管的两端都是正圆的基础上，大径钢管的中轴线与小径钢管的中轴线不重合，即不在同一轴线上，因此偏心。

综上，这样的钢管混凝土柱的偏心变径节点结构采用容易制造的标准锥形管，制造方便、费用较低，不受模具制作精度影响，对操作人员要求较低，锥形管与大径钢管、小径钢管能形成偏心变径节点，方便快捷。

进一步地，大径钢管、锥形管、小径钢管存在一条重合的母线；

大径钢管、锥形管、小径钢管的依次连接存在对接错口偏差ε；

对接错口偏差ε可基于大径钢管、锥形管和小径钢管的管壁厚度消除。

进一步地，大径钢管的中轴线与锥形管的中轴线的夹角的锐角为锥形管的旋转角度a；

锥形管旋转旋转角度a以与大径钢管、小径钢管连接；

大径钢管的中轴线与小径钢管的中轴线平行；

旋转角度a与对接错口偏差ε相对限制设定。

进一步地，锥形管具有高度h，大径钢管具有第一直径d，小径钢管具有第二直径d；

sin(a)＝(d-d)/2h。

进一步地，旋转角度a与对接错口偏差ε具有如下关系：cos(a)≥1/(1+ε/d)。

进一步地，钢管混凝土柱的偏心变径节点结构还包括第一加强环板和第二加强环板；

第一椭圆端面与内置的第一加强环板固定连接，第二椭圆端面与内置的第二加强环板固定连接；

第一椭圆端面与第一正圆端面全熔透焊接，第二椭圆端面与第二正圆端面全熔透焊接。

进一步地，第一加强环板与第二加强环板均沿周长设有全熔透坡口；

第一椭圆端面与第二椭圆端面均设有全熔透焊接坡口；

第一椭圆端面与第一加强环板通过全熔透焊接坡口与全熔透坡口焊接连接；

第二椭圆端面与第二加强环板通过全熔透焊接坡口与全熔透坡口焊接连接。

进一步地，第一加强环板与第二加强环板均设置有浇筑孔和冒浆孔，以便于柱内混凝土浇筑密实。

进一步地，冒浆孔设置于第一加强环板与第二加强环板的边缘位置；

浇筑孔设置于第一加强环板与第二加强环板的中心位置。

进一步地，大径钢管的任意母线、锥形管的任意母线、小径钢管的任意母线不同时重合。

本实用新型实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

1、采用易制造的标准锥形管，制造方便、费用较低，不受模具制作精度影响，对操作人员要求较低；

2、锥形管与大径钢管、小径钢管能形成偏心变径节点，方便快捷。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供钢管混凝土柱的偏心变径节点结构的第一结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供钢管混凝土柱的偏心变径节点结构的第二结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供第二加强环板的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供第一椭圆端面与第一正圆端面形成对接错口偏差的结构示意图。

图标：10-钢管混凝土柱的偏心变径节点结构，100-大径钢管，110-第一椭圆端面，200-小径钢管，210-第二椭圆端面，300-锥形管，310-第一正圆端面，320-第二正圆端面，400-第一加强环板，500-第二加强环板，510-浇筑孔，520-冒浆孔。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

图1为本实用新型实施例提供钢管混凝土柱的偏心变径节点结构10的第一结构示意图，主要展现大径钢管100、锥形管300、小径钢管200依次连接形成钢管混凝土柱的偏心变径节点结构10的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供钢管混凝土柱的偏心变径节点结构10的第二结构示意图，主要展现旋转角度a、高度h、第一直径d和第二直径d的示意图；

图3为本实用新型实施例提供第二加强环板500的结构示意图，主要展现浇筑孔510与冒浆孔520设置于第二加强环板500的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供第一椭圆端面110与第一正圆端面310形成对接错口偏差的结构示意图。

请参照图1，图1提供了一种钢管混凝土柱的偏心变径节点结构10，包括大径钢管100、小径钢管200和锥形管300。

大径钢管100具有斜切的第一椭圆端面110，小径钢管200具有斜切的第二椭圆端面210，锥形管300具有相对设置的第一正圆端面310和第二正圆端面320，第一正圆端面310的圆心与第二正圆端面320的圆心之间的连线垂直于第一正圆端面310。第一椭圆端面110与第一正圆端面310对接，第二椭圆端面210与第二正圆端面320对接，以使大径钢管100、锥形管300、小径钢管200依次连接。

发明人发现，现有技术中的对于钢管混凝土柱偏心锥形管变径节点的处理，需用到异形锥管。对于异形锥管，无专业的异形锥管卷制设备进行加工，只能通过专门定制模具进行铸钢浇筑成型，此做法往往周期较长且费用较高。且异形锥管的成型质量完全受模具制作精度影响，对制作模具的工人经验及技能熟练程度要求较高。

伴随国内钢结构的迅猛发展，越来越多的超高层结构、特殊造型结构优先选择钢结构作为其主要的主体结构形式，往往结构设计师会选择钢管柱内浇混凝土的形式来实现钢-砼结构优化。

由于上述结构特点为下部结构各项荷载较大，需选择较大截面的钢管柱；越往上伴随着荷载的减少，较小截面的钢管柱就能满足结构受力需求。建筑设计师出于对建筑空间的完美利用以及建设单位对工程的成本控制，就出现了较大截面钢管柱向较小截面钢管柱变化的情况，变径节点由此而生。

一般情况下，大截面柱中心与小截面柱中心在同一轴线上时，现有做法往往是通过大截面向小截面按一定角度找坡度，形成管径渐小的锥形管，来完成大管径钢管向小管径钢管的改变，对于此类节点我们通常称之为钢管混凝土柱锥形管变径节点。但有时出于建筑空间或结构设计要求，需要使两者中心不在同一轴线上，此时，在完成由大向小的变径过程中，变径节点将不再是标准锥形管，而对于此类节点我们将称之为钢管混凝土柱偏心锥形管变径节点。

据此发明人发明了一种钢管混凝土柱的偏心变径节点结构10，包括大径钢管100、小径钢管200和锥形管300，通过大径钢管100、锥形管300、小径钢管200依次连接形成偏心变径节点。

锥形管300具有相对设置的第一正圆端面310和第二正圆端面320，第一正圆端面310和第二正圆端面320分别对应于锥形管300的两端的端面。第一正圆端面310的圆心与第二正圆端面320的圆心之间的连线垂直于第一正圆端面310。该锥形管300可由一条母线，绕第一正圆端面310的圆心与第二正圆端面320的圆心之间的连线旋转而形成，这样的锥形管300是标准锥形管，可在工厂预先下料后直接卷制而成，制造简单，工作人员加工方便。大径钢管100和小径钢管200也可选择在工厂预先下料后直接卷制而成。

大径钢管100具有斜切的第一椭圆端面110，即第一椭圆端面110相较于大径钢管100的横截面是倾斜的。小径钢管200的斜切的第二椭圆端面210也是如此。

通过第一椭圆端面110与第一正圆端面310对接，形成大径钢管100与锥形管300的连接。通过第二椭圆端面210与第二正圆端面320对接，形成小径钢管200与锥形管300的连接。从而能够形成大径钢管100、锥形管300、小径钢管200的依次连接。

由于大径钢管100的直径与小径钢管200的直径不同，因此能够形成变径节点。而大径钢管100的第一椭圆端面110倾斜设置于大径钢管100上，小径钢管200的第二椭圆端面210倾斜设置于小径钢管200上，在锥形管300的两端都是正圆的基础上，大径钢管100的中轴线与小径钢管200的中轴线不重合，即不在同一轴线上，因此偏心。

综上，这样的钢管混凝土柱的偏心变径节点结构10采用容易制造的标准锥形管，制造方便、费用较低，不受模具制作精度影响，对操作人员要求较低，锥形管300与大径钢管100、小径钢管200能形成偏心变径节点，方便快捷。

进一步地，请参照图1和图4，大径钢管100、锥形管300、小径钢管200存在一条重合的母线。大径钢管100、锥形管300、小径钢管200的依次连接存在对接错口偏差ε，对接错口偏差ε可基于大径钢管100、锥形管300和小径钢管200的管壁厚度消除。

上述的大径钢管100的斜切的第一椭圆端面110与小径钢管200的斜切的第二椭圆端面210，斜切的角度相较于大径钢管100或小径钢管200的水平横截面，偏移角度都较小。基于小的偏移角度，在锥形管300的第一正圆端面310与大径钢管100的第一椭圆端面110对接(对齐连接)，存在对接错口偏差ε，该对接错口偏差ε远远小于大径钢管100的管壁厚度，能够通过焊接等方式消除对接错口偏差ε。同样的，能够消除第二椭圆端面210与第二正圆端面320对接形成的对接错口偏差ε。

更多地，上述的第一椭圆端面110与第二椭圆端面210的倾斜度相同，即相互平行。

进一步地，请参照图2和图4，大径钢管100的中轴线与锥形管300的中轴线的夹角的锐角为锥形管300的旋转角度a。锥形管300通过旋转相应的旋转角度a以与大径钢管100、小径钢管200连接。大径钢管100的中轴线与小径钢管200的中轴线平行，旋转角度a与对接错口偏差ε相对限制设定。

大径钢管100的中轴线与锥形管300的中轴线的夹角的锐角为锥形管300的旋转角度a，通过平行线的移动，旋转角度a还可以处于图2中的相应位置，例如，锥形管300的中轴线与锥形管300的任意母线的夹角也是旋转角度a。

大径钢管100的中轴线与小径钢管200的中轴线平行，但由于大径钢管100与小径钢管200的直径不等，大径钢管100的中轴线与小径钢管200的中轴线不重合。旋转角度a与对接错口偏差ε具有相互关系，对接错口偏差ε主要是基于管壁厚度，对接错口偏差ε基于工厂可消除误差的水平来决定，不同加工水平的工厂能可以消除的错口误差，是不一样的。再以此对旋转角度a进行选择的限制，从而确定第一椭圆端面110相较于大径钢管100的水平横截面的倾斜度，同样确定第二椭圆端面210相较于小径钢管200的水平横截面的倾斜度。

进一步地，请参照图2，锥形管300具有高度h，大径钢管100具有第一直径d，小径钢管200具有第二直径d，sin(a)＝(d-d)/2h。

从关系式sin(a)＝(d-d)/2h中，在大径钢管100的第一直径d与小径钢管200的第二直径d确定的情况下，可以发现旋转角度a与锥形管300的高度h是相互确定关系的。通过锥形管300的高度h(h一般会有设计图纸给出)，可以选定旋转角度a。根据确定的锥形管300的高度h，推出旋转角度a，从而可以得出对接错口偏差ε的选取范围。

进一步地，旋转角度a与对接错口偏差ε具有如下关系：cos(a)≥1/(1+ε/d)。

根据关系式cos(a)≥1/(1+ε/d)，在确定的大径钢管100的第一直径d的情况下，可以推导出旋转角度a与对接错口偏差ε的限制关系。

具体地，此处提供一种反馈调节的思路：

首先，旋转角度a可以通过公式sin(a)＝(d-d)/2h，由第一直径d、第二直径d、锥形管300的高度h(h一般会有设计图纸给出)而计算得到。

然后，可通过公式cos(a)≥1/(1+ε/d)，用对接错口偏差ε判断旋转角度a是否可行。此处的对接错口偏差ε是受工厂加工水平控制，不同加工水平的工厂可以消除的对接错口偏差ε是存在差异的，从而，可以用来限制旋转角度a的取值范围，

接着，如果由公式sin(a)＝(d-d)/2h计算出来的a的余弦值小于上述的范围1/(1+ε/d)，那么此时又可以反向调节，通过反向调节锥形管300的高度h来改变旋转角度a的取值，从而将a拉回到允许范围内，使得旋转角度a满足公式cos(a)≥1/(1+ε/d)。

进一步地，钢管混凝土柱的偏心变径节点结构10还包括第一加强环板400和第二加强环板500。第一椭圆端面110与内置的第一加强环板400固定连接，第二椭圆端面210与内置的第二加强环板500固定连接。第一椭圆端面110与第一正圆端面310全熔透焊接，第二椭圆端面210与第二正圆端面320全熔透焊接。

第一加强环板400设置于大径钢管100靠近第一椭圆端面110的空心内部，第二加强环板500设置于小径钢管200靠近第二椭圆端面210的空心内部。通过第一加强环板400和第二加强环板500，进行受力补强。第一椭圆端面110与第一正圆端面310、第二椭圆端面210与第二正圆端面320均选择全熔透焊接的方式进行连接，并消除对接错口偏差ε。

进一步地，第一加强环板400与第二加强环板500均沿周长设有全熔透坡口，第一椭圆端面110与第二椭圆端面210均设有全熔透焊接坡口。第一椭圆端面110与第一加强环板400通过全熔透焊接坡口与全熔透坡口焊接连接，第二椭圆端面210与第二加强环板500通过全熔透焊接坡口与全熔透坡口焊接连接。

这样能确保大径钢管100、锥形管300、小径钢管200依次连接的稳定性，强度极大。

进一步地，请参照图3，第一加强环板400与第二加强环板500均设置有浇筑孔510和冒浆孔520，以便于柱内混凝土浇筑密实。

通过浇筑孔510便于进行混凝土的浇筑。冒浆孔520便于柱内混凝土浇筑时，能及时将受挤压空气排出，从而保证浇筑密实。

进一步地，请参照图3，冒浆孔520设置于第一加强环板400与第二加强环板500的边缘位置，浇筑孔510设置于第一加强环板400与第二加强环板500的中心位置。

更多地，冒浆孔520可设置为多个，均匀设置于第一加强环板400与第二加强环板500的边缘位置。

进一步地，大径钢管100的任意母线、锥形管300的任意母线、小径钢管200的任意母线不同时重合。

即由大径钢管100、锥形管300、小径钢管200依次连接形成的钢管混凝土柱的偏心变径节点结构10，同样适用于大径钢管100、锥形管300、小径钢管200不存在任何一条重合的母线的情况下，这是基于钢管混凝土柱偏心锥形管变径节点的设计基础上。

本实施例提供一种工作流程如下：锥形管300为标准锥形管，大径钢管100与小径钢管200为标准圆管，三者均可在工厂预先下料后直接卷制而成。根据选定的锥形管300的旋转角度a，将大径钢管100与小径钢管200的端面进行斜切，并开设全熔透焊接坡口。第一加强环板400和第二加强环板500沿周长开设全熔透坡口，分别与大径钢管100的第一椭圆端面110与小径钢管200的第二椭圆端面210全熔透焊接。锥形管300分别与上述带有加强环板的大径钢管100与小径钢管200先后全熔透焊接。

本实用新型实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

1、采用易制造的标准锥形管，制造方便、费用较低，不受模具制作精度影响，对操作人员要求较低；

2、锥形管300与大径钢管100、小径钢管200能形成偏心变径节点，方便快捷；

3、给出了锥形管300旋转角度与大小钢管管径(大径钢管100的管径、小径钢管200的管径)、锥形管300高度以及允许对接错口偏差之间的几何数学关系，进一步说明了其适用范围具有很大弹性；

4、通过第一加强环板400和第二加强环板500进行受力补强；

5、采用全熔透焊接方式，连接稳定且强度大。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。