专利名称：钢桁架领结式整体节点的结构构造和施工方法
技术领域：
本发明涉及钢桁架结构，具体地说，特别涉及一种焊接箱型截面钢桁架杆件的连接节点及其施工方法。
背景技术：
桁架结构中，由于节点刚性、轴力偏心、横向连接件变形以及非节点荷载等因素的影响，杆件并非只承受理想铰接模型中的轴向力，还不可避免的存在杆端次弯矩。尤其对于大型桥梁工程和重型机械结构，承载力要求高导致了桁架杆件尺寸比较大，刚性节点板或整体节点所产生的节点刚性次内力效应非常显著。钢桁架次内力的不利影响主要体现在以下四方面①弯曲应力诱发过早的强度破坏，杆端截面提前进入塑性状态；②杆端弯矩不利于压杆的稳定，并使得按照轴心压杆进行稳定验算偏于不安全超静定结构适应基础不均匀沉降以及温度变化的能力有所减弱；④弯曲应力降低了杆件截面的材料利用率，不 利于结构优化。目前，整体节点在桁架结构(尤其是钢桁架桥梁结构)中的应用日益增多。这种节点构造上采用相同宽度的箱形弦杆和腹杆，将所有与节点相连杆件的同侧腹板整合成为单块的整体节点板。与传统拼装式节点相比，整体节点对焊接工艺要求较高，但因节点在工厂制造，质量容易得到控制，同时由于拼接位置在节点之外，现场拼装工作量小且难度较低。另外整体节点还具有密封性好、整体性强、外观简洁等优点。在整体节点与桁架杆件之间的连接方式上，随着焊接技术日趋成熟，也逐渐由栓接向栓焊或全焊过渡。但无论哪种连接方式，大尺寸整体节点板的存在都将大大限制杆件端部的转动能力，从而导致杆件中存在较大的弯矩次内力。如果可以在保证桁架结构整体力学性能的前提下，采取措施减小整体节点的核心区尺寸，从而形成节点刚性域更小的紧凑型节点，将对降低节点刚性次内力有很大帮助。程斌等曾于2009年9月在《建筑结构学报》上发表“领结式整体节点改善钢桁架次内力分析”一文，对采用杆端缩尺设计的Warren桁架结构进行了有限元分析，从理论上验证了这种设计方法的有效性。但该文只是初步提出了领节式整体节点的概念性设计思路，并未考虑节点的构造细节和部件组成，更未说明具体的组装施工方法，故而目前这种节点在实际工程中的应用尚不具备可操作性。因此，如果可以提出具体的构造措施和相应的施工方法，使得这种领结式节点具有可实施性，并应用于实际工程，将对杆端次弯矩产生较好的降低效果，并带来一些其他方面的好处。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供了一种采用全焊连接方式的钢桁架领结式整体节点的结构构造及其施工方法，它通过设置杆件变截面段来实现节点核心区紧凑化和节点刚性低弱化。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案本发明提供了一种钢桁架领结式整体节点的结构构造，所述整个节点由三种钢板焊接而成，分别为腹板、翼缘板和横隔板；所述腹板分为弦杆部和腹杆部，所述弦杆部和腹杆部交接处为整个节点核心区，所述节点核心区的截面高度最小，然后从节点核心区到腹板弦杆部左右两端方向以及腹板腹杆部方向的截面高度逐渐变大；其中从节点核心区到腹板弦杆部左右两端依次为弦杆变截面段、弦杆等截面段，从节点核心区到腹板腹杆部依次为腹杆变截面段、腹杆等截面段；所述翼缘板设置在两块腹板之间，并根据腹板轮廓形状进行弯折处理；所述横隔板设置在弦杆等截面段、腹杆等截面段、弦杆变截面段、腹杆变截面段以及节点核心区截面高度变化处以平衡翼缘板内力。所述整体节点主要用于杆件长高比不大于15的大型桥梁等重载钢桁架结构。所述整体节点采用焊接箱型截面杆件，且所有杆件的截面宽度均相同，从而保证节点构造的连续性。所述腹板由整块钢板加工成节点轮廓形状，并为所有杆件共用。 所述翼缘板根据变截面段形状进行弯折后为相邻弦杆共用，同时在翼缘板两条长边的同一侧以及腹杆翼缘板靠近核心区的一端开设单侧焊缝坡口。所述内隔板开圆孔后置于杆件截面高度变化处，以平衡翼缘板内力并减轻整体节
点重量。所述腹板的厚度取为节点所连接杆件腹板壁厚的最大值；所述翼缘板的厚度取相邻弦杆翼缘板厚度的较大值。所述腹板在翼缘板交角处设置圆弧过渡，圆弧半径的取值为弦杆截面高度的
O.3 O. 6 倍。所述弦、腹杆变截面段的长度取为其最大截面高度的Γ3倍。所述弦、腹杆变截面段的最小截面高度取为最大截面高度的O. 3^0. 6倍。所述整体节点采用的钢材强度等级可高于其他杆件节段，以提高桁架结构的承载力。所述整体节点采用的钢材强度等级越高，其变截面段的最小截面高度与最大截面高度比值就越低。本发明还提供上述钢桁架领结式整体节点的施工方法，包括如下步骤(I)将腹板、翼缘板、内隔板切割或弯折成所需形状，同时在翼缘板两条长边的同一侧以及腹杆翼缘板靠近核心区的一端开设单侧焊缝坡口；(2)将弦杆翼缘板用坡口熔透焊的方式焊接在一块腹板上，两者焊后保持相互垂直；(3)将腹杆翼缘板用坡口熔透焊的方式焊接在腹板上，并用坡口熔透焊将腹杆翼缘板端部与弦杆翼缘板连接固定，焊后腹杆翼缘板与腹板保持相互垂直；(4)将内隔板放入预定位置，在其与腹板和翼缘板相交的三条板边上施焊双侧角焊缝与之连接固定，焊后内隔板与腹板保持相互垂直。(5)盖上另一块腹板，在其与弦杆翼缘板、腹杆翼缘板相交处进行坡口熔透焊接，在其与内隔板相交处进行单侧角焊缝，形成封闭式整体节点。(6)采用对接熔透焊与其他杆件节段连接，形成整体桁架。
所述整体节点在工厂制作完成，运抵施工现场后，通过钢板对接焊缝与其他杆件节段连接而形成整个桁架。与现有技术相比，本发明的有益效果是(I)大幅降低桁架结构的节点刚性，从而减小由此产生的杆端次弯矩，使杆件受力由压弯/拉弯向轴压/轴拉靠近，提高杆件截面的材料利用率，并有利于结构优化。(2)节点在工厂加工制作，大量减少现场焊接工作，提高工程质量。 ( 3 )节点节段和其他杆件节段由工厂制作完成后，运抵现场进行节段拼装施工，缩短工程建设周期。(4)节点节段可单独采用强度等级高于其他节段的钢材，从而显著提高桁架结构 承载力。
图I是T形钢桁架领结式整体节点的构造图；图2是K形钢桁架领结式整体节点的构造图；图3是T形钢桁架领结式整体节点施工流程图。图4是K形钢桁架领结式整体节点施工流程图。图5是采用K形钢桁架领结式整体节点的钢桁架节段拼装示意图。图中1一腹板；2—弦杆翼缘板；3—腹杆翼缘板；4一核心区内隔板；5—弦杆内隔板；6 —腹杆内隔板；CUS —弦杆等截面段;WUS—腹杆等截面段；CTS —弦杆变截面段；WTS一腹杆变截面段；JCZ—节点核心区；IJ一整体节点节段；CM—弦杆节段；WM—腹杆节段；BW—现场对接焊缝。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图I所示，一种T形钢桁架领结式整体节点，由三种钢板焊接而成，分别为腹板
I、翼缘板2、3和横隔板4、5、6 ;所述腹板I由弦杆部和腹杆部组成T形，所述T形弦杆部和腹杆部交接处为整个节点核心区JCZ，所述节点核心区JCZ的截面高度最小，然后从节点核心区JCZ到腹板IT形弦杆部左右两端方向以及腹板I腹杆部方向的截面高度逐渐变大；其中从节点核心区JCZ到腹板I的T形弦杆部左右两端依次为弦杆变截面段CTS、弦杆等截面段CUS，从节点核心区JCZ到腹板I的T形腹杆部依次为腹杆变截面段WTS、腹杆等截面段WUS ;所述翼缘板2、3设置在两块腹板之间，并根据腹板轮廓形状进行弯折处理；所述横隔板4、5、6设置在弦杆等截面段CUS、腹杆等截面段WUS、弦杆变截面段CTS、腹杆变截面段WTS以及节点核心区JCZ截面高度变化处以平衡翼缘板2、3内力。如图2所示，一种K形钢桁架领结式整体节点，由三种钢板焊接而成，分别为腹板
I、翼缘板2、3和横隔板4、5、6 ;所述腹板I由弦杆部和腹杆部组成K形，所述K形弦杆部和腹杆部交接处为整个节点核心区JCZ，所述节点核心区JCZ的截面高度最小，然后从节点核心区JCZ到腹板IK形弦杆部左右两端方向以及腹板I腹杆部方向的截面高度逐渐变大；其中从节点核心区JCZ到腹板I的K形弦杆部左右两端依次为弦杆变截面段CTS、弦杆等截面段CUS，从节点核心区JCZ到腹板I的K形腹杆部依次为腹杆变截面段WTS、腹杆等截面段WUS ;所述翼缘板2、3设置在两块腹板之间，并根据腹板轮廓形状进行弯折处理；所述横隔板4、5、6设置在弦杆等截面段CUS、腹杆等截面段WUS、弦杆变截面段CTS、腹杆变截面段WTS以及节点核心区JCZ截面高度变化处以平衡翼缘板2、3内力。如图5所示，采用K形领结式整体节点的钢桁架，包括K形整体节点节段IJ、弦杆节段CM、腹杆节段WM ;所述弦杆节段CM与K形整体节点节段IJ的弦杆部对接放置；所述腹杆节段WM与K形整体节点节段IJ的腹杆部对接放置；采用对接熔透焊方式连接K形整体节点节段U、弦杆节段CM及腹杆节段WM，形成现场对接焊缝BW，组成钢桁架整体。本实施例中，弦杆变截面段、腹杆变截面段紧邻节点核心区，且该段范围内的杆件截面高度沿朝向节点核心区方向逐渐减小。腹板由整块钢板加工成节点轮廓形状，翼缘板 根据变截面段形状进行弯折，内隔板则置于杆件截面高度变化处以平衡翼缘板内力。本实施例中，所述钢桁架领结式整体节点主要用于杆件长高比不大于15的大型桥梁等重载钢桁架结构。本实施例中，所述钢桁架领结式整体节点采用焊接箱型截面杆件，且所有杆件的截面宽度均相同，从而保证节点构造的连续性。本实施例中，所述钢桁架领结式整体节点由腹板，弦、腹杆翼缘板以及内隔板三类钢板组焊而成。本实施例中，所述腹板由整块钢板加工成节点轮廓形状，并为所有杆件共用。本实施例中，所述翼缘板根据变截面段形状进行弯折后为相邻弦杆共用，同时在翼缘板两条长边的同一侧以及腹杆翼缘板靠近核心区的一端开设单侧焊缝坡口。本实施例中，所述内隔板4、5、6开圆孔，并置于杆件截面高度变化处，以平衡翼缘板内力并减轻整体节点重量。本实施例中，当节点所连接杆件的腹板壁厚不同时，腹板I的厚度取最大值；当相邻弦杆翼缘板厚度不同时，翼缘板2的厚度取较大值。本实施例中，所述节点腹板I在翼缘板2、3交角处设置圆弧过渡，圆弧半径的取值范围为弦杆截面高度的O. 3^0. 6倍。本实施例中，所述弦、腹杆变截面段CTS、WTS长度的取值范围为其最大截面高度的f 3倍。本实施例中，所述弦、腹杆变截面段CTS、WTS的最小截面高度取为最大截面高度的 O. 3^0. 6 倍。本实施例中，所述整体节点在工厂制作完成，运抵施工现场后，通过钢板对接焊缝与其他杆件节段连接而形成整个桁架。本实施例中，所述整体节点采用的钢材强度等级可高于其他杆件节段，以提高桁架结构的承载力。本实施例中，所述整体节点所采用的钢材强度等级可高于节点外围的桁架其他杆件节段，且强度等级越高，变截面段的最小截面高度与最大截面高度比值就越低。所述钢桁架领结式整体节点的施工方法，如图3、4所示，包括如下步骤(I)将腹板I、翼缘板2、3、内隔板4、5、6切割或弯折成所需形状，同时在翼缘板2、3两条长边的同一侧以及腹杆翼缘板3靠近核心区的一端开设单侧焊缝坡口 ；
(2)将弦杆翼缘板2用坡口熔透焊的方式焊接在一块腹板I上，两者焊后保持相互
垂直；(3)将腹杆翼缘板3用坡口熔透焊的方式焊接在腹板I上，并用坡口熔透焊将腹杆翼缘板3端部与弦杆翼缘板2连接固定，焊后腹杆翼缘板3与腹板I保持相互垂直； (4)将内隔板4、5、6放入预定位置，在其与腹板I和翼缘板2、3相交的三条板边上施焊双侧角焊缝与之连接固定，焊后内隔板4、5、6与腹板I保持相互垂直。(5)盖上另一块腹板1，在其与弦杆翼缘板2、腹杆翼缘板3相交处进行坡口熔透焊接，在其与内隔板5、6相交处进行单侧角焊缝，形成封闭式整体节点。(6)采用对接熔透焊与其他杆件节段连接，形成整体桁架。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的·描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种钢桁架领结式整体节点的结构构造，其特征在于所述整个节点由三种钢板焊接而成，分别为腹板(I)、翼缘板(2、3)和横隔板(4、5、6);所述腹板(I)分为弦杆部和腹杆部，所述弦杆部和腹杆部交接处为整个节点核心区(JCZ)，所述节点核心区(JCZ)的截面高度最小，然后从节点核心区(JCZ)到腹板(I)弦杆部左右两端方向以及腹板(I)腹杆部方向的截面高度逐渐变大；其中从节点核心区(JCZ)到腹板(I)弦杆部左右两端依次为弦杆变截面段(CTS)、弦杆等截面段(CUS)，从节点核心区(JCZ)到腹板(I)腹杆部依次为腹杆变截面段(WTS)、腹杆等截面段(WUS);所述翼缘板(2、3)设置在两块所述腹板(I)的中间；所述横隔板(4、5、6)设置在弦杆等截面段(CUS)、腹杆等截面段(WUS)、弦杆变截面段(CTS)Jf杆变截面段(WTS)以及节点核心区(JCZ)截面高度变化处以平衡翼缘板(2、3)内力。
2.根据权利要求I所述的钢桁架领结式整体节点的结构构造，其特征在于节点以及桁架其他杆件节段均采用焊接箱型截面，且所有杆件的截面宽度均相同。
3.根据权利要求I所述的钢桁架领结式整体节点的结构构造，其特征在于腹板(I)由整块钢板加工成节点轮廓形状，并为节点中所有翼缘板(2、3 )和横隔板(4、5、6 )共用。
4.根据权利要求3所述的钢桁架领结式整体节点的结构构造，其特征在于翼缘板(2、3)根据变截面段形状进行弯折后为相邻弦杆共用，且在翼缘板(2、3)两条长边的同一侧以及腹杆翼缘板(3 )靠近核心区的一端开设单侧焊缝坡口。
5.根据权利要求3所述的钢桁架领结式整体节点的结构构造，其特征在于内隔板(4、5、6)开圆孔以减轻整体节点重量。
6.根据权利要求1-5任一项所述的钢桁架领结式整体节点的结构构造，其特征在于腹板(I)的厚度取为节点所连接杆件腹板壁厚的最大值；翼缘板(2)的厚度取相邻弦杆翼缘板厚度的较大值。
7.根据权利要求1-5任一项所述的钢桁架领结式整体节点的结构构造，其特征在于腹板(I)在翼缘板(2、3)交角处设置圆弧过渡，圆弧半径的取值范围为弦杆截面高度的O.3 O. 6 倍。
8.权利要求1-5任一项所述的钢桁架领结式整体节点的结构构造，其特征在于弦、腹杆变截面段(CTS、WTS )长度的取值范围为其最大截面高度的Γ3倍。
9.根据权利要求1-5任一项所述的钢桁架领结式整体节点的结构构造，其特征在于弦、腹杆变截面段(CTS、WTS)最小截面高度的取值不小于其最大截面高度的O. 3倍。
10.根据权利要求I所述的钢桁架领结式整体节点的结构构造，其特征在于所述节点 采用的钢材强度等级越高，其变截面段的最小截面高度与最大截面高度比值就越低。
11.一种权利要求1-10所述的钢桁架领结式整体节点的施工方法，其特征在于包括如下步骤 (1)将腹板(I)、翼缘板(2、3)、内隔板(4、5、6)切割或弯折成所需形状，同时在翼缘板(2,3)两条长边的同一侧以及腹杆翼缘板(3)靠近核心区的一端开设单侧焊缝坡口 ； (2)将弦杆翼缘板(2)用坡口熔透焊的方式焊接在一块腹板(I)上，两者焊后保持相互垂直； (3)将腹杆翼缘板(3)用坡口熔透焊的方式焊接在腹板(I)上，并用坡口熔透焊将腹杆翼缘板(3)端部与弦杆翼缘板(2)连接固定，焊后腹杆翼缘板(3)与腹板(I)保持相互垂直；(4)将内隔板(4、5、6)放入预定位置，在其与腹板(I)和翼缘板(2、3)相交的三条板边上施焊双侧角焊缝与之连接固定，焊后内隔板(4、5、6)与腹板(I)保持相互垂直。
(5)盖上另一块腹板(1)，在其与弦杆翼缘板(2)、腹杆翼缘板(3)相交处进行坡口熔透焊接，在其与内隔板(5、6)相交处进行单侧角 焊缝，形成封闭式整体节点。
(6)采用对接熔透焊与节点外围桁架其他杆件节段连接，形成整体桁架。
全文摘要
本发明公开了一种钢桁架领结式整体节点的结构构造及其施工方法，所述节点由腹板、翼缘板和横隔板组成；腹板由弦杆部和腹杆部构成，弦杆部和腹杆部交接处为整个节点核心区，节点核心区的截面高度最小，从节点核心区到腹板弦杆部左右两端依次为弦杆变截面段、弦杆等截面段，从节点核心区到腹板腹杆部依次为腹杆变截面段、腹杆等截面段；翼缘板设置在两块腹板之间；横隔板设置在弦杆等截面段、腹杆等截面段、弦杆变截面段、腹杆变截面段以及节点核心区截面高度变化处以平衡翼缘板内力。本发明适用于土木工程的钢桁架结构领域，它制作简单，便于节段式施工，同时有利于降低桁架节点刚度，优化杆件受力，并减小结构用钢量，可在实际工程中推广应用。
文档编号F16S1/10GK102913742SQ20121025197
公开日2013年2月6日 申请日期2012年7月20日 优先权日2012年7月20日
发明者程斌, 钱沁 申请人:上海交通大学