一种双向弯曲箱型截面杆通用的装配式连接系统的制作方法

本发明涉及土木工程、输变电工程、仓储货架和船舶制造等采用箱型截面杆作为承力杆件的相关结构领域，特别是涉及到土木工程钢结构中箱型截面构件之间的连接技术。

背景技术：

箱型截面杆是以冷弯、热轧或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污垢清洁。对于双向弯曲杆件，截面高宽比可随相应弯矩比值调节，材料利用率更高，承载能力和整体稳定性更好。在高层钢框架、大跨度空间网壳、超高输电塔、仓储货架及桥梁等结构中都有广泛应用，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。针对双向弯曲箱型截面杆件的现有装配式连接技术手段较少，多随节点开发而伴生。常见形式主要有外伸端板(类似外法兰)连接、箱壁开孔平齐端板连接、贯穿螺栓套管连接和外部加强连接等。箱壁开孔平齐端板连接通过箱壁开孔来安装内置螺栓，不适宜于小截面杆，而且开孔会导致局部应力集中，削弱杆件承载能力和自身密封性；外伸端板连接显著改变杆件外观轮廓；贯穿螺栓套筒连接和外部加强连接对杆件外观和截面强度都一定影响。

综上所述，现有装配式连接技术的缺陷为，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。

技术实现要素：

针对箱型截面杆件的装配式连接技术的发展现状，本发明提供了一种双向弯曲箱型截面杆通用的装配式连接系统，不仅保持了箱型截面杆件的外观效果(无需杆件外观轮廓破坏)和耐候性能优势，避免杆件箱壁开孔，还能提供较高的截面双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，本发明连接系统还可实现较宽范围的连接刚度调节。更重要的是，本发明连接系统组件少，加工工艺简单，误差容忍性强，制造成本低，通用性大大增强强，可广泛推广等显著优点。

本发明采用如下技术方案实现。

一种双向弯曲箱型截面杆通用的装配式连接系统，该系统包括：a、一对对称设置的端板：端板A、端板B；b、N组套筒螺栓组合件；

其中，端板的结构为，端板的一面为接触结合面，另一面为与箱型截面杆端固定连接的杆端固定面，沿接触结合面外周边缘设置有接触承压凸缘，在端板外边缘之间的区域上均布设置有N个螺栓孔，即在端板A上设置有螺栓孔A、在端板B上设置有螺栓孔B；将对应的端板A和端板B的接触结合面相向对齐接触后，端板A和端板B的接触承压凸缘上的相对凹缺合并形成M个安装操作孔；

每组套筒螺栓组合件包括1个螺栓杆、1个外六角套筒、2颗销钉和1个环形垫片；螺栓杆中部光滑段设置有一对关于轴线对称的滑槽，滑槽宽度与销钉直径相配合；外六角套筒为一个中部抽空的正六棱柱体，外六棱柱面与内部圆柱形空腔共轴线，内壁光滑，套设在螺栓杆上；在外六角套筒一组相对的外柱面中部开有穿透销钉螺纹孔，销钉螺纹孔的孔径与销钉配套；环形垫片内孔直径与螺栓杆直径相配合，环形垫片设置在螺栓杆的螺帽和端板A之间，螺栓杆的螺纹段旋入端板B上设置的螺栓孔B内。

本发明还包括M组盖板组合件，每组盖板组合件包括1块盖板，用于封闭固定安装操作孔。

本发明在端板中部无螺栓孔区域开设有中部孔洞，中部孔洞边缘设有接触承压凸缘。

本发明在端板的接触结合面上的螺栓孔之间增设端板加劲肋。

本发明在端板B的杆端固定面上螺栓孔周围增设局部加厚锥台。

本发明盖板的封装结构为，在安装操作孔的四角留有斜角，斜角上设置有斜角螺纹孔；盖板组合件还包含沉头盖板固定螺丝；盖板四角设置有的角部螺栓孔；沉头盖板固定螺丝依次穿过角部螺栓孔、斜角螺纹孔，以封闭固定盖板。

本发明盖板的封装结构还可以为，在安装操作孔边缘内部设置有固定耳板，固定耳板上设置有耳板螺纹孔；盖板组合件还包含沉头盖板固定螺丝；盖板边缘设置有对应盖板螺栓孔；沉头盖板固定螺丝依次穿过盖板螺栓孔、耳板螺纹孔，以封闭固定盖板。

本发明盖板的封装结构亦可以为，在盖板周边设置有固定耳板，固定耳板上设有盖板螺栓孔；在端板的接触承压凸缘侧面设置有对应的凸缘螺纹孔；盖板组合件还包含沉头盖板固定螺丝；沉头盖板固定螺丝依次穿过耳板螺栓孔、凸缘螺纹孔，以封闭固定盖板。

一种双向弯曲箱型截面杆通用的装配式连接系统的装配方法，该方法步骤为，

1)在端板A与杆端焊接之前，先取螺栓杆依次穿过1个环形垫片和端板A上的对应孔，使螺栓杆上的滑槽位于端板A上的接触承压凸缘同侧，而环形垫片位于另一侧；然后，自螺栓杆的螺纹端套上外六角套筒至滑槽位置，转动外六角套筒使其上螺纹孔与上述滑槽方向一致，用销钉自外六角套筒上的螺纹孔拧入，并伸入螺栓杆上的滑槽，以限制外六角套筒与螺栓杆之间的同轴相对转动；

2)在工厂将(安装好套筒螺栓组合件的)端板A及端板B的杆端固定面分别与相应的箱型截面杆端连接固定，并整体运至安装现场；

3)在端板A与端板B对应连接时，首先应调整相应杆端位置，以保证两块端板相向对齐，接着滑动外六角套筒到合适位置，并将螺栓杆手动拧入端板B上的对应螺纹孔中一部分；然后，用扳手拧外六角套筒，带动螺栓杆转动，直至达到设定扭力；

4)然后将扳手从安装操作孔内取出，安装盖板组合件，完成两段箱型截面杆的固定连接。

与现有连接技术相比，本发明的有益效果为，本发明公布的双向弯曲箱型截面杆件通用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双向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；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是本发明通用连接系统中的一种16螺栓装配式连接结构示意图(其中上部分为其组件分解结构示意图；下部分为组装后结构示意图)。

图2是本发明通用装配式连接系统中一对16螺栓端板的细部构造立体示意图(其中图2a和图2b为两个不同视角的结构示意图)。

图3是本发明通用装配式连接系统中一对8螺栓端板的细部构造立体示意图(其中图3a和图3b为两个不同视角的结构示意图)。

图4是本发明通用装配式连接系统中一对4螺栓端板的细部构造立体示意图(其中图4a和图4b为两个不同视角的结构示意图)。

图5是本发明通用装配式连接系统中典型套筒螺栓组合件的连接结构示意图(其中上部分为组装后的整体结构示意图；下部分为零件分解的立体示意图)。

图6是本发明通用装配式连接系统中安装操作孔盖板组件及零件分解的立体示意图。

图7是本发明通用连接系统中的一种4螺栓装配式连接结构示意图(其中上部分为其组件分解结构示意图；下部分为组装后结构示意图)。

图8是本发明通用连接系统中的一种6螺栓装配式连接结构示意图(其中上部分为其组件分解结构示意图；下部分为组装后结构示意图)。

图9是本发明通用连接系统中的一种8螺栓装配式连接结构示意图(其中上部分为其组件分解结构示意图；下部分为组装后结构示意图)。

图10是本发明通用装配式连接系统用于两种箱型截面装配式框架结构体系的较佳实施例立体示意图(其中图10a为本发明结构为梁连接设在跨中的结构效果图；图10b为本发明结构为梁连接设在偏离梁端一定距离处的结构效果图)。

图11是本发明通用装配式连接系统用于T形刚构桥中桥面梁和桥墩连接的一个实施例立体示意图。

图12是本发明通用装配式连接系统用于拱桥分段拱肋间连接的一个实施例立体示意图。

附图中各部件的标记如下：1、端板A；2、端板B；3、套筒螺栓组合件；4、盖板组合件；5、接触结合面；6、杆端固定面；7、箱型截面杆端；8、接触承压凸缘；9、杆端固定凸缘；10、安装操作孔；11、螺栓孔A；12、螺栓孔B；13、螺栓杆；14、六角套筒；15、销钉；16、环形垫片；17、盖板；18、盖板固定螺丝；19、端板加劲肋；20、局部加厚锥台；21、中部孔洞；22、滑槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

一种双向弯曲箱型截面杆通用的装配式连接系统，该系统包括：a、一对对称设置的端板：端板A1、端板B2；b、N组套筒螺栓组合件3；其中，端板的结构为，端板的一面为接触结合面5，另一面为与箱型截面杆端7固定连接的杆端固定面6，如图3和4。沿接触结合面5外周边缘设置有接触承压凸缘8；杆端固定面6上，临近周边按需设置杆端固定凸缘9，如图1至4。在端板外边缘之间的区域上均布设置有N个螺栓孔，即在端板A1上设置有N个螺栓孔A 11、在端板B 2上设置有N个螺栓孔B 12。将对应的端板A 1和端板B 2的接触结合面5相向对齐接触后，端板A 1和端板B 2的接触承压凸缘8上的相对凹缺合并形成M个安装操作孔10。

每套筒螺栓组合件3的结构为，包括1个螺栓杆13、1个外六角套筒14、2颗销钉15和1个环形垫片16；螺栓杆13中部光滑段设置有一对关于轴线对称的滑槽22，滑槽22宽度与销钉15直径相配合；外六角套筒14为一个中部抽空的正六棱柱体，外六棱柱面与内部圆柱形空腔共轴线，内壁光滑，外六棱柱底面尺寸参考标准六角螺帽轮廓尺寸，套设在螺栓杆13上；在外六角套筒14一组相对的外柱面中部开有穿透销钉螺纹孔，销钉螺纹孔的孔径与销钉15配套；螺栓杆13的螺纹段旋入端板B 2上设置的螺栓孔B 12内，安装施工时，可通过销钉15剪断来控制高强螺栓杆13的施工扭矩。

端板A 1上的螺栓孔A 11为无螺纹光面孔壁，如图2至4，孔径比螺栓杆13直径大6mm～16mm；端板B 2上的螺栓孔B 12为有螺纹孔，孔径和螺纹与螺栓杆13配套，以形成可靠紧固连接。

如图5；端板A 1上螺栓孔A 11与高强螺栓杆13之间设有间隙(如6mm～16mm)，以提高本连接系统的误差容忍性，同时为保证压应力能均匀而有效地传递，所以在高强螺栓杆13的圆螺帽和端板A 1的杆端固定面6之间增设活动的环形垫片16，其厚度不小于螺栓孔A 11与高强度螺栓杆13的直径之差。

本发明还包括M组盖板组合件4，每组盖板组合件4包括1块盖板17，用于封闭固定安装操作孔10，并提高连接面的抗剪及抗扭承载能力。

N和M为自然数，M可不小于2。

如图2、3和4，端板采用强度不低于杆件母材的金属铸造或锻压出通用初坯，加以机械加工制成。

对于短边边长在350mm以上的较大端板，如图2，可在其中部无螺栓区域留设中部孔洞21以减重，中部孔洞21边缘设有接触承压凸缘8；而对于短边边长小于350mm的小端板，中部开孔必要性降低。

如图1、7至9，安装操作孔10的形状可为圆角矩形，长圆或椭圆形等。安装操作孔10设置以便于实现全部套筒螺栓组合件3扭矩施工为准，尽量减小安装操作孔10尺寸和数量，且安装操作孔10应尽量设置在接触承压凸缘8上正应力小的区段。

盖板17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10对应，以保证盖板17能方便且缝隙密合地嵌入安装操作孔10，并用沉头盖板固定螺丝18固定。

本发明盖板17的封装结构为，在安装操作孔10的四角留有斜角(厚度不小于2mm)，斜角上设置有斜角螺纹孔；盖板组合件4还包含沉头盖板固定螺丝18；盖板17四角设置有的角部螺栓孔；沉头盖板固定螺丝18依次穿过角部螺栓孔、斜角螺纹孔，以封闭固定盖板17。

本发明盖板17的封装结构还可以为，在安装操作孔10边缘内部设置有固定耳板，固定耳板上设置有耳板螺纹孔；盖板组合件4还包含沉头盖板固定螺丝18；盖板17边缘设置有对应盖板螺栓孔；沉头盖板固定螺丝18依次穿过盖板螺栓孔、耳板螺纹孔，以封闭固定盖板17。即本段落的技术特征是在安装操作孔10边缘的内部设置固定耳板，最终实现封闭固定盖板17。

本发明盖板17的封装结构亦可以为，在盖板17周边设置有固定耳板，固定耳板上设有盖板螺栓孔；在端板的接触承压凸缘侧面设置有对应的凸缘螺纹孔；盖板组合件4还包含沉头盖板固定螺丝18；沉头盖板固定螺丝18依次穿过耳板螺栓孔、凸缘螺纹孔，以封闭固定盖板17。即本段落的技术特征是在安装操作孔10边缘的外部设置固定耳板，最终实现封闭固定盖板17。

安装操作孔、盖板组合件4及增设斜角的设计方案可作为优选方案，并非因此限制本发明的主体保护范围，其它以封闭安装操作孔或提高连接面抗剪承载力为目的等效变换方案，如改变盖板及对应安装操作孔形状、增设固定耳板等等，手段是可以多种多样的，都在本专利保护范围内。

安装操作孔、盖板组合件4不是必需的，对于少数外观和耐候要求较低且连接面剪力较小的情况下，安装操作孔、盖板组合件4和相应固定构造措施均可一并取消。

上述接触承压凸缘8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9，当端板与箱型截面杆端7采用焊接连接时，其功能为托弧板；当端板与杆端7采用螺丝紧固连接时，其功能为内连接板；当端板与箱型截面杆端7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9截面尺寸应根据相应连接方式设计。

上述端板A 1和端板B 2的厚度、螺栓杆13的数量、直径及间距，应根据连接面的整体转动刚度、变形和承载力极限要求设计；螺栓孔A 11和螺栓孔B 12的数量和布置还应考虑所需传递的内力特征。

为了减小端板A1和端板B2的厚度，或为提高连接的整体转动刚度，可在端板A 1和端板B 2的接触结合面5上的螺栓孔之间增设端板加劲肋19，如图4a和4b，以减小端板的高强螺栓拉力作用下的变形。

另外，当端板B 2的厚度小于螺栓杆13承受最大轴向拉力所需最小咬合螺纹长度时，为避免螺栓杆13与螺栓孔B 12之间出现因咬合螺纹过短而脱丝，可在端板B 2的杆端固定面6上螺栓孔周围增设局部加厚锥台20，如图3b，以保证咬合螺纹长度。

为了保证杆件的整体外观效果，端板A 1和端板B 2与杆件轴线正交时，如图7至9，其外轮廓形状和尺寸与相连杆件的横截面一致；端板A 1和端板B 2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。

对于双向弯曲受力杆件螺栓常沿截面箱壁内侧布置，套筒螺栓组合件3的组数N为多偶数，如4、6、8、10…；盖板组合件4的组数M，即安装操作孔10的数量，因螺栓数量和布置变化，考虑截面对称性，常为偶数。因此，N和M值会随着构件截面尺寸增加而变化，在满足结构性能要求下，应通过调整螺栓直径和布置，以优化安装操作孔10的布置和减小开孔总长度。

一种双向弯曲箱型截面杆通用的装配式连接系统的装配方法，该方法步骤为，

1)在端板A 1与杆端焊接之前，先取螺栓杆13依次穿过1个环形垫片16和端板A 1上的对应孔，使螺栓杆13上的滑槽22位于端板A 1上的接触承压凸缘8同侧，而环形垫片16位于另一侧；然后，自螺栓杆13的螺纹端套上外六角套筒14至滑槽22位置，转动外六角套筒14使其上螺纹孔与上述滑槽22方位一致，用销钉15自外六角套筒14上的螺纹孔拧入，并伸入螺栓杆13上的滑槽22，以限制外六角套筒14与螺栓杆13之间的同轴相对转动；

2)在工厂将安装好套筒螺栓组合件3的端板A 1及端板B 2的杆端固定面6分别与相应的箱型截面杆端7连接固定，并整体运至安装现场；

3)在端板A 1与端板B 2对应连接时，首先应调整相应杆端位置，以保证两块端板相向对齐，接着滑动外六角套筒14到合适位置，并将螺栓杆13手动拧入端板B 2上的对应螺纹孔中一部分；然后，用扳手拧外六角套筒14，带动螺栓杆13转动，直至达到设定扭力；

4)然后将扳手从安装操作孔10内取出，安装盖板组合件4，完成两段箱型截面杆的固定连接。

本发明在不同的工作条件下的使用说明。

请参阅图10，本发明实施例一：为一种基于本发明通用装配式连接技术的箱型截面装配式框架。箱型截面亦是框架结构中首选的截面形式，但受装配式连接技术制约导致现有装配式框架常采用H型或工字型截面。应用本发明的通用装配式连接技术，能以较经济成本突破上述制约，形成一种通用的箱型截面装配式框架体系。如图10，在箱型截面框架柱的反弯点附近设置本发明的通用装配式连接系统，连接端板根据柱内力特征设计，可实现近似焊接整体柱的结构性能。为了便于安装施工，端板A 1与上柱段下端相连，而端板B 2固定于下柱段上端。类似地，框架梁上应用本发明连接技术，也能实现分段装配化。根据梁上连接面位置不同常有两种形式：1)第一种如图10a，在框架梁的跨中设置本发明通用连接系统。每根框架梁跨中只需设置1套连接系统，端板A 1和端板B 2可互换，只需保证每个连接面配套即可。这种装配式框架体系连接面少，安装快，整体刚度大，但构件运输要求较高，类似常见的装配式框架体系。2)第二种如图10b，与前者不同，在梁的两端各设置一套本发明连接系统，且连接面由梁端向中间调整小段距离。每根框架梁被分为三段，包括较长的中部梁身和两端分别分离出的小短梁。该小短梁一端与框架柱等强焊接，另一端固定有端板B 2；而中部梁身两端均配套固定有端板A 1。该类框架柱上焊接的梁段较短，便于运输和吊装；而且，通过合理设计连接系统转动刚度和极限弯矩，可形成一个“指定塑性铰”，类似于狗骨式框架梁，具有更好的静力特性和抗震耗能性能。实际应用中，从整体结构性能出发，合理调整装配式连接系统的位置和力学特性，可设计出结构性能优异且经济高效的装配式框架体系。该实施例特别适用于各类多高层钢结构建筑物、超高输电塔和仓储货架等结构。

请参阅图11和12，本发明实施例二：为本发明通用装配式连接系统用以实现箱型截面连续刚构桥和拱桥的装配化。拱桥的拱肋、连续刚构桥的桥面主梁和桥墩常需承受较大的双向弯矩，采用箱型截面构件是最理想选择。现有连续刚构桥中，对于截面尺寸较大的构件，常采取箱壁开孔，施工人员进入箱室内安装施工；对于截面尺寸较小的构件，常因连接技术限制而放弃箱型截面。应用本发明通用装配式连接技术，在无需箱壁开孔的条件下可方便实现箱型截面构件装配化，解决上述问题。如图11，为箱型截面T型刚构，可在弯矩较小的区段设置本发明通用装配式连接系统，将连续的T型刚构分解为较小分段，便于实现工厂生产和快速安装；同理如图12，通过合理布置和设计连接面，应用本发明技术亦可将较长且弯曲的拱肋实现分割，便于工业化生产和快速安装，同时又无需担忧在外观和力学性能上付出较大代价。当桥梁的拱肋、桥面和桥墩截面尺寸增大时，总可将截面分解为多个小尺寸箱室的组合，或者按本发明的装配化连接理念设计出大型专用端板。当然，本发明装配式连接技术也可用于简支梁桥、连续梁桥、斜拉桥或提篮拱桥等其它结构类型的桥梁。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或近似变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

需要说明的是，在本文中，诸如“A”和“B”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“一对……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明的技术特征。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。