CN101974938A - 植杆式体结点铝合金三角形与矩形空间桁架结构 - Google Patents

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梁琨
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植杆式体结点铝合金三角形与矩形空间桁架结构，包括该桁架所有的结点体及汇交于各结点体并与结点体联结的空间桁架的所有的铝合金杆件，其特点是：结点体上的三个方向分别开有一道槽，总共开三道槽，三个方向汇交于该结点体的杆件分别植入相应的方向的槽内并用螺栓或铆栓紧固，就得到几何不变的，受力合理，结构可靠，便于设计、制作与施工的植杆式体结点铝合金三角形或矩形空间桁架结构。本发明的铝合金空间桁架结构连接可靠、结构简单，制作与施工方便。这里所说的三角形与矩形空间桁架结构，指的是空间桁架几何图形横断面是三角形的或矩形的。

Description

植杆式体结点铝合金三角形与矩形空间桁架结构
一、技术领域
本发明涉及一种空间桁架，是房屋建筑、桥梁建筑的土木工程领域常用的一种空间结构体系。
二、背景技术
平面桁架只能承受作用在桁架平面以内的荷载，但是工程实际上结构所受的荷载常作用于不同方向的几个平面内。因此，在工程中，还有一类具有明显空间特征的桁架，能够承受作用于不同方向的几个平面内的荷载，这种体系称为空间桁架。组成几何不变的空间桁架的最简单规则，是从一个平面三角形或从基础开始，依次用三根不共面的链杆固定一个新结点。按此规则依次添加新结点，就可以组成几何不变的空间桁架，符合这个组成规则而无多余联系链杆的称为静定空间桁架。若果有多余联系链杆的称为超静定空间桁架。空间桁架结构其跨度可大可小，常用于大跨度的工业厂房、体育场馆及桥梁工程等土木工程中。常见的有钢结构空间桁架、钢筋混凝土空间桁架、钢与混凝土组合空间桁架等。螺栓球结点钢网架与焊接球结点钢网架、钢塔架等都是典型的钢结构的空间桁架。经过科技情报部门检索查新，目前尚未发现有铝合金空间桁架，也未发现有植杆式体结点三角形与矩形空间桁架。
铝合金材料质轻(是钢材的三分之一)，高强(六系列铝材的物理力学性能已接近建筑用钢的Q235)，防腐力高(是钢材的4～6倍)，成型性好(是其他金属不可比)，是可以再生的环保建筑金属，目前已广泛应用于门、窗、幕墙及其他的装修建筑工程领域，本发明植杆式体结点铝合金三角形与矩形空间桁架，就是发明植杆式体结点，解决铝合金三角形与矩形空间桁架的技术关键，成功创造出植杆式体结点铝合金三角形与矩形空间桁架结构体系。
这里所说的三角形与矩形空间桁架，指的是空间桁架的几何图形横断面是三角形的称为三角形空间桁架(见图1)。而三角形的三个内角大小由设计者根据实际工程设计确定。空间桁架的几何图形横断面是矩形的称为矩形空间桁架(见图2)。
三、发明内容
1、本发明的目的
结点构造是铝合金空间桁架设计、制作、施工及推广应用的关键技术。本发明的目的就是要根据铝合金的材料特点及桁架结构的受力特点，创造出一种充分发挥这两个特点的铝合金空间桁架结构，设计出受力合理，结构可靠，便于设计、制作与施工的植杆式体结点铝合金三角形与矩形空间桁架体系，为土木工程领域推广应用可再生又环保的铝合金结构创造条件。
为了实现本发明的目的，本发明人对铝合金材料的物理力学性能进行了深入的分析，又对三角形与矩形空间桁架的杆件与结点构成、受力特点进行了深入的研究，并与传统的钢空间桁架进行了对比分析，创造了植杆式体结点铝合金三角形与矩形空间桁架结构，并对某建筑工程屋盖中的三角形与矩形空间桁架进行结构分析与设计，其结果是结构可靠、受力合理清晰、构造简单、制作与施工方便。
2、本发明的技术方案
植杆式体结点铝合金三角形与矩形空间桁架，包括该空间桁架所有的结点体及汇交于各结点体并与结点体联结的空间桁架的所有铝合金杆件，其特征在于：结点体上的三个方向分别开有一道槽，总共开了三道槽，三个方向汇交于该结点体的杆件分别植入相应方向的槽内，杆件与结点体通过螺栓或铆栓紧固连接。
所述的三角形与矩形空间桁架结构是根据“不共面三根链杆固定空间一个新点”的原则，依次组成的几何不变的静定空间桁架结构或者有多余联系的超静定空间桁架结构，桁架的几何图形横断面是三角形或矩形。
以上所述的结点体的三个方向分别开有一道槽，总共三道槽，三个方向汇交于该结点体的杆件分别植入相应方向的槽内，而与结点体某一个方向槽同一个平面的杆件不论其方向角度如何都能够方便地植入相应的槽内，并加以固定。杆件与结点体固定后，槽内空隙可用填充料填满。结点体上的每道槽的深度、宽度及槽壁厚度均与桁架杆件设计时同时分析计算决定。
以上所述的结点体是铝合金、不锈钢或其它钢材、铁合金或强度足够的非金属材料做成。对铝合金桁架应优先选用铝合金材料的结点体。
以上所述桁架杆件与结点体通过螺栓或铆栓紧固连接，螺栓或铆栓是铝合金或不锈钢制造的。每根杆件用若干根螺栓或铆栓与体结点紧固。
以上所述的植杆式体结点铝合金三角形与矩形空间桁架结构直接由基础支承，或者用柱子或梁等其它构件支承，支承构件是钢结构、钢筋混凝土结构、铝合金结构或其他混合结构。
3、本发明与现有技术相比，其突出的实质性特点和显著进步
(1)、本发明的铝合金三角形与矩形空间桁架由结点体与桁架杆件构成，采用植杆式结构。即：结点体上的三个方向分别开有一道槽，总共开三道槽，三个方向汇交于该结点体的杆件分别植入相应方向的槽内，并用螺栓或铆栓连接紧固。这种植杆式体结点的桁架结点避免了铝合金焊接技术要求高，难度大，焊接铝合金存在热影响区材料强度降低及不便于工厂化生产与现场施工困难的缺陷。植杆式体结点解决了铝合金三角形与矩形空间桁架结点处理的难题，同时又使铝合金桁架结构设计程序化，杆件与结点标准化，制作工厂化，施工拼装化。更好的提高了工程质量。
(2)、铝合金材料质轻(是钢材的三分之一)，高强(六系列铝材的物理力学性能已接近建筑用钢的Q235)，防腐力高(是钢材的4～6倍)，成型性好(是其他金属不可比)，是可以再生的环保建筑金属，用铝合金材料建筑土木工程，可以减轻建筑物荷载，提高抗震能力和耐腐能力，几乎终身不用维护，成为长命百岁工程，其综合经济效益十分明显。
(3)、桁架结构受力清晰，结构合理，节省材料，跨度可大可小，广泛应用于体育场馆、工业厂房、桥梁工程等建筑工程领域。研究分析证明，桁架结构包括空间桁架结构是铝合金材料应用于建筑工程的一种理想的载体结构体系。植杆式三角形与矩形空间桁架体结点，避免了焊接铝合金的缺陷，是铝合金三角形与矩形空间桁架结构的一个创新与突破，必将使铝合金结构的使用与推广成为可能。
(4)、植杆式体结点铝合金三角形与矩形空间桁架结构，其所有杆件及体结点都是充分利用了铝合金成型性好，加工方便的特性，挤压或冲压制作的，杆件、体结点都可以规范化、标准化，可以实现工厂大批量生产，然后现场拼装。制作与施工都十分方便，质量也有保证。
(5)、植杆式体结点铝合金三角形与矩形空间桁架，方便计算机程序进行内力分析与结构设计，直到CAD出加工图及安装图。
四、附图说明
图1是植杆式体结点铝合金三角形空间桁架结构实例。
图2是植杆式体结点铝合金矩形空间桁架结构实例。
图3是空间桁架结点A的结点体的X方向节点大样图。
图4是空间桁架结点A的结点体的Z方向节点大样图。
图5是空间桁架结点A的结点体的Y方向节点大样图。
图中部件的名称编码如下：1、结点体；2、结点体上U方向槽，桁架上X方向杆件；3、结点体上V方向槽，桁架上Y方向杆件；4、结点体上W方向槽，桁架上Z方向杆件；5、紧固螺栓或铆栓；6、桁架杆件。
以下结合附图对本发明进一步讲述。
图1与图2是根据“不共面的三根链杆固定空间一个新结点”的规则组成的植杆式体结点铝合金三角形与矩形空间桁架结构。其全部结点体及所有杆件均是铝合金材料制成的。其跨度可大可小，常用于大跨度厂房、展览馆、体育馆和桥梁工程上。
从图3中看到结点体(1)的X(2)、Y(3)、Z(4)三个方向分别开有U(2)、V(3)、W(4)三道槽，供汇交于该结点体的桁架杆件(6)植入并用螺栓或铆栓(5)紧固。其中与X(2)方向杆件(6)与U(2)槽同平面植入U(2)槽；Y(3)方向杆件(6)与V(3)槽同平面植入V(3)槽；Z(4)方向的杆件(6)与W(4)槽同平面植入W(4)槽。V(3)槽与W(4)槽之间夹角大小也即是Y(3)方向杆件(6)与Z(4)方向杆件的夹角大小，由设计者根据工程实际进行设计确定。当Y(3)方向杆件与Z(4)方向杆件夹角为直角时，该结点就是图2矩形空间桁架的结点A，此时结点体上的V(3)槽与W(4)槽夹角也是直角。桁架杆件断面大小及长度尺寸，结点体厚度，各道槽深度、宽度及槽壁厚度，均由专业设计人员进行桁架内力分析及结构设计时确定。杆件(6)与结点体(1)用螺栓或铆栓(5)紧固。螺栓或铆栓直径大小，及所需个数均由设计计算确定。
单从铝合金桁架的造价来说虽然比桁架稍高，然而其相应质量仅为钢桁架的30％左右。大大减轻了建筑物的自重，对支承桁架的柱子及基础，节约材料，降低整体工程造价十分有利，同时进一步提高了结构的抗震性。
铝合金材料防腐性、耐久性是钢材等其它金属无法比拟的。有关部门做过检测，铝材每年因腐蚀而损失的厚度为0.5微米，经过100年的大气腐蚀后损失50微米，即0.05mm，是微不足道的。铝合金材料几乎终身不用维护，不用再投入维护费用，是长命百岁工程。综合经济效益是十分明显的。
铝合金结构工程美观靓丽，大大提高了建筑物的品位，改善了人们居住与工作环境。
铝合金桁架的结点构造是解决铝合金桁架设计、制作、施工及推广应用的关键技术，本发明的目的就是要根据铝合金的材料质轻高强、外型美观、不易腐蚀及成型性好等特点及三角形与矩形空间桁架结构的结点构造与受力特点，创造一种充分发挥这两个特点的铝合金三角形与矩形空间桁架植杆式结点体，得到受力合理，结构可靠，便于设计、制作与施工的植杆式体结点铝合金三角形与矩形桁架体系，为土木工程领域推广应用铝合金结构创造条件。

Claims (6)

1.植杆式体结点铝合金三角形与矩形空间桁架，包括该空间桁架所有的结点体及汇交于各结点体并与结点体联结的空间桁架的所有铝合金杆件，其特征在于：结点体上的三个方向分别开有一道槽，总共开三道槽，三个方向汇交于该结点体的杆件分别植入相应方向的槽内，杆件与结点体通过螺栓或铆栓紧固连接。
2.根据权利要求(1)所述的植杆式体结点铝合金三角形与矩形空间桁架结构，共特征在于：所述的三角形与矩形空间桁架结构是根据“不共面三根链杆固定空间一个新结点”的原则，依次组成几何不变的静定空间桁架结构，或者有多余联系的超静定空间桁架结构，桁架的几何图形横断面是三角形或矩形，三角形的三个内角由设计者根据实际工程进行设计确定。
3.根据权利要求(1)所述的植杆式体结点铝合金三角形与矩形空间桁架结构，其特征在于：所述结点体上的三个方向分别开有一道槽，总共开三道槽，三个方向汇交于该结点体的杆件分别植入相应方向的槽内，而与结点体某一个方向槽同一个平面内的杆件不论其方向角度如何都能够方便地植入相应的槽内并加以固定。杆件与结点体固定后，槽内空隙可用填充料填满。结点体上每道槽的深度、宽度及槽壁厚度均与桁架杆件设计时同时分析计算决定。
4.根据权利要求(1)所述的植杆式体结点铝合金三角形与矩形空间桁架结构，共特征在于：所述结点体是铝合金、不锈钢或其他钢材、铜合金或强度足够的非金属材料制成。对于铝合金桁架应优先选用铝合金材料的结点体。
5.根据权利要求(1)所述的植杆式体结点铝合金三角形与矩形空间桁架结构，其特征在于：所述杆件与结点体通过螺栓或铆栓紧固连接，螺栓或铆栓是铝合金或不锈钢制造的。每根杆件用若干根螺栓或铆栓与结点体紧固。
6.根据权利要求(1)所述的植杆式体结点铝合金三角形与矩形空间桁架结构，共特征在于：所述的植杆式体结点铝合金三角形与矩形空间桁架结构直接由基础支承，或者用柱子或梁等其他构件支承，支承构件是钢结构、钢筋混凝土结构、铝合金结构或其他混合结构。
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