CN102535642B - 空间自由曲面网壳钢结构的装配式节点及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适合现场拼装的空间自由曲面网壳钢结构的装配式节点及其装配方法，其包括核心柱，固定于核心柱外周的耳板，通过螺栓装配于耳板上的转接头，以及与转接头固定连接的杆件。同时，核心柱与转接头之间还通过套接在核心柱两端部的上、下盖板进行连接，上下盖板在核心柱上的固定通过上下压板和中心螺杆实现。本发明中转接头由一对对称设置的Z形腹板和垂直于Z形腹板平面的上下翼缘板组成；转接头各组件以及转接头与杆件之间的固定可采用焊接方式，焊接工作可前期由工厂完成；在施工现场只需通过螺栓对节点的各部分组件进行装配固定，装配方法简单，也降低了施工现场劳动强度，提高了生产效率。

Description

空间自由曲面网壳钢结构的装配式节点及其装配方法

技术领域

本发明涉及建筑业空间结构设计技术领域，具体为一种适用于空间自由曲面网壳钢结构的装配式节点及其装配方法。

技术背景

随着建筑设计理论和结构设计水平的不断提高，空间自由曲面的网格结构以其灵活多变的表现力被越来越广泛的应用在了标志性钢结构建筑的设计中。遵循结构设计中“强节点，弱构件”的原则，空间网格结构的节点设计是结构设计安全可靠的重要保证。只有通过可靠的连接节点，才能实现结构工程师的设计意图，获得足够安全的结构。焊接和螺栓连接是钢结构连接的主要方式，空间钢结构的节点也以此作为出发点，衍生出了不同种类的节点连接形式。其中，装配式节点不但通过工厂化生产实现了钢结构节点制作质量的稳定，也在保证施工质量的前提下缩短了建设时间。

现阶段用于空间自由曲面网壳结构的节点中，以高度精细加工为特点的节点装配体系，实现了精确施工和现场快速安装的统一。但是大量的精细机械化加工带来的成本提升，限制了这类节点的广泛应用。开发出一种既适合规模化生产，对机械加工设备又没有过高要求的装配式节点体系的价值尤为凸显。

发明内容

本发明的目的是提出一种空间自由曲面网壳钢结构的装配式节点，其能够通过普通机械加工实现，且装配过程简便，成本较低。同时本发明还提供这种装配式节点的装配方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种空间自由曲面网壳结构的装配式节点，其包括：

核心柱，其外周设有耳板，耳板数量为1个以上，分散固定于核心柱的外周上；各耳板平面皆平行于核心柱轴向，且耳板所在平面通过核心柱的轴向中心线；

转接头，包括一对Z形腹板，和垂直于Z形腹板并分别固定于一对Z形腹板上下两端的上翼缘板和下翼缘板；一对Z形腹板对称设置，与上、下翼缘板形成一端截面为H形，另一端截面为箱形的形状；转接头数量与核心柱外周的耳板数量相同；每个转接头截面为H形的一端可拆卸连接一个耳板；

杆件，每个杆件的一端固定连接一个转接头截面为箱形的一端；

上盖板和下盖板，分别套接于核心柱轴向的两端部，上盖板和下盖板中部皆设有与核心柱外径相适应的套孔；上盖板的上端面、下盖板的下端面分别与核心柱上、下端面齐平；上、下盖板固定连接每个转接头的上、下翼缘板；

上压板和下压板，分别位于核心柱的轴向两端；且上、下压板的直径大于核心柱的外径

中心螺栓，中心螺栓的螺杆贯穿上下压板、上下盖板以及核心柱后与螺帽之间相互固定。

进一步的，本发明中核心柱可选用中空的圆筒，耳板焊接在中心柱外周上。上、下盖板中部的孔优选为正好套在核心柱上，然后选择直径大于核心柱的外径的上、下压板，在中心螺栓固定后，上、下压板配合以固定的耳板即可将上、下盖板可靠固定。

为方便转接头与杆件的连接，本发明中转接头截面为箱形的端部固定有端板，杆件一端焊接于端板上。具体的，转接头的一对腹板、上下翼缘板与端板之间通过焊接相互固定。端板的设置既不会影响转接头的箱型结构，方便转接头与上、下盖板之间的固定连接，又增加了转接头的结构稳定性；同时增加了转接头与杆件之间的接触面积，保证了杆件与转接头之间固定的可靠性。进一步的，本发明中杆件可为方管或圆管，杆件与转接头端板之间的焊接工作可全部由工厂完成。

优选的，本发明中上盖板、下盖板与每个转接头的上翼缘板、下翼缘板之间通过螺栓固定连接。具体的，根据耳板以及转接头的数量，上盖板和下盖板上分别按圆周排列设置相同数量，且位置一一对应的固定孔，同时转接头的上翼缘板与下翼缘板上也设有位置相互对应的固定孔；在装配时，每个转接头上、下翼缘板上的固定孔，与上盖板、下盖板上的一组对应的固定孔的轴线相互重合，然后通过螺栓贯穿固定。优选的，贯穿上、下盖板与上、下翼缘板的螺栓为现有的标准件高强螺栓，高强螺栓从Z形腹板与上、下翼缘板组成的箱型空间中穿过。

优选的，本发明中耳板与转接头截面为H形一端端部的Z形腹板之间通过螺栓可拆卸连接。具体的，转接头的Z形腹板平面垂直于上下翼缘板平面，Z形腹板靠近核心柱的一侧设有固定孔；耳板上设有与Z形腹板上的固定孔相对应的固定孔；连接耳板与Z形腹板的螺栓为高强螺栓。耳板以及Z形腹板上用于螺栓连接的螺栓孔数量可适当增加，如设置固定孔的数量为2个，以保证固定可靠。进一步的，由于工艺制造过程中杆件下料很容易有误差，所以可设置耳板上用于螺栓连接转接头Z形腹板的螺栓孔为腰型孔，优选腰型孔的厚度方向平行于核心柱的轴向，从而在杆件变形的情况下留有调整的余地。

本发明中耳板、转接头的数量根据自由曲面网格节点杆件数量确定，确定数量的耳板分别连接对应转接头，按杆件空间角度分布于核心柱的外周；转接头的上、下翼缘板靠近核心柱的一端为梯形，以保证不同转接头之间不相冲突；上盖板与下盖板上分别按圆周排列设有固定孔；上盖板与下盖板上的固定孔位置相互对应，并与各转接头之间的角度相适应；每个转接头上的上下翼缘板上各设有与上下盖板相对应的固定孔。

本发明的空间自由曲面网壳结构的装配式节点在装配时，只需使核心柱的轴线重合于节点所在曲面的法线；相邻耳板之间的夹角与相邻杆件在节点切平面上的投影之间的夹角相同；杆件和转接头之间的夹角与杆件和切平面之间的夹角互余。杆件的长度和端头切角根据空间结构角度放样确定，预制时焊接在转接头端板上。

本发明为自由曲面网壳结构的实现提供了一种新的形式，其有益效果为：

a.本发明中的结构大部分可使用普通钢板，原材料简单易获得，同时也降低了机械加工的难度；

b.本发明通过使用螺栓进行节点的装配固定，同时利用高强度螺栓的抗剪性能保证连接的可靠，与抗拉螺栓相比，受现场装配影响小，可靠性更高；

c.本发明结构中的焊接作业可全部由工厂完成，提高质量保证。现场作业全部为装配施工，最大程度的减少了施工过程对环境的影响，降低了现场工人的劳动强度和难度，缩短了施工周期。

附图说明

图1是本发明装配完成的结构示意图；

图2是本发明转接头组成示意图；

图3是本发明装配方法示意图；

图4是本发明节点空间水平角α示意图；

图5是本发明节点空间垂直角β示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式做进一步描述。

结合图1和图3，本发明包括核心柱1，耳板2，转接头3，上、下盖板4，上、下压板5，中心螺栓7，杆件8。其中核心柱1为中空圆筒，耳板2通过焊接分散固定于核心柱1的外周上，焊接工序在工厂完成；各耳板2平面皆平行于核心柱轴向，且耳板2所在平面通过核心柱1的轴向中心线；耳板2上设有两个腰形的螺栓孔，用于与转接头3进行装配固定；腰型孔的厚度方向平行于核心柱轴向，用于杆件变形情况时的装配调整。上、下盖板4分别装配于核心柱1轴向的两端，每个盖板的中部设有一个直径与核心柱1外径相适应的套孔，使得上下盖板4能够分别套接在核心柱1轴向的两个端部；上盖板的上端面、下盖板的下端面分别与核心柱1的上、下端面齐平。上下盖板4的本体上分别按圆周排列设有转接头固定孔，每个转接头固定孔之间设有曲度调整间隙，即盖板上设置有固定孔的部分可根据节点所在曲面的曲度进行弯曲角度调整。上、下压板5的中心皆设有一个螺杆固定孔。在装配时，中心螺栓7的螺杆依次贯穿下压板、下盖板、核心柱1、上盖板、上压板的中部，然后通过螺帽固定。

结合图2，转接头3包括一对Z形腹板10，垂直于Z形腹板并分别位于一对Z形腹板上方和下方的上、下翼缘板9，和端板11。一对形腹板10对称设置呈人字形，即一条臂相互贴合，其余两条臂相互远离；一对Z形腹板与上、上下翼缘板之间焊接固定，形成一端为H形截面，另一端为箱型，即矩形截面的形状；一对Z形腹板相互贴合的一条臂上设有2个与耳板上固定孔相对应的固定孔，在装配时通过高强螺栓12进行固定；翼缘板靠近核心柱的一端为梯形；端板11焊接固定于转接头为箱型截面的一端上；杆件8为方管，其一个端部焊接在端板上。转接头3各组件之间的焊接，以及转接头3与杆件8之间的焊接在工厂完成。

如图3所示，在转接头3与耳板2相互固定后，再通过高强螺栓6穿过上、下盖板4上的转接头固定孔，以及转接头3的上、下翼缘板9上的固定孔，将转接头3与上下盖板4之间固定住；然后将上下压板置于核心柱的轴向两端，最后利用中心螺栓7进行固定。

结合图4和图5，本发明在应用时，核心柱1的轴线重合于节点所在曲面的法线01；盖板4中部平面、压板5表面与节点所在曲面的切平面02相互平行；相邻耳板2之间的夹角根据相邻杆件8在节点切平面投影上的夹角，即如图4所示的水平角α来确定。杆件8与切平面的夹角根据节点所连接杆件8与节点切平面02的夹角，即如图5所示垂直角β来确定。

本发明中节点装配过程如下：

1.核心柱1定位后，将耳板2插入转接头3为H型截面一端的Z形腹板的一侧，固定孔对位后，利用高强螺栓12拧紧固定；

2.将上、下盖板4中心套孔套入核心柱1的两端部后，调整位置使其上呈圆周排列的固定孔与装配后的转接头箱形截面端翼缘板上螺栓孔一一对齐，然后利用高强螺栓6拧紧；

3.用中心螺栓7将上下压板5和上述步骤1、2拼装完成的节点连接并拧紧。

本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (9)

1.一种空间自由曲面网壳钢结构的装配式节点，其特征是，包括： 

核心柱，其外周设有耳板，耳板数量为1个以上，分散固定于核心柱的外周上；各耳板平面皆平行于核心柱轴向，且耳板所在平面通过核心柱的轴向中心线； 

转接头，包括一对Z形腹板，和垂直于Z形腹板并分别固定于一对Z形腹板上下两端的上翼缘板和下翼缘板；一对Z形腹板对称设置，与上、下翼缘板形成一端截面为H形，另一端截面为箱形的形状；转接头数量与核心柱外周的耳板数量相同；每个转接头截面为H形的一端可拆卸连接一个耳板；转接头的上、下翼缘板靠近核心柱的一端为梯形； 

杆件，每个杆件的一端固定连接一个转接头截面为箱形的一端； 

上盖板和下盖板，分别套接于核心柱轴向的两端部，中部设有与核心柱外径相适应的套孔；上盖板的上端面、下盖板的下端面分别与核心柱上、下端面齐平；上、下盖板固定连接每个转接头的上、下翼缘板； 

上压板和下压板，分别位于核心柱的轴向两端；且上、下压板的直径大于核心柱的外径中心螺栓，中心螺栓的螺杆贯穿上下压板、上下盖板以及核心柱后与螺帽之间相互固定。 

2.根据权利要求1所述的空间自由曲面网壳钢结构的装配式节点，其特征是，转接头截面为箱形的端部设有端板，杆件一端焊接于端板上。 

3.根据权利要求1所述的空间自由曲面网壳钢结构的装配式节点，其特征是，上盖板、下盖板与每个转接头的上翼缘板、下翼缘板之间通过螺栓固定连接。 

4.根据权利要求1所述的空间自由曲面网壳钢结构的装配式节点，其特征是，耳板与转接头截面为H形一端端部的Z形腹板之间通过螺栓可拆卸连接。 

5.根据权利要求1或2所述的空间自由曲面网壳钢结构的装配式节点，其特征是，所述杆件为方管或圆管。 

6.根据权利要求3所述的空间自由曲面网壳钢结构的装配式节点，其特征是，贯穿上、下盖板与上、下翼缘板的螺栓为高强螺栓。 

7.根据权利要求4所述的空间自由曲面网壳钢结构的装配式节点，其特征是，连接耳板与转接头Z形腹板的螺栓为高强螺栓。 

8.根据权利要求4所述的空间自由曲面网壳钢结构的装配式节点，其特征是，耳板上用于螺栓连接转接头Z形腹板的螺栓孔为腰型孔。 

9.基于权利要求1至8任一项所述的空间自由曲面网壳钢结构的装配式节点的装配方法，其特征在于，核心柱的轴线重合于节点所在曲面的法线。 

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