CN104499577B - 一种可变角度的空间自由曲面木网壳装配式节点 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可变角度的空间自由曲面木网壳装配式节点，包括核心柱、耳板、连接板、钢套管和杆件；所述核心柱为中空多边形筒或中空圆筒；核心柱的外周均匀固定有耳板，耳板数量至少为4个，核心柱的纵轴线位于各耳板所在平面上；所述杆件固定在钢套管内，钢套管的端面上安装有两块连接板；所述耳板挑出的末端插入两块连接板挑出的末端之间，并通过高强螺栓连接，耳板挑出的末端与两块连接板挑出的末端为相同的半圆弧。本发明用于大跨木结构网壳节点的连接，适应绿色节能环保的理念，极具环保意义、具有很好的社会效益和经济意义。
Description
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木结构的装配式节点。
背景技术
国外的木结构屋面结构体系工程应用较成熟，有完备的技术和企业，而且以美国、加拿大为首的一些国家迫切希望他们的林产品进入我国市场，由他们提供技术支持，已经在国内兴建了各类木结构公共与民用建筑。国内的木结构构件生产具有一定的能力，但是在木结构公共建筑设计方面缺乏设计经验，此领域长期被欧美等木结构发达国家所占据。因此在木结构大跨度空间结构设计领域实施相关研究迫在眉睫。而本专利提出的节点形式是解决该体系在实际应用中的关键技术问题，推进木结构在大跨建筑中的应用，并保障其在使用过程中的安全性和稳定性。
木材是一种天然的、环境友好型的材料，被认为是“绿色建筑”的首选建材。木材在生成、生产、使用、废弃的过程中都对环境有益无害。将木材应用于建筑可以有效降低建筑综合能耗及建筑对环境的负面影响，有利于我国建设环境友好型社会。
木材在大跨度绿色建筑屋面体系中的应用，具有显著的优点和良好的产业化前景：第一，可以解决国产低质速生材的高附加值利用问题，将其通过改性、增强等处理措施应用在大跨公共建筑工程领域；第二，可以促进木材加工业向深加工、精加工方向发展，从而带动速生材原材料供应、原材料初加工、构件的加工制造、木结构施工安装等一系列产业；第三，木质材料具有很强的环境友好性，在公共建筑中广泛使用木质材料，符合我国的节能减排政策，促进我国建筑行业健康可持续发展。
现阶段用于空间自由曲面网壳结构的节点中，装配式节点的应用较少，尤其是木结构曲面网壳。装配式节点有利于我国建筑工业化的发展，提高生产效率节约能源，发展绿色环保建筑，并且有利于提高和保证建筑工程质量。因此开发出一种既适合规模化生产，对机械加工设备有没有过高要求的装配式节点体系的价值尤为显著。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种空间自由曲面网壳木结构的装配式节点，其能够通过普通机械事先加工，且装配过程简便，成本较低。
本发明采用的技术方案为：一种可变角度的空间自由曲面木网壳装配式节点，包括核心柱、耳板、连接板、钢套管和杆件；
所述核心柱为中空多边形筒或中空圆筒；
核心柱的外周均匀固定有耳板，耳板数量至少为4个，核心柱的纵轴线位于各耳板所在平面上；
所述杆件固定在钢套管内，钢套管的端面上安装有两块连接板；
所述耳板挑出的末端插入两块连接板挑出的末端之间，并通过高强螺栓连接，耳板挑出的末端与两块连接板挑出的末端为相同的半圆弧；
所述耳板上设置有12个螺栓孔，12个螺栓孔均匀分布在同一圆周上，形成6对对称的螺栓孔，其中一对螺栓孔的连线平行于耳板的长边，还有一对螺栓孔的连线平行于耳板的短边；所述连接板上设置有4个螺栓孔，4个螺栓孔均匀分布在同一圆周上，该圆周半径与耳板上螺栓孔所围圆周半径相同，形成2对对称的螺栓孔，其中一对螺栓孔的连线平行于钢套管的轴线，还有一对的螺栓孔的连线垂直于钢套管的轴线。
作为优选，所述核心柱为中空多边形筒，核心柱的上端面和下端面分别安装有钢盖板，所述耳板采用T形板通过螺栓固定在核心柱的各个侧面上或直接焊接在其各个侧面上。
作为优选，所述T形板上下两端分别设有挑檐，所述钢盖板通过高强螺栓与挑檐固定连接。
作为优选，所述核心柱为中空圆筒，所述耳板直接焊接在核心柱的外周上。
本发明为了满足连接杆件空间角度的需要，在耳板上以一固定半径设有3组螺栓孔，每组4个且相对于圆对称均匀分布，每组螺栓孔中2对对称螺栓的连线正交，共12个螺栓孔。其中一组中有2个螺栓孔的连线平行于耳板的长边，2个孔的连线平行于耳板的短边。其余两组螺栓孔则根据实现计算好的空间所需角度β或者γ在圆周上设置螺栓孔，并以该角度为起点对称均匀分布在圆周上。连接板上在与耳板内螺栓所围圆相同的半径上对称均匀开设4个螺栓孔，2对对称螺栓孔的连线正交，且其中2个螺栓孔的连线平行于钢套管的轴线，另外2个的连线则垂直于钢套管的轴线。
转接头上以钢套管轴线为中心线，在其两侧(沿横截面的宽度方向)等距焊接2块连接板，两板的间距等于耳板的厚度。连接时，将耳板插入2块连接板中间，并根据空间角度的需要转动连接板，使其上的孔与耳板上的某一组孔对齐，再用高强螺栓将它们连接。耳板挑出的末端与连接板挑出的末端为同一圆所对应的半圆弧。
为了方便转接头与杆件的连接，连接板焊接在钢套管的底面，将木构件套入钢套管中，连接板与钢套管之间的焊接可全部由工厂完成。
当核心柱采用中空多边形筒时，为了更好地保证其刚度，在节点拼装完后将钢盖板安装在核心柱的上下两端，钢盖板的尺寸与核心柱的端面与T形板挑檐所组成截面的尺寸吻合，在将钢盖板上的螺栓孔与挑檐螺栓孔对其后用螺栓将它们连接。
本发明中耳板与转接头的数量根据节点所需连接杆件数量确定，耳板与对应的转接头连接，并按杆件空间角度分布于核心柱的外周。
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角度相同；连接板相对于耳板转动的角度和杆件与切平面之间的夹角相同。
本发明的有益效果：
1)本发明中结构简单且能同时适合3种角度，且施工时无需进行空间角度的放样确定，只需是转接头上的连接板转动至所需角度并连上杆件，便可实现空间杆件的连接。大大节省了现场施工操作的时间，降低了现场工人的劳动强度与难度同时提高了施工的质量。
2)本发明采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，且焊接作业都在工厂完成，提高了质量的保证，现场作业全部为装配施工，大大减少了施工对环境的影响。
3)由于木材密度小，杆件拼接由单个工人即可完成，有效降低了工人的劳动强度和工作面上的人员密度，利于提高施工质量和加快施工速度。
4)我国木材资源丰富，选材便利，木材属于绿色环保可再生资源，符合国家节能减排的政策。
附图说明
图1为本发明装配完成的结构示意图；
图2为本发明核心柱采用中空多边形筒组成示意图；
图3为本发明核心柱采用中空圆筒组成示意图；
图4为本发明结构分解示意图；
图5为本发明钢盖板的平面示意图；
图6本发明节点空间水平角α示意图；
图7本发明节点空间可调节垂直角度β和γ示意图一；
图8本发明节点空间可调节垂直角度β和γ示意图二。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1-8所示，本发明包括核心柱1，T形板2，耳板3，连接板6，钢套管7，钢盖板10。其中，当核心柱1为中空多边形筒时，耳板3采用T形板2，通过高强螺栓一5固定于核心柱1的各个侧面上，此过程可在工厂完成；当核心柱截面为圆形时，采用耳板3，通过焊接分散固定于核心柱1的外周上，焊接工序可在工厂完成。各耳板3的平面平行于核心柱1轴向，且耳板3所在平面通过核心柱1的轴向中心线；耳板3上设有3组螺栓孔，每组4个且相对于圆对称均匀分布，每组螺栓孔中2对对称螺栓的连线正交，共12个螺栓孔且共圆。其中一组中有2个螺栓孔的连线平行于耳板的长边，2个孔的连线平行于耳板的短边，其余两组螺栓孔则根据事先计算好的空间角度在同一圆周上设置螺栓孔，并以该角度为起点对称均匀布置在圆周上；在连接板6上以与耳板3内螺栓所对应大小的圆周上均匀开设4个螺栓孔，2对对称螺栓孔的连线正交，且其中2个螺栓孔的连线平行于钢套管7的轴线，另外2个的连线则垂直于钢套管7的轴线。
耳板3挑出的末端与连接板6挑出的末端为同一圆所对应的半圆弧。连接时，将耳板3插入两块连接板6的中间，并根据空间角度的需要转动连接板，使其上的孔与耳板上的某一组孔对齐，再用高强螺栓二8将它们连接。当核心柱1为中空多边形筒时，其带耳板的T形板2上下两端设有挑檐4，在挑檐4的两端上设有2个螺栓孔，带整体安装完毕后，将两块钢盖板10分别安装在核心柱的上下侧，将钢盖板10上的螺栓孔与各挑檐上的螺栓孔对齐，并用高强螺栓三9将核心柱1与钢盖板10连接起来。
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，相邻耳板3之间的夹角α根据相邻杆件(钢套管7)在节点切平面02投影上的夹角如图7、图8确定，若夹角相同可采用正多边形的中空圆筒核心柱，若夹角不同则可采用中空圆筒核心柱。杆件与切平面的夹角即钢套管轴线03与切平面02的夹角，与连接时连接板转过的角度相同，即耳板上螺栓孔的转角。
本发明中节点装配过程如下：
核心柱1定位后，将其侧面的耳板3插入连接板6中，并根据空间角度的需要转动连接板6使其上的4孔与耳板上的某一组孔对齐，随后用高强螺栓二8连接。若核心柱1为多边形中空圆筒时，最后需将2块钢盖板10安装在核心柱1的上下两面，再将钢盖板10上的孔与各挑檐上的孔对齐，并通过高强螺栓三9将它们连接起来。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (4)
1.一种可变角度的空间自由曲面木网壳装配式节点，其特征在于：包括核心柱、耳板、连接板、钢套管和杆件；
所述核心柱为中空多边形筒或中空圆筒；
核心柱的外周均匀固定有耳板，耳板数量至少为4个，核心柱的纵轴线位于各耳板所在平面上；
所述杆件固定在钢套管内，钢套管的端面上安装有两块连接板；
所述耳板挑出的末端插入两块连接板挑出的末端之间，并通过高强螺栓连接，耳板挑出的末端与两块连接板挑出的末端为相同的半圆弧；
所述耳板上设置有12个螺栓孔，12个螺栓孔均匀分布在同一圆周上，形成6对对称的螺栓孔，其中一对螺栓孔的连线平行于耳板的长边，还有一对螺栓孔的连线平行于耳板的短边；所述连接板上设置有4个螺栓孔，4个螺栓孔均匀分布在同一圆周上，该圆周半径与耳板上螺栓孔所围圆周半径相同，形成2对对称的螺栓孔，其中一对螺栓孔的连线平行于钢套管的轴线，还有一对的螺栓孔的连线垂直于钢套管的轴线。
2. 根据权利要求1所述的一种可变角度的空间自由曲面木网壳装配式节点，其特征在于：所述核心柱为中空多边形筒，核心柱的上端面和下端面分别安装有钢盖板，所述耳板采用T形板通过螺栓固定在核心柱的各个侧面上或直接焊接在其各个侧面上。
3.根据权利要求2所述的一种可变角度的空间自由曲面木网壳装配式节点，其特征在于：所述T形板上下两端分别设有挑檐，所述钢盖板通过高强螺栓与挑檐固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种可变角度的空间自由曲面木网壳装配式节点，其特征在于：所述核心柱为中空圆筒，所述耳板直接焊接在核心柱的外周上。
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