CN106400984A - 空间结构用增强型板式控火节点结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种空间结构用增强型板式控火节点结构。六根工字型截面梁分别固定在上、下节点盘之间，在第一层母卡槽中设有卡盘Ⅰ，卡盘Ⅰ和下节点盘之间设有圆柱增强环Ⅱ或棱柱增强环Ⅱ；管道固定在一根工字型截面梁上，喷头设置在设备孔Ⅱ内与管道连接；或，在第二层母卡槽至第N层母卡槽之间的各层的母卡槽中至少设置一个卡盘Ⅱ；若卡盘Ⅱ与卡盘Ⅱ相邻，则可填置一个圆柱增强环Ⅰ或棱柱增强环Ⅰ；若卡盘Ⅱ与上节点盘相邻，则可填置一个圆柱增强环Ⅱ或棱柱增强环Ⅱ。本发明的子部件预制、连接简单，可结合受力情况精细化设计提升弯矩与剪力传递能力，非封闭的腹板域为管线穿行预留了空间，内置喷淋设施的使用拓展了铝合金网壳结构的服役建筑场所。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程与建筑防火领域，具体涉及用于空间结构中节点结构的一种空间结构用增强型板式控火节点结构。
背景技术
铝合金材料具有强重比高、易加工、耐锈蚀、外观色泽好等优点，但也有高温下材料性能退化迅速、热膨胀系数大等不足，制约了该材质的网壳结构在空间结构建筑中的更大范围使用，表面耐锈蚀、色泽好的特点也与大面积喷涂防火涂料进行防火保护不相适应，目前仅用于火灾荷载相对较小的建筑场所。
铝镁硅合金（简称铝合金）网壳结构作为空间结构的一种，目前主要的使用于民用公共建筑（体育场、会展中心、剧场）及工业建筑（石化储罐、燃煤堆场、污水处理厂）中，且呈蓬勃兴建的趋势。
板式节点作为其传递弯矩与剪力的关键部件，重要性不言而喻。目前我国工程中常用的饼状节点盘直径为250mm～550mm，工字型截面梁高度280mm～550mm。
现有技术中，铝合金网壳结构用板式节点结构由美国temcor公司最初开发，即通过多个螺栓穿过预留在饼状节点盘及多根工字型截面梁翼缘的圆孔并紧固，形成以节点盘为中心的枝杈状节点结构。由于多根工字型截面梁的上翼缘、下翼缘分别只通过上下节点盘间接连接，造成了板式节点腹板域间断，因而弯矩与剪力的传递能力较薄弱，且一直以来节点形式较为单一，过多的螺栓使用也给施工带来不便。
针对传统板式节点结构传递弯矩与剪力能力的不足，已有多项专利采取了不同的方法予以加强：
专利201310385700.2采用在上下节点盘之间增设H型铝竖向肋板，在H型铝竖向肋板两侧增设T型铝环向肋板的方法予以加强，H型铝竖向肋板与上下节点盘之间、T型铝环向肋板与H型铝竖向肋板之间均采用螺栓连接，有较为清晰的传力路径，但对于截面规格较高的节点结构需要额外为满足H型铝竖向肋板腹板的平面外稳定增设多层T型铝环向肋板，过多的螺栓使用容易引起施工的不便，造成的节点腹板域空隙减小容易影响穿行管线；
专利201420196343.5采用增设上下中心连接环的方法予以加强，中心连接环包括：水平肋板、竖向肋板和中心铝管，据悉能够提高一倍的抗弯刚度，但中心连接环需要依靠上述子部件之间焊接制备或一体挤压制备，焊接会导致铝合金材料强度大幅降低，复杂形态的铝合金部件挤压成型难以保证产品质量均匀，且仍较多的增加了螺栓的使用；
专利201510194067.8采用在上下节点盘相对表面间加设空心六棱柱并将其六个外侧面分别与加设于工字型截面梁端部的端平板面贴紧、栓接的方法予以加强，增强了弯矩与剪力的传递能力，一定程度上减少了螺栓的使用数量，改善了铝合金网壳结构的施工便捷性，但未给基于受力分析的板式节点精细化设计提供可能，同时板式节点腹板域封闭使利用工字型截面梁间空隙穿行管线失去可能，引起了建筑内其它设施设计、施工的不便；
专利201610511897.3、专利201610519759.X均通过在节点结构不同部位采用栓焊混合的方法予以加强，前者在工字型截面梁翼缘与节点盘栓接的基础上，对两者贴靠处的缝隙进行施焊，后者在工字型截面梁腹板与中心空心圆柱顶紧的基础上，对于两者的顶靠处进行施焊，两者在增加节点结构刚度的同时，也增加了施工工序的复杂程度，且焊接后的铝合金材料强度会大幅降低；专利201610511976.4、专利201610511899.2均采用对工字型截面梁的翼缘倒角端改造的方法予以加强，前者对节点域附近的工字型截面梁翼缘倒角端进行加厚处理，增加了翼缘与单个螺栓的剪切面积，后者对节点域附近的工字型截面梁翼缘倒角端进行加宽处理，增加了翼缘与节点盘之间连接螺栓的数量，两者本质上均是利用增加总受剪切面积的方法提高节点结构传递剪力的能力。上述四项专利中心均设置了接触上下节点盘相对表面的柱状结构，导致节点腹板域封闭，使利用工字型截面梁间空隙穿行管线失去可能。
总结以上现有技术可以发现：1、提出的增强板式节点传递弯矩与剪力能力的方法均不同程度的涉及螺栓使用数量的增加、焊接连接方式的使用、较复杂的挤压制备件和节点腹板域的封闭，容易引起施工不便和造价上升的问题；2、忽略了网壳结构中不同位置的节点受力的差异性，均表达了同等程度的加强的理念，未对基于受力分析的板式节点承载力精细化加强提出子部件构造；3、板式节点结构的设计、施工中同样没有为控制火灾、保护结构构件而在节点内预留位置及安装设施，缺乏结构受力、建筑防火一体化设计理念，未能拓展铝合金网壳结构的服役建筑场所。
发明内容
鉴于现有技术的状况及存在的不足，本发明提供了一种空间结构用增强型板式控火节点结构。
本发明克服了现有技术中：主要依赖螺栓连接、焊接连接，增强铝合金网壳结构用板式节点结构弯矩与剪力传递能力与穿行管线不能兼顾的不足，缺乏建筑结构设计与控制建筑火灾、保护结构构件一体化设计理念的现状，未给基于板式节点结构受力状况的精细化加强设计，进而实现降低工程造价、更加优化施工提供可能。
本发明能够对按照建筑设计要求对确定了规格的铝合金板式节点结构（节点盘、工字型截面梁规格确定），根据要求设计弯矩与剪力传递能力的不同程度增强，也为穿行管线及其它设施预留了腹板域空间，同时实现了在节点结构中为控制火灾、保护结构构件预留设备位置及安装喷头。
一组卡盘Ⅰ与圆柱增强环Ⅱ或棱柱增强环Ⅱ的联合使用，可使节点结构不因下节点盘设置设备孔而引起弯矩与剪力传递能力的降低；一组卡盘Ⅱ与圆柱增强环Ⅰ或棱柱增强环Ⅰ的联合使用，可使节点结构传递弯矩与剪力的能力提高30%左右。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方案是：一种空间结构用增强型板式控火节点结构，包括上节点盘、下节点盘、工字型截面梁、螺栓、喷头、管道、固定卡，其特征在于：还包括卡盘Ⅰ、卡盘Ⅱ、圆柱增强环Ⅰ、圆柱增强环Ⅱ、棱柱增强环Ⅰ、棱柱增强环Ⅱ；
所述卡盘Ⅰ为圆形板状，沿卡盘圆周等距设有六条公卡槽Ⅰ，在卡盘中心处设有设备孔Ⅰ；
所述卡盘Ⅱ为圆形板状，沿卡盘圆周等距设有六条公卡槽Ⅱ；
所述圆柱增强环Ⅰ外侧面等距设有六对长凸起筋Ⅰ，每对长凸起筋Ⅰ之间为凹槽Ⅰ；
所述圆柱增强环Ⅱ外侧面等距设有六对短凸起筋Ⅰ，每对短凸起筋Ⅰ下端为止口Ⅰ，每对短凸起筋Ⅰ之间为凹槽Ⅱ；
所述棱柱增强环Ⅰ外侧六个面中间分别设有一对长凸起筋Ⅱ，每对长凸起筋Ⅱ之间为凹槽Ⅲ；
所述棱柱增强环Ⅱ外侧六个面中间分别设有一对短凸起筋Ⅱ，每对短凸起筋Ⅱ下端为止口Ⅱ，每对短凸起筋Ⅱ之间为凹槽Ⅳ；
所述工字型截面梁自由端腹板边上，等距设有数条母卡槽；
所述下节点盘中心处设有设备孔Ⅱ；
六根工字型截面梁分别通过数个螺栓固定在上节点盘和下节点盘之间，六根工字型截面梁自下向上处于同一平面处的每六条母卡槽分别构成第一层母卡槽至第N层母卡槽，
在第一层母卡槽中设有卡盘Ⅰ，在卡盘Ⅰ和下节点盘之间设有圆柱增强环Ⅱ或棱柱增强环Ⅱ；
所述管道固定在一根工字型截面梁的腹板上，管道出水口设置在圆柱增强环Ⅱ或棱柱增强环Ⅱ内，
所述喷头喷水端设置在下节点盘的设备孔Ⅱ内，喷头进水端与管道出水口连接；
或，在第二层母卡槽至第N层母卡槽之间的各层的母卡槽中至少设有一个卡盘Ⅱ；
若卡盘Ⅱ与卡盘Ⅱ相邻，则可填置一个圆柱增强环Ⅰ或棱柱增强环Ⅰ；
若卡盘Ⅱ与上节点盘相邻，则可填置一个圆柱增强环Ⅱ或棱柱增强环Ⅱ。
本发明的有益效果是：
本发明的板式控火节点结构具有组成部件预制简单、连接关系简单的特点，特别是卡盘和增强环，仅需一次简单挤压成型，可保证产品质量均匀。
通过计算可以确定卡盘、加强环的使用数量，不同截面规格的工字型截面梁上的卡槽开设数量，合理精细的针对特定位置节点实现弯矩与剪力能力提高的设计目标，各组成部件之间的卡接、顶接、栓接有效的实现了弯矩与剪力传递和承载能力提升。
通过预留的上下卡盘之间的空隙、卡盘与节点盘之间的空隙可以穿行管线并合理规划穿行位置，节约建筑空间。
通过节点结构中控制火灾、保护结构构件位置的预留及相应设施的安装，实现了建筑结构设计与控制建筑火灾、结构构件保护的一体化设计，拓展了铝合金网壳结构的服役建筑场所。
通过卡盘上卡槽的设计可以快速实现施工定位。
通过工字型截面梁端面的切削和卡槽角度的加工，满足空间结构中杆件不同姿态的需求。
节点结构整体不需要焊接，螺栓使用数量减少，具备施工速度快，工程效率高、造价低的优势，且在满足防腐要求的前提下，不限制各组成部件的金属材质。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的结构分解示意图；
图4为本发明圆柱增强环Ⅰ的结构示意图；
图5为本发明圆柱增强环Ⅱ的结构示意图；
图6为本发明棱柱增强环Ⅰ的结构示意图；
图7为本发明棱柱增强环Ⅱ的结构示意图；
图8本发明实施例1的示意图；
图9本发明实施例2的示意图；
图10本发明实施例3的示意图。
具体实施方式
一种空间结构用增强型板式控火节点结构，包括上节点盘1、下节点盘2、工字型截面梁3、螺栓4、喷头11、管道12、固定卡13，还包括卡盘Ⅰ5、卡盘Ⅱ6、圆柱增强环Ⅰ7、圆柱增强环Ⅱ8、棱柱增强环Ⅰ9、棱柱增强环Ⅱ10。
上节点盘1、下节点盘2、卡盘Ⅰ5、卡盘Ⅱ6均可为圆形或多边形。
上节点盘1、下节点盘2、工字型截面梁3、卡盘Ⅰ5、卡盘Ⅱ6、圆柱增强环Ⅰ7、圆柱增强环Ⅱ8、棱柱增强环Ⅰ9、棱柱增强环Ⅱ10采用铝合金材料或不锈钢材料。
实施例1，如图8所示，将管道12通过数个固定卡13固定在一根工字型截面梁3的腹板3-2上，将卡盘Ⅰ5的六条公卡槽Ⅰ5-1对应六根工字型截面梁3腹板3-2上第一层3-41母卡槽3-4插入，六条公卡槽Ⅰ5-1分别与第一层3-41六条母卡槽3-4以十字交叉方式卡接固定，管道12的出水口穿过卡盘Ⅰ5的设备孔Ⅰ5-2与喷头11进水端连接，将一个圆柱增强环Ⅱ8或棱柱增强环Ⅱ10套装在喷头11外，六根工字型截面梁3第一层3-41母卡槽3-4以下的腹板3-2边分别插入圆柱增强环Ⅱ8的六个凹槽Ⅱ8-2中，圆柱增强环Ⅱ8平端口与卡盘Ⅰ5下表面顶紧，圆柱增强环Ⅱ8六对短凸起筋Ⅰ8-1的止口Ⅰ8-3分别与六根工字型截面梁3下翼缘3-1的内表面顶紧，或六根工字型截面梁3第一层3-41母卡槽3-4以下的腹板3-2边分别插入棱柱增强环Ⅱ10的六个凹槽Ⅳ10-2中，棱柱增强环Ⅱ10平端口与卡盘Ⅰ5下表面顶紧，棱柱增强环Ⅱ10六对短凸起筋Ⅱ10-1的止口Ⅱ10-3分别与六根工字型截面梁3下翼缘3-1的内表面顶紧。
将下节点盘2上的数个螺孔Ⅰ2-1分别与六根工字型截面梁3下翼缘3-1上的数个螺孔Ⅱ3-3对中，通过数个螺栓4将下节点盘2与六根工字型截面梁3的下翼缘3-1连接，下节点盘2的上表面与圆柱增强环Ⅱ8或棱柱增强环Ⅱ10的阙端口顶紧，喷头11的喷水端嵌在下节点盘2的设备孔Ⅱ2-2内，将上节点盘1上的数个螺孔Ⅱ1-1分别与六根工字型截面梁3上翼缘3-1上的数个螺孔Ⅱ3-3对中，通过数个螺栓4将上节点盘1与六根工字型截面梁3的上翼缘3-1连接。
还可固定管线盒14，管线盒14穿过第一层3-41母卡槽3-4与第N层3-4N环状母卡槽3-4之间的空隙，分别固定在相对应的两根工字型截面梁3的腹板3-2上。
实施例2，如图9所示，将管道12通过数个固定卡13固定在一根工字型截面梁3的腹板3-2上，将卡盘Ⅰ5的六条公卡槽Ⅰ5-1对应六根工字型截面梁3腹板3-2上第一层3-41母卡槽3-4插入，六条公卡槽Ⅰ5-1分别与六条母卡槽3-4以十字交叉方式卡接固定，管道12的出水口穿过卡盘Ⅰ5的设备孔Ⅰ5-2与喷头11进水端连接。
将卡盘Ⅱ6的六条公卡槽Ⅱ6-1对应六根工字型截面梁3腹板3-2上第4层3-44母卡槽3-4插入，六条公卡槽Ⅱ6-1分别与第4层3-44母卡槽3-4以十字交叉方式卡接固定。
将一个圆柱增强环Ⅱ8或棱柱增强环Ⅱ10套装在喷头11外，六根工字型截面梁3第一层3-41母卡槽3-4以下的腹板3-2边分别插入圆柱增强环Ⅱ8的六个凹槽Ⅱ8-2中，圆柱增强环Ⅱ8平端口与卡盘Ⅰ5下表面顶紧，圆柱增强环Ⅱ8六对短凸起筋Ⅰ8-1的止口Ⅰ8-3分别与六根工字型截面梁3下翼缘3-1的内表面顶紧，或六根工字型截面梁3第一层3-41母卡槽3-4以下的腹板3-2边分别插入棱柱增强环Ⅱ10的六个凹槽Ⅳ10-2中，棱柱增强环Ⅱ10平端口与卡盘Ⅰ5下表面顶紧，棱柱增强环Ⅱ10六对短凸起筋Ⅱ10-1的止口Ⅱ10-3分别与六根工字型截面梁3下翼缘3-1的内表面顶紧。
将另一个圆柱增强环Ⅱ8平端口与卡盘Ⅱ6上表面顶紧，六根工字型截面梁3第4层3-44母卡槽3-4以上的腹板3-2边分别插入圆柱增强环Ⅱ8的六个凹槽Ⅱ8-2中，圆柱增强环Ⅱ8六对短凸起筋Ⅰ8-1的止口Ⅰ8-3分别与六根工字型截面梁3上翼缘3-1的内表面顶紧，或将另一个棱柱增强环Ⅱ10平端口与卡盘Ⅱ6上表面顶紧，六根工字型截面梁3第4层3-44母卡槽3-4以上的腹板（3-2）边分别插入棱柱增强环Ⅱ10的六个凹槽Ⅳ10-2中，棱柱增强环Ⅱ10六对短凸起筋Ⅱ10-1的止口Ⅱ10-3分别与六根工字型截面梁3上翼缘3-1的内表面顶紧。
将下节点盘2上的数个螺孔Ⅰ2-1分别与六根工字型截面梁3下翼缘3-1上的数个螺孔Ⅱ3-3对中，通过数个螺栓4将下节点盘2与六根工字型截面梁3的下翼缘3-1连接，下节点盘2的上表面与圆柱增强环Ⅱ8或棱柱增强环Ⅱ10的阙端口顶紧，喷头11的喷水端嵌在下节点盘2的设备孔Ⅱ2-2内。
将上节点盘1上的数个螺孔Ⅱ1-1分别与六根工字型截面梁3上翼缘3-1上的数个螺孔Ⅱ3-3对中，通过数个螺栓4将上节点盘1与六根工字型截面梁3的上翼缘3-1连接，上节点盘1的下表面与圆柱增强环Ⅱ8或棱柱增强环Ⅱ10的阙端口顶紧。
还可固定管线盒14，管线盒14穿过卡盘Ⅰ5和卡盘Ⅱ6之间的空隙，分别固定在相对应的两根工字型截面梁3的腹板3-2上。
实施例3，如图10所示，实施例3与实施例2的安装结构基本相同，只是在卡盘Ⅰ5与卡盘Ⅱ6之间的六根工字型截面梁3各层母卡槽3-4中卡接固定至少一个卡盘Ⅱ6，若卡盘Ⅱ6与卡盘Ⅱ6相邻，则可填置一个圆柱增强环Ⅰ7或棱柱增强环Ⅰ9。
本实施例为，在六根工字型截面梁3第二层3-42母卡槽3-4和第三层3-43母卡槽3-4各插装一个卡盘Ⅱ6，在第二层3-42母卡槽3-4和第三层3-43母卡槽3-4之间填置一个圆柱增强环Ⅰ7或棱柱增强环Ⅰ9，六根工字型截面梁3第二层3-42母卡槽3-4与第三层3-43母卡槽3-4之间的腹板3-2边分别插入圆柱增强环Ⅰ7的六个凹槽Ⅰ7-2中，圆柱增强环Ⅰ7的上下平端口分别与二个卡盘Ⅱ6的对应表面顶紧，或六根工字型截面梁3第二层3-42母卡槽3-4与第三层3-43母卡槽3-4之间的腹板3-2边分别插入棱柱增强环Ⅰ9的六个凹槽Ⅲ9-2中，棱柱增强环Ⅰ9的上下平端口分别与二个卡盘Ⅱ6的对应表面顶紧。
还可固定管线盒14，管线盒14穿过卡盘Ⅰ5和卡盘Ⅱ6之间的空隙，分别固定在相对应的两根工字型截面梁3的腹板3-2上。
管线盒14还可在节点域的空隙内转弯，即使用可弯曲的管线盒12，固定在任意两根工字型截面梁3的腹板3-2上。
管线盒12内可以敷设线路（如：电线、通讯线、设备控制线）和液体管线（如：浇灌植物用水管、雨水收集管），等。
Claims (3)
1.一种空间结构用增强型板式控火节点结构，包括上节点盘（1）、下节点盘（2）、工字型截面梁（3）、螺栓（4）、喷头（11）、管道（12）、固定卡（13），其特征在于：还包括卡盘Ⅰ（5）、卡盘Ⅱ（6）、圆柱增强环Ⅰ（7）、圆柱增强环Ⅱ（8）、棱柱增强环Ⅰ（9）、棱柱增强环Ⅱ（10）；
所述卡盘Ⅰ（5）为圆形板状，沿卡盘圆周等距设有六条公卡槽Ⅰ（5-1），在卡盘中心处设有设备孔Ⅰ（5-2）；
所述卡盘Ⅱ（6）为圆形板状，沿卡盘圆周等距设有六条公卡槽Ⅱ（6-1）；
所述圆柱增强环Ⅰ（7）外侧面等距设有六对长凸起筋Ⅰ（7-1），每对长凸起筋Ⅰ（7-1）之间为凹槽Ⅰ（7-2）；
所述圆柱增强环Ⅱ（8）外侧面等距设有六对短凸起筋Ⅰ（8-1），每对短凸起筋Ⅰ（8-1）下端为止口Ⅰ（8-3），每对短凸起筋Ⅰ（8-1）之间为凹槽Ⅱ（8-2）；
所述棱柱增强环Ⅰ（9）外侧六个面中间分别设有一对长凸起筋Ⅱ（9-1），每对长凸起筋Ⅱ（9-1）之间为凹槽Ⅲ（9-2）；
所述棱柱增强环Ⅱ（10）外侧六个面中间分别设有一对短凸起筋Ⅱ（10-1），每对短凸起筋Ⅱ（10-1）下端为止口Ⅱ（10-3），每对短凸起筋Ⅱ（10-1）之间为凹槽Ⅳ（10-2）；
所述工字型截面梁（3）自由端腹板（3-2）边上，等距设有数条母卡槽（3-4）；
所述下节点盘（2）中心处设有设备孔Ⅱ（2-2）；
六根工字型截面梁（3）分别通过数个螺栓（4）固定在上节点盘（1）和下节点盘（2）之间，六根工字型截面梁（3）自下向上处于同一平面处的每六条母卡槽（3-4）分别构成第一层（3-41）母卡槽（3-4）至第N层（3-4N）母卡槽（3-4），
在第一层（3-41）母卡槽（3-4）中设有卡盘Ⅰ（5），在卡盘Ⅰ（5）和下节点盘（2）之间设有圆柱增强环Ⅱ（8）或棱柱增强环Ⅱ（10）；
所述管道（12）固定在一根工字型截面梁（3）的腹板（3-2）上，管道（12）出水口设置在圆柱增强环Ⅱ（8）或棱柱增强环Ⅱ（10）内，
所述喷头（11）喷水端设置在下节点盘（2）的设备孔Ⅱ（2-2）内，喷头（11）进水端与管道（12）出水口连接；
或，在第二层（3-42）母卡槽（3-4）至第N层（3-4N）母卡槽（3-4）之间的各层的母卡槽（3-4）中至少设有一个卡盘Ⅱ（6）；
若卡盘Ⅱ（6）与卡盘Ⅱ（6）相邻，则可填置一个圆柱增强环Ⅰ（7）或棱柱增强环Ⅰ（9）；
若卡盘Ⅱ（6）与上节点盘（1）相邻，则可填置一个圆柱增强环Ⅱ（8）或棱柱增强环Ⅱ（10）。
2.根据权利要求1所述的一种空间结构用增强型板式控火节点结构，其特征在于：所述的上节点盘（1）、下节点盘（2）、卡盘Ⅰ（5）、卡盘Ⅱ（6）为圆形或多边形。
3.根据权利要求1所述的一种空间结构用增强型板式控火节点结构，其特征在于：所述的上节点盘（1）、下节点盘（2）、工字型截面梁（3）、卡盘Ⅰ（5）、卡盘Ⅱ（6）、圆柱增强环Ⅰ（7）、圆柱增强环Ⅱ（8）、棱柱增强环Ⅰ（9）、棱柱增强环Ⅱ（10）采用铝合金材料或不锈钢材料。
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