CN109779061A - 一种应用于大跨度网架结构的新型耗能节点 - Google Patents

Abstract

一种应用于大跨度网架结构的新型耗能节点，属于加强网架结构性能的技术领域；包括套筒联合部件、封板、钢球、螺钉和螺栓组成；将所述螺栓依次穿过封板孔和套筒联合部件，螺栓的剩余部分完全旋入钢球；螺钉将套筒联合部件固定于螺栓；所述的套筒联合部件包括耗能板、小套筒和大套筒；封板的外壁设有一凸台，将杆件的端面固定在封板的凸台上。通过模拟计算得出耗能板的结构参数对新型耗能节点耗散能量的效果和规律，可以让新型耗能节点适用于一般的大跨度结构；从结构以及经济角度考虑，既能提高结构的安全性，也不会大幅度提升结构的造价。

Description

一种应用于大跨度网架结构的新型耗能节点

技术领域

本发明属于加强网架结构性能的技术领域，特别涉及一种应用于大跨度网架结构的新型耗能节点。

背景技术

网架结构是20世纪50年代以来，广泛推广使用的新型结构形式，是由螺栓球节点和杆件组成，通过螺栓或焊缝连接而成的一种超静定结构。随着我国社会经济的快速发展已越来越多的被应用到体育场馆、机场候机楼、动车站候车大厅、加油站、工业厂房及大型储物仓等大跨度工程中。网架结构虽然在施工和正常使用下的设计已经比较完善，但是对于偶然事件和局部超载情况下的二次防御能力还有待于进一步的研究。网架结构在偶然荷载的作用下，会先出现局部杆件或是节点的破坏，进而引发多米诺骨牌式的连锁反应导致其他杆件或是节点的破坏，最终使网架结构发生连续性倒塌。而网架结构的连续性倒塌往往会造成极其严重的后果，而针对大跨度空间结构抗连续性倒塌的研究相对于框架结构、桁架结构较少，而且对网架结构的研究多是方法性的分析或是对结构进行补强设计，大部分研究都是以构件失效为前提进行研究，很少在耗能方面提出预防结构的抗连续性倒塌，而且对于耗能构件的研究也多用于框架结构。因此通过研究网架结构的连续性倒塌机理，主要是关键杆件的破坏，为了不影响杆件本身的承载能力，在与关键杆件相连的连接处设置耗能构件。在结构受到大于其承载能力的偶然荷载时，耗能构件发生大变形，使关键杆件发生较大的位移，通过让压作用机理耗散足够的能量，从而保护关键杆件和节点。因此发明一种设置耗能构件的节点用于代替关键杆件处的节点，称其为新型耗能节点。

发明内容

发明目的：根据网架的连续性倒塌机理，网架在承受偶然荷载时，是由于个别关键杆件的破坏而导致整个网架的倒塌，所述关键杆件的位置一般是在跨中和支座处的受压杆件，所以本发明的新型耗能节点主要针对的是受压杆件，它会通过保护关键杆件免受破坏从而防止整个结构的倒塌。所述的新型耗能节点可以适用于大部分铰接结构。

本发明的一种应用于大跨度网架结构的新型耗能节点，包括套筒联合部件、封板、钢球、螺钉和螺栓组成；将所述螺栓依次穿过封板上的孔和套筒联合部件，螺栓的剩余部分完全旋入钢球中；螺钉将套筒联合部件固定于螺栓上；

所述的套筒联合部件包括小套筒、耗能构件和大套筒，所述的耗能构件为耗能板式结构，所以称之为耗能板；两个不同半径的套筒中间设耗能板；将三者同心同轴固定；

所述的小套筒的外径小于大套筒的内径；小套筒、耗能板和大套筒的内径大于螺栓的外牙螺纹顶径；

所述的封板外壁设有一凸台，其凸台起卡住定位作用；将封板的凸台与杆件的端面固定。

所述的新型耗能节点的承力路径为：结构受压时的承受压力传给杆件，再由杆件传给封板，封板传给小套筒，小套筒传给耗能板，耗能板传给大套筒，大套筒传给钢球，螺栓不受力。所述的耗能板分别采用吸能让压机理和金属剪切变形机理；新型耗能节点通过耗能板耗散能量，以免结构发生倒塌破坏。新型耗能节点在受到大于其承载能力的偶然荷载时的受力情况为：压力通过杆件传送到封板、小套筒，耗能板在小套筒与大套筒之间，承受小套筒所传的偶然荷载发生剪切变形，耗能板吸收的偶然荷载的能量转化为耗能板的变形能，剪切荷载使耗能板产生较大的屈曲变形，带动小套筒发生较大的位移，陷入大套筒中，随之带动封板以及杆件发生位移，使杆件通过让压进行卸载。同时耗能板通过吸收外部能量转化为耗能板的塑性变形能来进行耗能，从而保护关键杆件以防止结构发生倒塌破坏。新型耗能节点只计划应用于与关键杆件相连的节点处，从结构以及经济角度考虑，既能提高结构的安全性，也不会大幅度提升结构的造价。

所述的杆件承受未达到设计承载力的荷载作用时，能够满足结构的正常使用状态，当杆件承受大于其设计承载能力的偶然荷载作用时，发挥其耗能能力，吸收多余能量，卸去偶然荷载，防止关键杆件发生破坏，从而避免了整个结构发生连续性倒塌破坏。

所述新型耗能节点的尺寸确定主要取决于耗能板的尺寸，新型耗能节点主要通过模拟计算来探寻耗能板中小套筒外径与大套筒内径的间隙、耗能板的厚度、耗能板的开缝数目、耗能板的材质与杆件轴力耗能之间的一般规律，为应用于各种不同轴力的新型耗能节点提供理论依据。

经过大量模拟计算和公式推导得出：

1)耗能板的开缝数目选择：

承载能力在100MPa以下时，对耗能板不开缝；

承载能力在100MPa～200MPa时，对耗能板开1～2个缝；

承载能力在200MPa～350MPa时，对耗能板开2～4个缝；

承载能力在350MPa以上时，对耗能板开4～6个缝。

2)小套筒外径与大套筒内径的间隙选择：

耗能板厚度在5mm以下时，间隙采用1～2mm；

耗能板厚度在5～7mm时，间隙采用2～4mm。

3)耗能板的材质选择：

耗能板采用钢板制作，为防止耗能板过厚，在计算得出耗能板的厚度大于7mm时，采取强度更高等级的材料。

4)耗能板的厚度选择：

本发明中耗能板的厚度尺寸设计是通过剪切强度条件确定的；

剪切强度条件就是使耗能板的实际剪应力不超过材料的许用剪应力；

其中，τ为计算出的耗能板的剪应力，单位为Pa或MPa，

Fs为剪切力，单位为N或kN，

A为耗能板的剪切面积，单位为mm²或m²，

[τ]为许用剪应力，单位为Pa或MPa；

由于耗能板剪应力是近似均匀分布，所以可以使用这个公式确定耗能板的厚度；

钢板的许用剪应力应尽量从相关规范中查取；一般来说，材料的许用剪应力[τ]与材料的许用拉应力[σ]之间，存在如下关系：

对待钢板，其许用剪应力用下式选择：

[τ]＝0.6-0.8[σ]

其中，[σ]为许用拉应力，单位为Pa或MPa。

附图说明

图1本发明应用于大跨度网架结构的新型耗能节点的整体结构示意图；

图2本发明应用于大跨度网架结构的新型耗能节点无钢球的示意图；

图3螺栓的示意图；

图4套筒联合部件的主视图；

图5套筒联合部件的左视图。

其中：1.小套筒，2.耗能板，3.大套筒，4.钢球，5.十字槽螺钉，6.封板，7.高强螺栓，8.螺钉调整孔，9.杆件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细说明；本申请的实施例模拟计算一座工业厂房中的杆件受力情况和新型耗能节点的构造。如说明书附图1～5所示；

实施例1

本发明的应用于大跨度网架结构的新型耗能节点，包括套筒联合部件、封板6、钢球4、十字槽螺钉5和高强螺栓7组成；所述的套筒联合部件包括小套筒1、耗能板2和大套筒3，两个不同半径的套筒中间设耗能板2；将三者同心同轴固定；将高强螺栓7依次穿过封板6上的孔和套筒联合部件，十字槽螺钉5将套筒联合部件固定于高强螺栓7上，高强螺栓7的剩余部分完全旋入钢球4中；封板6外壁设有一凸台，其凸台起卡住定位作用；将封板6的凸台与杆件9的端面固定。

所述的小套筒1的外径小于大套筒3的内径；所述的小套筒1、耗能板2和大套筒3的内径大于高强螺栓7的外牙螺纹顶径；

所述新型耗能节点的加工和安装方法为：将小套筒1、耗能板2、大套筒3按同心同轴焊接加工，耗能板2夹在小、大两个套筒之间；小套筒1的侧壁上开一通孔；依次将封板6、套筒联合部件套在高强螺栓7上，为防止套筒联合部件旋转，将十字槽螺钉5穿过小套筒1侧壁上的通孔拧入高强螺栓7的螺钉调整孔8中，进行拧紧固定；将高强螺栓7剩余的螺纹部分拧入钢球4中，检查拧入程度是否达标；

本实施例以杆件9承受轴力150MPa为例，由于受压杆件9往往是由于受到大于其承载能力的偶然荷载时发生破坏，故使用超载时强度为其极限承载强度为80MPa。耗能板2不开缝的前提下，选取：

小套筒1：内径φ22，内切六边形的半径为17mm，δ17；

大套筒3：内径φ38，内切六边形的半径为26mm，δ15；

耗能板2：Q235B材质的圆环形薄片，内径φ22，外径φ52，δ3；

所述的封板6外壁设有一凸台，其凸台起卡住定位作用；将新型耗能节点的封板6一端与杆件9焊接，杆件9的端面卡在封板6的凸台上。

封板6：内径φ22，外径为φ52和φ60的双台面结构，φ52端厚度为6mm，φ60端厚度为8mm；

高强螺栓7为GB/T 3077 M20x70-10.9；

十字槽螺钉5为GB/T 13806.1 M2*6；

钢球4为φ100的带有螺纹孔的实心球；

所述的新型耗能节点的承力路径为：结构受压时的承受压力传给杆件9，再由杆件9传给封板6，封板6传给小套筒1，小套筒1传给耗能板2，耗能板2传给大套筒3，大套筒3传给钢球4，高强螺栓7不受力。所述的耗能板2分别采用吸能让压机理和金属剪切变形机理；新型耗能节点通过耗能板2耗散能量，以免结构发生倒塌破坏。新型耗能节点在受到大于其承载能力的偶然荷载时的受力情况为：压力通过杆件9传送到封板6、小套筒1，耗能板2在小套筒1与大套筒3之间，承受小套筒1所传的偶然荷载发生剪切变形，耗能板2吸收的偶然荷载的能量转化为耗能板2的变形能，剪切荷载使耗能板2产生较大的屈曲变形，带动小套筒1发生较大的位移，陷入大套筒3中，随之带动封板6以及杆件9发生位移，使杆件9通过让压进行卸载。同时耗能板2通过吸收外部能量转化为耗能板2的塑性变形能来进行耗能，从而保护关键杆件9以防止结构发生倒塌破坏。新型耗能节点只计划应用于与关键杆件9相连的节点处，从结构以及经济角度考虑，既能提高结构的安全性，也不会大幅度提升结构的造价。

所述的杆件9承受未达到设计承载力的荷载作用时，能够满足结构的正常使用状态，当杆件9承受大于其设计承载能力的偶然荷载作用时，发挥其耗能能力，吸收多余能量，卸去偶然荷载，防止关键杆件9发生破坏，从而避免了整个结构发生连续性倒塌破坏。

通过Ansys有限元分析模拟计算与实验发现，在达到杆件9的失稳强度时，由于耗能板2的耗能作用，使得杆件9在受力80Mpa的情况下并没有发生破坏而可以继续承载。

实施例2

本发明的应用于大跨度网架结构的新型耗能节点，包括套筒联合部件、封板6、钢球4、十字槽螺钉5和高强螺栓7组成；所述的套筒联合部件包括小套筒1、耗能板2和大套筒3，两个不同半径的套筒中间设耗能板2；将三者同心同轴固定；将高强螺栓7依次穿过封板6上的孔和套筒联合部件，十字槽螺钉5将套筒联合部件固定于高强螺栓7上，高强螺栓7的剩余部分完全旋入钢球4中；封板6外壁设有一凸台，其凸台起卡住定位作用；将封板6的凸台与杆件9的端面固定。

所述的小套筒1的外径小于大套筒3的内径；所述的小套筒1、耗能板2和大套筒3的内径大于高强螺栓7的外牙螺纹顶径；

所述新型耗能节点的加工和安装方法为：将小套筒1、耗能板2、大套筒3按同心同轴焊接加工，耗能板2夹在小、大两个套筒之间；小套筒1的侧壁上开一通孔；依次将封板6、套筒联合部件套在高强螺栓7上，为防止套筒联合部件旋转，将十字槽螺钉5穿过小套筒1侧壁上的通孔拧入高强螺栓7的螺钉调整孔8中，进行拧紧固定；将高强螺栓7剩余的螺纹部分拧入钢球4中，检查拧入程度是否达标；

本实施例以杆件9承受轴力250MPa为例，由于受压杆件9往往是由于受到大于其承载能力的偶然荷载时发生破坏，故使用超载时强度为其极限承载强度为130MPa。耗能板2开缝时的情况下，选取：

小套筒1的内径φ22，内切六边形的半径为17mm，δ17；

大套筒3的内径φ38，内切六边形的半径为26mm，δ15；

耗能板2为Q235B材质的圆环形薄片，内径φ22，外径φ52，δ5；

所述耗能板2沿中心对称位置开2个20mm的通透缝，分别距离内孔边缘和外圆边缘5mm；

所述的封板6外壁设有一凸台，其凸台起卡住定位作用；将新型耗能节点的封板6一端与杆件9焊接，杆件9的端面卡在封板6的凸台上。

封板6：内径φ22，外径为φ52和φ60的双台面结构，φ52端厚度为6mm，φ60端厚度为8mm；

高强螺栓7为GB/T 3077 M20x70-10.9；

十字槽螺钉5为GB/T 13806.1 M2*6；

钢球4为φ100的带有螺纹孔的实心球；

所述的新型耗能节点的承力路径为：结构受压时的承受压力传给杆件9，再由杆件9传给封板6，封板6传给小套筒1，小套筒1传给耗能板2，耗能板2传给大套筒3，大套筒3传给钢球4，高强螺栓7不受力。所述的耗能板2分别采用吸能让压机理和金属剪切变形机理；新型耗能节点通过耗能板2耗散能量，以免结构发生倒塌破坏。新型耗能节点在受到大于其承载能力的偶然荷载时的受力情况为：压力通过杆件9传送到封板6、小套筒1，耗能板2在小套筒1与大套筒3之间，承受小套筒1所传的偶然荷载发生剪切变形，耗能板2吸收的偶然荷载的能量转化为耗能板2的变形能，剪切荷载使耗能板2产生较大的屈曲变形，带动小套筒1发生较大的位移，陷入大套筒3中，随之带动封板6以及杆件9发生位移，使杆件9通过让压进行卸载。同时耗能板2通过吸收外部能量转化为耗能板2的塑性变形能来进行耗能，从而保护关键杆件9以防止结构发生倒塌破坏。新型耗能节点只计划应用于与关键杆件9相连的节点处，从结构以及经济角度考虑，既能提高结构的安全性，也不会大幅度提升结构的造价。

所述的杆件9承受未达到设计承载力的荷载作用时，能够满足结构的正常使用状态，当杆件9承受大于其设计承载能力的偶然荷载作用时，发挥其耗能能力，吸收多余能量，卸去偶然荷载，防止关键杆件9发生破坏，从而避免了整个结构发生连续性倒塌破坏。

通过Ansys有限元分析模拟计算与实验发现，在达到杆件9的失稳强度时，由于耗能板2的耗能作用，使得杆件9在受力130Mpa的情况下并没有发生破坏而可以继续承载。

Claims (7)

1.一种应用于大跨度网架结构的新型耗能节点，其特征在于，包括套筒联合部件、封板、钢球、螺钉和螺栓组成；将所述螺栓依次穿过封板上的孔和套筒联合部件，螺栓的剩余部分完全旋入钢球中，螺钉将套筒联合部件固定于螺栓上。

2.根据权利要求1所述的一种应用于大跨度网架结构的新型耗能节点，其特征在于，所述的套筒联合部件包括小套筒、耗能板和大套筒，两个不同半径的套筒中间设耗能板，将三者同心同轴固定。

3.根据权利要求2所述的一种应用于大跨度网架结构的新型耗能节点，其特征在于，所述的小套筒的外径小于大套筒的内径；小套筒、耗能板和大套筒的内径大于螺栓的外牙螺纹顶径。

4.根据权利要求1所述的一种应用于大跨度网架结构的新型耗能节点，其特征在于，所述的封板外壁设有一凸台，将封板的凸台与杆件的端面固定。

5.根据权利要求1～4任一所述的一种应用于大跨度网架结构的新型耗能节点，其特征在于，所述耗能板的开缝数目的选择：承载能力在100MPa以下时，对耗能板不开缝；承载能力在100MPa～200MPa时，对耗能板开1～2个缝；承载能力在200MPa～350MPa时，对耗能板开2～4个缝；承载能力在350MPa以上时，对耗能板开4～6个缝。

6.根据权利要求1～4任一所述的一种应用于大跨度网架结构的新型耗能节点，其特征在于，所述的小套筒外径与大套筒内径的间隙选择为耗能板厚度在5mm以下时，间隙采用1～2mm；耗能板厚度在5～7mm时，间隙采用2～4mm。

7.根据权利要求1～4任一所述的一种应用于大跨度网架结构的新型耗能节点，其特征在于，所述的耗能板厚度的尺寸设计是通过剪切强度条件确定的；剪切强度条件使耗能板的实际剪应力不超过材料的许用剪应力；

其中，τ为计算出的耗能板的剪应力，单位为Pa或MPa，

F_s为剪切力，单位为N或kN，

A为耗能板的剪切面积，单位为mm²或m²，

[τ]为许用剪应力，单位为Pa或MPa；

许用剪应力[τ]与材料的许用拉应力[σ]之间的关系：

[τ]＝0.6-0.8[σ]

其中，[σ]为许用拉应力，单位为Pa或MPa。