CN110512724A - 一种采用螺栓球节点连接的复合构件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用螺栓球节点连接的复合构件，该构件包括节点球体(6)和至少一个管件，各个汇交的管件的一端通过螺纹连接固定在节点球体(6)上；所述的管件包括薄壁圆管(1)、泡沫填充物(2)、金属杆(3)、盖板(4)、套筒(5)所述的金属杆(3)位于构件中心轴线处，其两头均设有套筒(5)，所述的薄壁圆管(1)位于构件最外层，其两端均设有盖板(4)，所述的套筒(5)与盖板(4)抵接；所述的薄壁圆管(1)和金属杆(3)之间填充有泡沫填充物(2)。与现有技术相比，本发明解决了复合构件局部失稳问题，竖向承载力显著提高，同时解决了铝合金结构中杆件和球节点连接的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合构件，尤其是涉及一种采用螺栓球节点连接的复合构件。
背景技术
铝合金材料具有轻质高强、耐腐蚀性能好、加工方便、可一体化成型等优点，在大跨度空间结构领域得到了越来越广泛的应用，如园林温室、大型干煤库顶盖、储油罐拱项、污水处理厂顶棚等。
螺栓球节点又称为MERO节点，由德国MERO公司于1942年发明，70年代从德国引进我国。
传统铝合金螺栓球节点由节点球体、螺栓、套筒、紧固螺钉、锥头和封板几部分组成，在构造时首先将置有螺栓的锥头或封板焊接在管件两端，在伸出锥头或封板的螺杆上套套筒，以紧固螺钉将螺栓与套筒连接在一起。拼装时直接拧动套筒，通过紧固螺钉带动螺栓转动，从而使螺栓旋入球体直至螺栓头与封板或锥头贴紧为止，各汇交管件均按此方式连接后即形成节点。
但是，传统铝合金螺栓球节点由于构造工序中管件两端的焊接工序，使得整体承载力被大幅削弱，且安装工序较为复杂。
因此，如何设计一种美观、安装方便、承载力高，同时管件无需焊接加工就能与节点球体连接的球节点连接，成为工程上亟待解决的问题。
专利CN 204435566 U公开一种螺栓球节点钢网架连接结构，包括螺栓A和螺栓B，螺栓球节点钢网架连接结构主体由螺栓球、若干封板头、螺栓、钢管、若干套筒、若干锥头组成，螺栓为若干螺栓A和若干螺栓B组成，螺栓球为设置有若干螺栓孔的实心金属球，螺栓A穿过封板头和螺栓球上的螺栓孔旋合，螺栓B穿过套筒和螺栓球上的螺栓孔旋合，封板头卡住螺栓A的头部，封板头为T形金属筒，封板头固定连接在钢管的尾端；套筒为金属筒，套筒和螺栓B之间设置有紧固螺钉；锥头的尾端为锥形，锥头的中心段为中空圆筒，锥头的末端设置有直径小于锥头的中心段内径的圆孔，但该结构存在以下不足：
(1)该结构中螺栓采用独立结构，通过封板头和套筒将螺栓球与杆件连接，此种连接方式传力不直接，螺栓易疲劳磨损；而本申请采用在穿心金属杆两端开螺纹的方式，传力更直接高效。
(2)该结构采用紧固螺钉来连接套筒和螺栓，此方法对螺钉强度要求较高，且螺钉易磨损；而本申请中的螺栓本属于杆件结构穿心金属杆的一部分，无需额外设置连接，安装更方便、强度更可靠。
(3)相较该结构采用的传统钢材料，本申请采用性能更优异的铝合金材料加工制作节点和杆件，质量更轻，强度更高，符合现代化结构用材的趋势。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种显著提高承力管件的承载力、降低施工难度、节约铝材的采用螺栓球节点连接的复合构件。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种采用螺栓球节点连接的复合构件，该构件包括节点球体和至少一个管件，所述管件的一端通过螺纹连接固定在所述节点球体上，将管件旋入球体，各管件均按此方式连接后即形成螺栓球节点。
所述的管件包括薄壁圆管、泡沫填充物、金属杆、盖板、套筒；所述的金属杆穿过所述薄壁圆管并位于管件中心轴线处，整体贯穿泡沫填充物，并施加预应力，其两头均设有套筒；所述的薄壁圆管位于管件最外层，其两端均设有盖板，所述的套筒与盖板抵接；所述的薄壁圆管和金属杆之间填充有泡沫填充物。
进一步地，所述的节点球体包括一个圆球，所述的圆球上开有若干小洞。
进一步地，所述的盖板的形状为碗状或圆台状，此类形状能够有效减缓泡沫填充物膨胀时的应力。
进一步地，所述的管件数量为2-6根，相互轴立对称分布，这样的分布方式能够避免应力集中。
进一步地，所述的套筒位于盖板外侧。
进一步地，所述的套筒内部刻有螺纹，并与金属杆采用螺纹连接，防止金属杆在管件中轴向滑动。
进一步地，所述的薄壁圆管的材料为铝合金；所述的金属杆的材料为铝合金或钢；所述的盖板的材料为铝合金或黄铜。
进一步地，所述的泡沫填充物所选材料为聚氨酯泡沫。
进一步地，所述的金属杆的直径与薄壁圆管直径的比为1：5-10。
进一步地，所述的盖板从两端盖住薄壁圆管。
进一步地，所述的盖板中心开孔，使金属杆穿过。
进一步地，所述的套筒位于盖板外侧。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)由于采用聚氨酯-铝合金复合构件，薄壁圆管和金属杆之间通过聚氨酯泡沫填充物连接，使得在力学效应上，铝合金圆管与聚氨酯泡沫的相互作用赋予了复合构件良好的受力和变形性能，一方面圆管壁对其内部充填的聚氨酯泡沫提供了限制，使聚氨酯泡沫处于三向受力状态；另一方面聚氨酯泡沫对铝合金圆管壁的局部变形提供了约束，阻滞或减弱了管壁受力后产生的内凹或外凸等局部屈曲破坏，限制了圆管整体屈曲的产生和发展。
因此，在铝合金圆管内填充聚氨酯，可以在对铝合金构件的重量影响不大的前提下，有效地提高薄壁管的承载力，防止出现局部失稳。同时对构件整体重量提升不大，保持了铝合金构件轻质高强的特点；复合构件的承载力受诸多因素影响，如圆管径厚比(壁厚)、长细比(管长)、初始缺陷幅值、聚氨酯性能、铝合金性能(牌号)等，基于大量计算结果，拟合出各个因素对聚氨酯提升作用的数值公式，组合成聚氨酯提升系数K0，进而得出聚氨酯铝合金复合薄壁圆管柱承载力拟合公式：
K0＝1.75·Ka·Kb·Kd·Ke
其中：—局部稳定系数；K0—聚氨酯提升系数；Ka—径厚比影响因子；Kb—长细比影响因子；Kd—铝合金性能影响因子；f0.2—铝合金名义屈服强度；Ke—聚氨酯性能影响因子。
计算结果显示，承载力可比采用传统的螺栓球节点连接的构件提升50％。
(2)穿心金属杆在加工时两端刻有螺纹，使管件在铝合金网壳结构中可直接通过螺纹与节点球体连接，避免了传统铝合金管件与节点连接时的焊接工序，显著提升了连接节点的强度。
附图说明
图1为实施例1中的整体示意图；
图2为实施例1中平面示意图；
图3为实施例1中装配方法示意图；
图4为实施例1中管件端部详图；
图5为实施例1中节点球体示意图；
图中标号所示：薄壁圆管1、泡沫填充物2、金属杆3、盖板4、套筒5、节点球体6。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种采用螺栓球节点连接的复合构件，如图1-2，该构件包括节点球体6和至少一个管件，所述管件的一端通过螺纹连接固定在所述节点球体6上，将管件旋入球体，各管件均按此方式连接后即形成螺栓球节点。
如图5，节点球体6包括一个圆球，所述的圆球上开有6个小洞。
如图4，管件包括铝合金薄壁圆管1、聚氨酯泡沫填充物2、铝合金金属杆3、铝合金盖板4、套筒5；所述的金属杆3穿过所述薄壁圆管1并位于管件中心轴线处，整体贯穿泡沫填充物2，并施加预应力，其两头均设有套筒5；所述的薄壁圆管1位于管件最外层，其两端均设有盖板4，所述的套筒5与盖板4抵接；所述的薄壁圆管1和金属杆3之间填充有泡沫填充物2。
其中，盖板4的形状为碗状，此类形状能够有效减缓泡沫填充物膨胀时的应力。管件数量为6根，相互轴立对称分布，这样的分布方式能够避免应力集中。套筒位于盖板4外侧。套筒5内部刻有螺纹，并与金属杆3采用螺纹连接，防止金属杆3在管件中轴向滑动。
具体组装方法，如图3，按以下步骤：
先在薄壁圆管1内填充泡沫填充物2；再将一根金属杆3沿圆管中心线穿透泡沫填充物2；然后在铝合金薄壁圆管1两侧盖上预留了圆管截面形状槽口的盖板4，盖板4和中央的金属杆3用套筒5连接和传力，对薄壁圆管1施加预应力，形成管件；
最后将6个管件旋入节点球体6直至两者贴紧，各汇交管件均按此方式连接后即形成一种采用螺栓球节点连接的复合构件。
金属杆在加工时两端刻有螺纹，使其在铝合金网壳结构中可直接通过螺纹与球节点连接，避免复杂的焊接工序；试验结果显示，承载力可比传统的螺栓球节点连接的复合构件提升50％。
实施例2
一种采用螺栓球节点连接的复合构件，参考图1-2，该构件包括节点球体6和至少一个管件，所述管件的一端通过螺纹连接固定在所述节点球体6上，将管件旋入球体，各管件均按此方式连接后即形成螺栓球节点。
参考图5，节点球体6包括一个圆球，所述的圆球上开有2个小洞。
参考图4，管件包括铝合金薄壁圆管1、聚氨酯泡沫填充物2、钢金属杆3、黄铜盖板4、套筒5；所述的金属杆3穿过所述薄壁圆管1并位于管件中心轴线处，整体贯穿泡沫填充物2，并施加预应力，其两头均设有套筒5；所述的薄壁圆管1位于管件最外层，其两端均设有盖板4，所述的套筒5与盖板4抵接；所述的薄壁圆管1和金属杆3之间填充有泡沫填充物2。
其中，盖板4的形状为圆台状，此类形状能够有效减缓泡沫填充物膨胀时的应力。管件数量为2根，相互对称分布，这样的分布方式能够避免应力集中。套筒位于盖板4外侧。套筒5内部刻有螺纹，并与金属杆3采用螺纹连接，防止金属杆3在管件中轴向滑动。
具体组装方法，参考图3，按以下步骤：
先在薄壁圆管1内填充泡沫填充物2；再将一根金属杆3沿圆管中心线穿透泡沫填充物2；然后在铝合金薄壁圆管1两侧盖上预留了圆管截面形状槽口的盖板4，盖板4和中央的金属杆3用套筒5连接和传力，对薄壁圆管1施加预应力，形成管件；
最后将2个管件旋入节点球体6直至两者贴紧，各汇交管件均按此方式连接后即形成一种采用螺栓球节点连接的复合构件。
金属杆在加工时两端刻有螺纹，使其在铝合金网壳结构中可直接通过螺纹与球节点连接，避免复杂的焊接工序；试验结果显示，承载力可比传统的螺栓球节点连接的复合构件提升50％。
以上实施例仅用于说明本发明技术方案，并非是对本发明的限制，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做的改变、替代、修饰、简化均为等效的变换，都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。
Claims (9)
1.一种采用螺栓球节点连接的复合构件，该构件包括节点球体(6)和至少一个管件，所述管件的一端通过螺纹连接固定在所述节点球体(6)上，其特征在于，
所述的管件包括薄壁圆管(1)、泡沫填充物(2)、金属杆(3)、盖板(4)、套筒(5)；所述的金属杆(3)穿过所述薄壁圆管(1)并位于管件中心轴线处，其两头均设有套筒(5)，所述的薄壁圆管(1)位于管件最外层，其两端均设有盖板(4)，所述的套筒(5)与盖板(4)抵接；所述的薄壁圆管(1)和金属杆(3)之间填充有泡沫填充物(2)。
2.根据权利要求1所述的一种采用螺栓球节点连接的复合构件，其特征在于，所述的节点球体(6)包括一个圆球，所述的圆球上开有若干小洞。
3.根据权利要求1所述的一种采用螺栓球节点连接的复合构件，其特征在于，所述的盖板(4)的形状为碗状或圆台状。
4.根据权利要求1所述的一种采用螺栓球节点连接的复合构件，其特征在于，所述的管件数量为2-6根，相互轴立对称分布。
5.根据权利要求1所述的一种采用螺栓球节点连接的复合构件，其特征在于，所述的套筒(5)位于盖板(4)外侧。
6.根据权利要求1所述的一种采用螺栓球节点连接的复合构件，其特征在于，所述的套筒(5)内部刻有螺纹，并与金属杆(3)采用螺纹连接。
7.根据权利要求1所述的一种采用螺栓球节点连接的复合构件，其特征在于，所述的薄壁圆管(1)的材料为铝合金；所述的金属杆(3)的材料为铝合金或钢；所述的盖板(4)的材料为铝合金或黄铜。
8.根据权利要求1所述的一种采用螺栓球节点连接的复合构件，其特征在于，所述的泡沫填充物(2)所选材料为聚氨酯泡沫。
9.根据权利要求1所述的一种采用螺栓球节点连接的复合构件，其特征在于，所述的金属杆(3)的直径与薄壁圆管(1)直径的比为1：5-10。
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