CN112431303A - 一种应用于装配式单层网格结构的双拓扑环节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装配式单层网格结构的双拓扑环节点，包括上、下拓扑环，杆件，焊接于杆件端部的连接件和连接杆件和拓扑环的高强螺栓。其中上下拓扑环既可以同时只连接主要杆件，也可以同时连接主要杆件和次要杆件。通过对上、下拓扑环的形状设计，满足杆件水平角α的要求；通过控制杆件斜切角度，实现对杆件垂直角β的调节；通过调节上拓扑环（1）和下拓扑环（2）上螺栓孔的相对位置，实现对杆件扭转角γ的调节。本发明节点具有构造简单，受力明确，安装精度要求低，对网格结构曲面形式适应性强等优点，尤其适用于中小跨度的装配式单层三角形网格结构。

Description

一种应用于装配式单层网格结构的双拓扑环节点

技术领域

本发明涉及装配式空间网格结构领域，具体为一种应用于装配式单层空间网络结构的双拓扑环节点。

背景技术

空间网格结构具有形式自由、空间开阔、造型优美、结构简洁等优点，被广泛应用到大跨空间结构中。随着装配式空间网格结构的推广，螺栓与铆钉连接节点逐渐代替了焊接节点。作为空间网格结构最主要的组成部分，节点的力学性能很大程度上影响着空间网格结构的整体稳定性。因此，关于新型装配式节点的研究一直是装配式空间网格结构的研究热点之一。目前常见的空间网格结构节点包括螺栓球节点，板式节点，圆柱体节点，棱柱体节点等等。其中，螺栓球节点的连接构造原理是：先将置有螺栓的锥头或封板焊在钢管杆件的两端，在伸出锥头或封板的螺杆上套有长形六角套筒(或称长形六角无纹螺母)，并以销子或紧固螺钉将螺栓与套筒连在一起，拼装时直接拧动长形六角套筒，通过销钉或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，各汇交杆件均按此连接后即形成节点，螺栓拧紧程度靠销钉来控制。缺点是：零部件多，加工精度要求高；工序复杂，制造费用较大。

装配式节点的设计要求，在保证节点具有足够的承载能力和刚度的同时，还应该具有灵活的几何适应性，可以实现对杆件水平角α、杆件垂直角β和扭转角γ的调节，来适应单层空间网格结构复杂多变的造型。同时节点应具有一定的误差容忍性，以方便节点的加工和安装，提高节点的适用性。除此之外，还应该考虑节点的美观性，经济性等等。

发明内容

技术问题：针对空间网格结构装配式节点的性能要求和传统装配式节点存在的问题，本发明的目的在于提出一种应用于装配式单层空间网格结构的双拓扑环节点，相比于传统的螺栓球节点和板式节点，双拓扑环节点可以方便地调节杆件之间的角度，可满足任意曲面杆件空间装配定位要求，具有节点重量轻，加工安装精度要求低，装配性能良好等优点，适用于中小跨度的装配式空间网格结构。

技术方案：本发明是一种应用于装配式单层空间网格结构的双拓扑环节点，该节点包括：上、下拓扑环、杆件、连接件、高强螺栓；其中，上、下拓扑环位于节点中部，连接件焊接于杆件内端，拓扑环和连接件均设有螺栓孔，通过高强螺栓将杆件与拓扑环进行连接。

所述上、下拓扑环既可只连接主要杆件，也可同时连接主要杆件和次要杆件。

所述杆件是主要杆件以及次要杆件，当上、下拓扑环同时连接主要杆件和次要杆件，详言之，次要杆件连接上、拓扑环，而主要杆件同时连接上、下拓扑环，此时，适用于能明确区分主要受力杆件和次要受力杆件的单层空间网格结构，尤其是单层三角形空间网格结构。

所述杆件可以是主要杆件，当上、下拓扑环只连接主要杆件时，适用于杆件受力较均匀的单层空间网格结构。

所述主要杆件和次要杆件为方钢管，连接件为矩形钢板，其尺寸分别对应主要杆件和次要杆件的截面尺寸，同时考虑围焊的焊缝尺寸。主要杆件通过高强螺栓分别于上、下拓扑环相连。次要杆件通过高强螺栓与上拓扑环相连。

通过对上、下拓扑环进行形状设计，满足杆件水平角α的要求；通过控制杆件斜切角度，实现对杆件垂直角β的调节；通过调节上拓扑环和下拓扑环上螺栓孔的相对位置，实现对杆件扭转角γ的调节。

所述上、下拓扑环的整体结构是基于商用软件HYPERWORKS平台，利用拓扑优化原理，以节点应变能最小为目标函数，以体积分数比为约束函数，以连续体结构变密度法为优化算法，采用SIMP材料差值模型，以单元“单元密度”作为设计变量经过迭代优化而来；

拓扑优化模型可以表示为：

目标函数：

约束函数：

KU＝F,0＜x_min≤x_e≤1

其中C为结构应变能，F为力向量，U为位移矩阵，K为结构总体刚度矩阵，V₀为整个设计域的初始体积，f为优化体积比，V是结构优化后的结构体积，v_e为优化后的单元体积，x为材料密度，x_e为单元材料密度，x_min是单元材料密度最小极限值，p为惩罚因子，N为结构离散单元总数。

上下拓扑环的结构形式主要通过所述“单元密度”与节点的材料弹性模量之间的函数关系优化得出，且所述函数关系为：

E(x_e)＝(x_e)^pE₀

其中，E为单元优化后弹性模量，E₀为初始弹性模量

基于SIMP的优化设计迭代公式如下：

其中优化设计准则

η为阻尼系数，

x_e为单元材料密度，且x_e在0～1之间连续取值，程序优化后单元材料密度x_e为[0.5，1]时保留该单元处材料，单元材料密度x_e为[0，0.5)时删除该单元处材料。

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明中，通过拓扑优化手段得到双拓扑环，拓扑环的刚度大，力学性能好，同时结构构造美观轻盈；

2)本发明装配式节点的预制程度高，高强螺栓与连接件、连接件与杆件之间的焊接作业，拓扑环的制造作业均在工厂中完成，制造质量易于控制。现场只需要进行螺栓连接，具有组装方便，施工速度快，施工成本低；

3)本发明通过高强螺栓在杆件和拓扑环之间形成了有效连接，双拓扑环设计给予了节点较大的面外转动刚度，同时也提高了结构造型的轻盈美观性；

4)本发明中，通过调节拓扑环形状设计、杆件斜切角度和拓扑环上螺栓孔的位置，可以实现对杆件水平角α、垂直角β和扭转角γ的调节，以适应单层空间网格结构不同曲面形式的需求。

附图说明

图1为本发明实施例一的节点结构构造示意图；

图2为本发明实施例一装配方法示意图；

图3为本发明实施例一的拓扑环平面示意图；

图4是本发明实施例一的拓扑环的镂空孔洞一的平面示意图；

图5是本发明实施例一的拓扑环的镂空孔洞三的平面示意图。

图6为本发明实施例二的节点结构构造示意图；

图7为本发明实施例二装配方法示意图；

图8为本发明实施例二的拓扑环平面示意图；

图9为本发明实施例二的拓扑环的镂空孔洞四的平面示意图；

图10为本发明实施例二的拓扑环的镂空孔洞五的平面示意图；

图11为本发明实施例三的节点结构构造示意图；

图12为本发明实施例三装配方法示意图；

图13为杆件水平角α、垂直角β和扭转角γ的调节示意图。

图中：1、上拓扑环一，2、下拓扑环一，3、主要杆件，4、次要杆件，5、连接件一，6、连接件二，7、高强螺栓，8、螺栓孔一，9、螺栓孔二，10、螺栓孔三，11、圆形孔洞一，12、镂空孔洞一，13、镂空孔洞二，14、镂空孔洞三，15、上拓扑环二，16、下拓扑环二，17、圆形孔洞二，18、镂空孔洞四，19、镂空孔洞五，20、连接件三。

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例对本发明的具体实施方式作详细说明。

本发明所述上拓扑环和下拓扑环，可以由实心圆环削切加工而成，也可以通过铸钢工艺铸造而成；拓扑环可既连接主要杆件，又连接次要杆件，也可仅连接主要杆件；杆件的水平角α、垂直角β和扭转角γ可以进行调节；根据连接的杆件类型，确定拓扑环的结构形式；在连接件和拓扑环上均设有螺栓孔，通过高强螺栓实现两者的连接；

连接件一5为矩形厚钢板，在上、下部位设有螺栓孔，且设有内螺纹，通过高强螺栓与上、下拓扑环连接，与主要杆件3为焊接；

连接件二6为矩形钢板，设有螺栓孔，且带有螺纹，一面焊接在次要杆件杆端，一面通过高强螺栓与上拓扑环连接；

高强螺栓，由螺母、螺杆和螺帽组成，通过高强螺栓，将拓扑环分别和连接件一5、连接件二6相连；

主要杆件3和次要杆件4，为矩形钢管，每个杆件杆端与连接件焊接；主要杆件3与上、下拓扑环均相连，次要杆件4仅与上拓扑1环相连。因此，所述外周连接杆件全部为主要杆件的上拓扑环二15，下拓扑环二16；外围连接杆件包括次要杆件的上拓扑环一1，下拓扑环一2。

下文中，本发明提供了三个实施例。实施例一适用于能明确区分主要受力杆件和次要受力杆件的单层空间网格结构，尤其是单层三角形空间网格结构；实施例二适用于杆件受力较均匀的单层空间网格结构。实施例一与实施例二的区别为连接的杆件不同，主要体现在：实施例一上、下拓扑环连接四根主要杆件，上拓扑环连接两根次要杆件；实施例二上、下拓扑环连接六根主要杆件。实施例三通过加大连接板截面，方便使用螺栓固定杆件和拓扑环，装配化程度更高。

实施例一

图1至图5为本发明实施例一的节点示意图，是区分主要受力杆件和次要受力杆件的单层空间网格结构中的节点。结合图1，本发明的双拓扑环节点主要包括五个部分：

(1)是中心拓扑环，分上拓扑环1和下拓扑环2，可以通过实心圆环削切加工，也可以采用铸造工艺加工，环上设有螺栓孔，可与主要杆件3和次要杆件4相连；

(2)是连接件一5，在上、下部位设有螺栓孔；

(3)是连接件二6，为矩形钢板，设有螺栓孔，一面焊接在次要杆件4杆端，一面通过高强螺栓7与上拓扑环1连接；

(4)一是高强螺栓7，连接上拓扑环1、下拓扑环2和连接件一5，连接上拓扑环1和连接件二6；

(5)是主要杆件3和次要杆件4，为矩形或方形钢管。

图2是本发明节点的装配方法示意图，在工厂预制中心预制上拓扑环1、下拓扑环2、主要杆件3、次要杆件4、连接件一5、连接件二6和高强螺栓7，完成高强螺栓7与连接件一5、连接件二6的焊接，连接件一5和主要杆件3的焊接，以及连接件二6和次要杆件4的焊接。在施工现场，只需利用高强螺栓7将焊接好的构件与上、下拓扑环进行连接。

图3是上拓扑环一1、下拓扑环二2的平面示意图，拓扑环的结构包括中心圆形孔洞一11、镂空孔洞一12、镂空孔洞二13和镂空孔洞三14。镂空孔洞一12在拓扑环与次要杆件连接部位对称分布，共2个；每个镂空孔洞一12的两侧对称设有镂空孔洞二13，相邻两镂空孔洞二13之间设有镂空孔洞三14。上拓扑环的镂空孔洞一12的外周壁上开设有一个螺栓孔一8，上、下拓扑环的镂空孔洞二13的外周壁上均开设有一个螺栓孔一8。所有镂空孔洞边界均由直线和圆弧线构成，镂空孔洞一12为等边三角形形状，镂空孔洞一12的中轴线与等边三角形的中垂线对齐，如图4所示；镂空孔洞三14为等腰梯形形状，镂空孔洞三14的中轴线与等腰梯形的中垂线对齐，如图5所示；镂空孔洞一12和镂空孔洞三14是由外接多边形进行倒角和线条处理得到的。镂空孔洞二13位于镂空孔洞一12和镂空孔洞三14之间，其边界与相邻孔洞的边界平行。

上、下拓扑环可以在工厂由圆环削切而成，杆件的数量决定了中心拓扑环的外径以及削切边数量，削切宽度与杆件的宽度相同；也可以采用铸钢工艺铸造而成。拓扑环与连接件一、连接件二连接部位设有的螺栓孔；镂空孔洞一和镂空孔洞二要为拧紧螺帽预留出足够的空间。

实施例二

图6至图10为本发明实施例二的示意图。当单层空间网格结构的各个杆件受力较均匀时，中心拓扑环连接的所有杆件均为主要杆件3，其他构件及连接方式与实施例一相同。

图8是上、下拓扑环的平面示意图，拓扑环的结构构造包括中心圆形孔洞二17、镂空孔洞四18，镂空孔洞五19。镂空孔洞四18沿拓扑环外周均匀分布，共有6个；镂空孔洞五19沿拓扑环内周均匀分布，共有6个。上、下拓扑环的镂空孔洞四18的外周壁上开设有一个螺栓孔一8。所有镂空孔洞边界均由直线和圆弧线构成，镂空孔洞四18为等腰梯形形状，镂空孔洞四18的中轴线与等腰梯形的中垂线对齐，如图9所示；镂空孔洞五19等边三角形形状，镂空孔洞五19的中轴线与等边三角形的中垂线对齐，如图10所示；镂空孔洞四18和镂空孔洞五19是由外接多边形进行倒角和线条处理得到的。

实施例三

图11至图12为本发明实施例三的示意图。为适应装配式节点施工方便的要求，加大连接件三20的高度，同时将上拓扑环1上移，下拓扑环2下移，使得螺栓连接部位由杆件3内部变为杆件3上下两侧，方便螺栓5施工。其他构造和连接方式同实施例二，采用该连接形式的双拓扑环节点装配化程度更高。

图13给出了杆件水平角α、垂直角β和扭转角γ的调节示意图。通过对上、下拓扑环(1,2)进行形状设计，满足杆件水平角α的要求；通过控制杆件(3,4)斜切角度，实现对杆件垂直角β的调节；通过调节上拓扑环(1)和下拓扑环(2)上螺栓孔的相对位置，实现对杆件扭转角γ的调节。

下面对本发明双拓扑环节点的加工及装配过程进行说明：

1.根据工程具体情况，对单层空间网格结构进行设计，确定节点的受力情况，确定节点形式为实施例一或者实施例二以及杆件的规格；

2.根据第一步的数据，进一步计算出中心拓扑环、连接件及高强螺栓的尺寸，确定高强螺栓的性能等级及钢材的牌号。其中，连接件与杆件尺寸相同。

3.根据第二步的数据，在工厂完成各构件的加工及焊接。其中，高强螺栓穿过连接件一，对螺母和连接件一进行焊接，连接件一焊有螺母的一面再与主要杆件焊接。连接件二、高强螺栓和次要杆件以同样地方式进行焊接。加工时要考虑到各构件安装时所需的间隙。

4.将在工厂加工好的各构件运输到现场，实施例一先装配主要杆件部分，将连接件一上的两螺栓分别穿过上、下拓扑环，在拓扑环内部，用螺帽将螺栓拧紧。再将连接件二上的螺栓穿过上拓扑环，在拓扑环内部，用螺帽将螺栓拧紧。实施例二则只需拧紧主要杆件和上、下拓扑环的高强螺栓。

5.施工时，建议根据具体单层空间网格结构的跨度和造型来选择安装方式。可采用高空分块安装法，采用少量脚手架，把在地面上已组装好的小块网格吊装到设计标高就位，然后与相邻的小块网格连接成整体。亦可采用高空累积滑移法，在网格一端高空组装一段网格，滑移后让出该段网格的组装平台，便可组装第二段网格并与第一段网格连成整体，在高空滑移一段距离，再组装一段网格，如此重复，直至组装最后一段网格，即完成整个网格结构的安装工作。

本发明中所述实施例仅为本发明的优选实施方式，并非用来限定本发明的实施范围。应当指出：凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与改进润饰，都应作为本发明的技术范畴及保护范围。

Claims (8)

1.一种应用于装配式网格结构的双拓扑环节点，其特征在于，包括：上拓扑环(1)、下拓扑环(2)、杆件、连接件、高强螺栓(7)；其中，上拓扑环(1)、下拓扑环(2)位于节点中部，连接件焊接于杆件内端，上、下拓扑环和连接件均设有螺栓孔，通过高强螺栓(7)将杆件与拓扑环进行连接，所述杆件的数量决定中心拓扑环的外径以及削切边数量，削切宽度与杆件的宽度相同；上、下拓扑环中心开设圆形孔洞，圆形孔洞外周呈对称地设置镂空孔洞。

2.根据权利要求1所述的装配式网格结构双拓扑环节点，其特征在于，所述杆件是主要杆件(3)，同时连接于上、下拓扑环，构建的是杆件受力均匀的单层空间网格结构。

3.根据权利要求1所述的装配式网格结构双拓扑环节点，其特征在于，所述杆件是主要杆件(3)以及次要杆件(4)，其中，主要杆件(3)同时连接于上下拓扑环，次要杆件(4)连接于仅上拓扑环(1)。

4.根据权利要求3所述的装配式网格结构双拓扑环节点，其特征在于，镂空孔洞是镂空孔洞四(18)，镂空孔洞五(19)；镂空孔洞四(18)沿拓扑环外周均匀分布，共有6个；镂空孔洞五(19)沿拓扑环内周均匀分布，共有6个；上、下拓扑环的镂空孔洞四(18)的外周壁上开设有一个螺栓孔一(8)；所述镂空孔洞边界均由直线和圆弧线构成，镂空孔洞四(18)为等腰梯形形状，中轴线与等腰梯形的中垂线对齐，镂空孔洞五(19)等边三角形形状，中轴线与等边三角形的中垂线对齐，镂空孔洞四18和镂空孔洞五19是由外接多边形进行倒角和线条处理得到的。

5.根据权利要求4所述的装配式网格结构双拓扑环节点，其特征在于，所述的镂空孔洞是镂空孔洞一(12)、镂空孔洞二(13)和镂空孔洞三(14)；镂空孔洞一在拓扑环与次要杆件连接部位对称分布，共2个；每个镂空孔洞一(12)的两侧对称设有镂空孔洞二(13)，相邻两镂空孔洞二(13)之间设有镂空孔洞三(14)；上拓扑环的镂空孔洞一(12)的外周壁上开设有一个螺栓孔一(8)，上、下拓扑环的镂空孔洞二(13)的外周壁上均开设有一个螺栓孔一(8)；所有镂空孔洞边界均由直线和圆弧线构成，镂空孔洞一(12)为等边三角形形状，中轴线与等边三角形的中垂线对齐；镂空孔洞三(14)为等腰梯形形状，中轴线与等腰梯形的中垂线对齐，镂空孔洞一(12)和镂空孔洞三(14)是由外接多边形进行倒角和线条处理得到的；镂空孔洞二(13)位于镂空孔洞一(12)和镂空孔洞三(14)之间，其边界与相邻孔洞的边界平行。

6.根据权利要求1-3所述的装配式网格结构双拓扑环节点，其特征在于，所述杆件为方钢管，连接件为矩形钢板，其尺寸对应杆件的截面尺寸，同时考虑围焊的焊缝尺寸；所述高强螺栓(7)与连接件点焊连接，再将连接件与杆件围焊连接，最后将高强螺栓(7)与上、下拓扑环(1,2)连接。

7.根据权利要求1-3所述的装配式网格结构双拓扑环节点，其特征在于，上拓扑环和下拓扑环的整体结构是基于商用软件HYPERWORKS平台，利用拓扑优化原理，以节点应变能最小为目标函数，以体积分数比为约束函数，以连续体结构变密度法为优化算法，采用SIMP材料差值模型，以单元“单元密度”作为设计变量经过迭代优化而来；

拓扑优化模型可以表示为：

目标函数：

约束函数：

KU＝F,0＜x_min≤x_e≤1

其中C为结构应变能，F为力向量，U为位移矩阵，K为结构总体刚度矩阵，V₀为整个设计域的初始体积，f为优化体积比，V是结构优化后的结构体积，v_e为优化后的单元体积，x为材料密度，x_e为单元材料密度，x_min是单元材料密度最小极限值，p为惩罚因子，N为结构离散单元总数；

上、下拓扑环的结构形式主要通过所述“单元密度”与节点的材料弹性模量之间的函数关系优化得出，且所述函数关系为：

E(x_e)＝(x_e)^pE₀

其中，E为单元优化后弹性模量，E₀为初始弹性模量

基于SIMP的优化设计迭代公式如下：

其中优化设计准则

η为阻尼系数，

x_e为单元材料密度，且x_e在0～1之间连续取值，程序优化后单元材料密度x_e为[0.5，1]时保留该单元处材料，单元材料密度x_e为[0，0.5)时删除该单元处材料。

8.根据权利要求1所述的装配式网格结构双拓扑环节点，其特征在于，调节方式如下：通过对上、下拓扑环的形状设计，满足杆件水平角α的要求；通过控制杆件斜切角度，实现对杆件垂直角β的调节；通过调节上拓扑环(1)和下拓扑环(2)上螺栓孔的相对位置，实现对杆件扭转角γ的调节。

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