CN113309241A - 一种碳纤维平行板索平面交汇节点构造及索撑连接体系 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维平行板索平面交汇节点构造，包括：碳纤维拉索(1)、拉索连接节点(2)和销轴(3)，碳纤维拉索(1)与拉索连接节点(2)采用销轴(3)连接；碳纤维拉索(1)为多层平行的碳纤维板，碳纤维板所在平面与销轴(3)的轴线方向垂直；拉索连接节点(2)由碳纤维环箍(21)和劲性内芯(22)组成。本发明碳纤维拉索在节点处采用销轴连接可以使碳纤维拉索仅承受轴向拉力，不在节点处发生弯折和承受局部荷载；拉索两端销轴轴线方向与拉索碳纤维板所在平面垂直可以保证碳纤维板不承受平面内的弯矩和剪力；通过在节点外边缘设置碳纤维环箍改变节点的传力机理，同时金属内芯能够有效降低节点重量，提升结构效率。
Description
技术领域
本发明涉及建筑结构技术领域，具体而言，涉及一种碳纤维平行板索平面交汇节点构造及索撑连接体系。
背景技术
碳纤维复合材料抗拉强度高、耐腐蚀、抗疲劳性能好、温度效应低，但是抗剪强度较弱，若采用与钢拉索类似的节点构造使碳纤维拉索的索体在节点处不间断，会造成碳纤维平行板索在其平面内承受剪力、弯矩或节点处集中力的作用，对碳纤维拉索的受力造成不利影响。
碳纤维复合材料拉索具有很高材料强度，传统的拉索节点通常整体铸造或由钢板焊接而成，铸钢和钢板的材料强度远小于拉索材料的强度，为了满足节点强度要求，就会造成节点的体积和重量远大于拉索索体。节点体积过大会影响预应力空间结构轻盈纤细的建筑效果，节点重量过大会增加结构的负担，也会增加施工的难度。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种碳纤维平行板索平面交汇节点构造及索撑连接体系，可以使碳纤维拉索仅承受轴向拉力，不在节点处发生弯折和承受局部荷载，保证碳纤维板不承受平面内的弯矩和剪力；改变节点的传力机理，节点受力更合理，有效降低节点重量，提升结构效率。
本发明是这样实现的：
本发明首先提供一种碳纤维平行板索平面交汇节点构造，包括：碳纤维拉索1、拉索连接节点2和销轴3，其中：
所述碳纤维拉索1与拉索连接节点2采用销轴3连接；
所述碳纤维拉索1为多层平行的碳纤维板，碳纤维板所在平面与销轴3的轴线方向垂直；
所述拉索连接节点2由碳纤维环箍21和劲性内芯22组成，碳纤维环箍21在劲性内芯22的外侧包裹劲性内芯22。
在一个改进例中，所述碳纤维环箍21由单向碳纤维预浸料在劲性内芯22外侧多层缠绕，形成围绕劲性内芯22外侧的闭合环。通过碳纤维多层缠绕，并形成闭合环，能够改善整个节点的受力机理，提供更高的抗拉强度。
在一个改进例中，所述碳纤维环箍21的纤维方向与闭合环所在的平面平行。设计碳纤维长度方向与节点主要受拉方向一致，使碳纤维抗拉强度高的特点能够充分发挥，充分利用碳纤维抗拉强度高的特点，使得碳纤维环箍获得足够的强度储备。
在一个改进例中，所述劲性内芯22为金属内芯，由翼缘板221和腹板222组成，腹板222位于碳纤维拉索1轴线相交形成的平面内，腹板222上开有销轴孔，腹板222所在平面垂直于销轴3的轴线，所述碳纤维环箍21围绕翼缘板221并紧贴翼缘板221的外表面设置。本发明金属内芯能够提供较高的节点连接强度，更好的受力截面，更高的材料利用率，从而能够使得节点体积更小，重量更轻，与拉索构件比例更协调，更利于结构受力和建筑美观。
在一个改进例中，所述翼缘板221垂直于腹板222，并且围绕腹板222四周闭合设置。周圈垂直且闭合的翼缘板能够提供更高的截面抗拉强度，且较宽的翼缘板能为碳纤维环箍的铺设和粘贴提供空间，也保证了节点在平面外的稳定。
在一个改进例中，所述金属内芯材料为钢材或铝合金，由板件拼接而成或整体铸造成型。金属内芯可拼接可整体铸造，工艺灵活。
本发明还提供一种碳纤维平行板索平面交汇索撑连接体系，包括前述的碳纤维平行板索平面交汇节点构造，还包括至少一根撑杆4，所述撑杆4与拉索连接节点2采用销轴3连接。
在一个改进例中，所述拉索连接节点2还具有撑杆连接耳板23，两块撑杆连接耳板23所在的平面与腹板222所在的平面平行，长度沿撑杆4的轴线，在腹板222两侧对称地焊接于所述翼缘板221上。借助撑杆连接耳板连接撑杆，避免撑杆直接对腹板产生挤压力，也无需增加腹板厚度和节点整体重量，对节点整体重量影响较小，撑杆在节点处的连接更牢固，受力更合理。
在一个改进例中，所述拉索连接节点2还具有竖向加劲肋24，在腹板222两侧竖向加劲肋24将撑杆连接耳板23与腹板222焊接连接。通过设置竖向加劲肋，使得撑杆连接耳板同时与翼缘板和腹板焊接固定，撑杆连接耳板受力时同时作用在翼缘板和腹板上，使得撑杆连接耳板结构更牢固，稳定性更好。
本发明又提供一种碳纤维平行板索平面交汇索撑连接体系的施工工艺，包括如下步骤：
步骤一，根据交汇拉索的数量、角度和受力确定金属内芯的形状、尺寸、销轴孔的位置，以及撑杆连接耳板的尺寸、焊接位置；
步骤二，根据设计的形状、尺寸拼接或整体铸造金属内芯；
步骤三，在金属内芯上按照设计位置焊接撑杆连接耳板；
步骤四，在金属内芯的翼缘板外侧依次层叠缠绕碳纤维预浸料，碳纤维最内层与金属内芯、各层碳纤维之间均需紧密粘接；
步骤五，碳纤维铺设到预定厚度后，对多层碳纤维进行固化处理，最终形成碳纤维环箍；
步骤六，采用销轴将碳纤维拉索与金属内芯连接，采用销轴将撑杆与撑杆连接耳板，形成碳纤维平行板索平面交汇索撑连接体系。
与现有技术相比，本发明提供的碳纤维平行板索平面交汇节点构造及索撑连接体系具有以下优势：
(1)本发明碳纤维拉索在节点处采用销轴与节点连接可以使碳纤维拉索仅承受轴向拉力，不在节点处发生弯折和承受局部荷载。
(2)拉索两端销轴轴线方向与拉索碳纤维板所在平面垂直可以保证碳纤维板不承受平面内的弯矩和剪力。
(3)本发明通过在节点外边缘设置碳纤维环箍改变节点的传力机理，环箍在节点周圈形成自平衡闭环，拉索的拉力主要由环箍传递，能够充分发挥碳纤维抗拉强度高的特点；同时金属内芯的受力与传统节点形式相比大幅减小，减少钢材用量，能够有效减低节点重量，提升结构效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。
图1是一种实施方式碳纤维平行板索平面交汇索撑连接体系示意图；
图2是一种实施方式碳纤维平行板索平面交汇节点构造示意图；
图3是图2的A-A剖面示意图；
图4是图2的B-B剖面示意图；
图5是图2的C-C剖面示意图；
图6是图2的D-D剖面示意图；
图7是图2的局部俯视示意图；
图8是现有技术中碳纤维板索(销轴与碳纤维板垂直)俯视示意图；
图9是图8的主视示意图；
图10是工字型截面形成示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。
以下结合较佳的实施方式对本发明的实现进行详细的描述。
如图1，本发明首先提供的一种碳纤维平行板索平面交汇节点构造，包括：碳纤维拉索1、拉索连接节点2和销轴3，下面结合附图对各构件的具体结构以及相互连接关系进行详细阐述。
参见图1，碳纤维拉索1与拉索连接节点2采用销轴3连接；碳纤维拉索在节点处采用销轴与节点连接可以使碳纤维拉索仅承受轴向拉力，不在节点处发生弯折和承受局部荷载。
本发明碳纤维拉索1索体为多层平行的碳纤维板，碳纤维板所在平面与销轴3的轴线方向垂直；
分析碳纤维拉索在节点处的受力，当销轴的轴线与碳纤维板所在平面垂直时，如图8-9所示，拉索两端的销轴在碳纤维板平面内发生位移时，碳纤维板相当于简支梁，碳纤维板不承受平面内的弯矩和剪力。当拉索两端销轴发生相对转动，即两销轴不再平行时，或沿销轴轴线方向发生相对位移时，拉索在碳纤维板平面外发生弯曲，由于碳纤维板在平面外刚度小，比较柔，在发生平面外弯曲时，相同的变形引起的应力比较小，故不容易造成拉索破坏。
因此，本发明设计拉索的碳纤维板所在平面与销轴的轴线垂直，以避免碳纤维板因承受弯矩和剪力而破坏。
参见图2，拉索连接节点2由碳纤维环箍21和劲性内芯22组成，碳纤维环箍21在劲性内芯22的外侧包裹劲性内芯22。
传统纯钢节点中，连接板端部与销轴接触处的局部承压和剪切破坏是较常见的破坏模式。为了满足局部承压和抗剪需求，通常节点会采用较厚的钢板，而在远离销轴孔的位置全截面抗拉强度会有较大富余，造成了材料的浪费。此外，纯钢节点通常采用铸钢或钢板焊接而成，其材料强度仅为碳纤维拉索材料强度的1/6～1/4，造成节点体积与重量与拉索构件不成比例，不利于结构受力和建筑美观。
若在连接板外侧粘贴高强度材料(如CFRP等)，会限制连接板端部向外变形的趋势，减小连接板端部所受剪力，销轴孔所需的边距也会减小，这样就可以在保持材料用量不变甚至减少的情况下，通过继续加厚连接板周圈的高强度材料来满足局部承压强度。
鉴于此，本发明通过在节点外边缘设置碳纤维环箍改变节点的传力机理，环箍在节点周圈形成自平衡闭环，拉索的拉力主要由环箍传递，能够充分发挥碳纤维抗拉强度高的特点；并且如此设置能够使得节点构件的劲性内芯受力与传统节点形式相比大幅减小，从而可以减少材料用量，有效减低节点重量，提升结构效率。
在一个实施例中，碳纤维环箍21由单向碳纤维预浸料在劲性内芯22外侧多层缠绕，形成围绕劲性内芯22外侧的闭合环。通过碳纤维多层缠绕，并形成闭合环，能够改善整个节点的受力机理，提供更高的抗拉强度。
在一个实施例中，碳纤维环箍21的纤维方向与闭合环所在的平面平行，设计碳纤维长度方向与节点主要受拉方向一致，使碳纤维抗拉强度高的特点能够充分发挥，充分利用碳纤维抗拉强度高的特点，使得碳纤维环箍获得足够的强度储备。
如前所述，若在连接板外侧粘贴高强度材料(如CFRP等)，在远离销轴孔的位置由于加入了抗拉强度高的CFRP材料，抗拉强度进一步提升，可以通过减小中部板件厚度来减轻重量，而在边缘处为了方便CFRP环箍粘贴仍需保留较宽的翼缘，相当于在一块较厚的钢板的中部挖去部分材料，形成工字型的截面(图10)，如能够提供较为合理的连接板截面形式。
因此，在一个实施例中，如图3所示，劲性内芯22为金属内芯，由翼缘板221和腹板222组成，腹板222位于碳纤维拉索1轴线相交形成的平面内，腹板222上开有销轴孔，腹板222所在平面垂直于销轴3的轴线，碳纤维环箍21围绕翼缘板221并紧贴翼缘板221的外表面设置。
通过设计劲性内芯22由翼缘板221和腹板222组成，结合外包碳纤维环箍21，既能够提供较高的节点连接强度，更好的受力截面，更高的材料利用率，从而能够使得节点体积更小，重量更轻，与拉索构件比例更协调，更利于结构受力和建筑美观。
再参见图2、3、6，本发明翼缘板221垂直于腹板222，并且翼缘板221围绕腹板222四周闭合设置。劲性内芯22不是普通的工字钢截面内芯，其在腹板222四周均设置有翼缘板221，并且翼缘板221围绕腹板222四周形成闭合，周圈垂直且闭合的翼缘板能够提供更高的截面抗拉强度，且较宽的翼缘板能为碳纤维环箍的铺设和粘贴提供空间，也保证了节点在平面外的稳定。
较佳的，金属内芯材料为钢材或铝合金，由板件拼接而成或整体铸造成型。钢材强度高，铝合金重量轻，金属内芯可拼接可整体铸造，工艺灵活。
本发明在碳纤维平行板索平面交汇节点构造的基础上提供一种碳纤维平行板索平面交汇索撑连接体系，包括前述的碳纤维平行板索平面交汇节点构造，还包括撑杆4，如图1所示，撑杆4与拉索连接节点2也采用销轴3连接。撑杆4采用销轴与节点连接仅承受轴向拉力，不在节点处发生弯折和承受局部荷载。
若将撑杆4直接连接在节点腹板上，当撑杆受力较大时，由于撑杆为受压构件，其对节点腹板会产生挤压作用(与拉索作用的方向相反)，此时需要加厚腹板和增加加劲肋，这将增加节点的重量。
因此，在一个实施例中，拉索连接节点2还具有撑杆连接耳板23，两块撑杆连接耳板23所在的平面与腹板222所在的平面平行，长度沿撑杆4的轴线，参见图2、4，撑杆连接耳板23用于连接撑杆4。
此时若采用与拉索相同的方式将撑杆连接耳板23直接通过销轴连接在腹板上，则需要在腹板上开孔，并且需要采用在撑杆端部设置双耳板的方式连接，双耳板的间距需要大于翼缘板的宽度。撑杆受力相对拉索小，截面也相应较小，甚至有可能小于翼缘板宽度，此时双耳板与撑杆的连接较难实现。鉴于此，本发明将撑杆连接耳板23在腹板222两侧对称地焊接于翼缘板221上，解决了其连接和受力的问题，借助撑杆连接耳板连接撑杆，避免撑杆直接对腹板产生挤压力，也无需增加腹板厚度和节点整体重量，对节点整体重量影响较小，撑杆在节点处的连接更牢固，受力更合理。
继续参见图5、7，较佳的，拉索连接节点2还具有竖向加劲肋24，在腹板222两侧竖向加劲肋24将撑杆连接耳板23与腹板222焊接连接。通过设置竖向加劲肋24，本发明的竖向加劲肋24焊接在撑杆连接耳板23的边缘，如此使得撑杆连接耳板23上部和下部分别与翼缘板221焊接固定，撑杆连接耳板23两侧分别与腹板222焊接固定，即撑杆连接耳板23受力时同时作用在翼缘板221和腹板222上，使得撑杆连接耳板23结构更牢固，稳定性更好。
本发明的碳纤维平行板索平面交汇索撑连接体系的施工工艺为：
步骤一，根据交汇拉索的数量、角度和受力确定金属内芯的形状、尺寸、销轴孔的位置，以及撑杆连接耳板的尺寸、焊接位置；
步骤二，根据设计的形状、尺寸拼接或整体铸造金属内芯；
步骤三，在金属内芯上按照设计位置焊接撑杆连接耳板；
步骤四，在金属内芯的翼缘板外侧依次层叠缠绕碳纤维预浸料，碳纤维最内层与金属内芯、各层碳纤维之间均需紧密粘接；
步骤五，碳纤维铺设到预定厚度后，对多层碳纤维进行固化处理，最终形成碳纤维环箍；
步骤六，采用销轴将碳纤维拉索与金属内芯连接，采用销轴将撑杆与撑杆连接耳板，形成碳纤维平行板索平面交汇索撑连接体系。
节点的形状可以根据连接拉索的受力和角度优化确定，能够进一步减少节点的重量，使得上述施工工艺方便、可行；碳纤维通过与金属内芯之间的粘接以及各层碳纤维之间的粘接形成能够协同工作的受力整体，节点的形状、尺寸以及受力更合理。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种碳纤维平行板索平面交汇节点构造，包括：碳纤维拉索(1)、拉索连接节点(2)和销轴(3)，其中：
所述碳纤维拉索(1)与拉索连接节点(2)采用销轴(3)连接；
所述碳纤维拉索(1)为多层平行的碳纤维板，碳纤维板所在平面与销轴(3)的轴线方向垂直；
所述拉索连接节点(2)由碳纤维环箍(21)和劲性内芯(22)组成，碳纤维环箍(21)在劲性内芯(22)的外侧包裹劲性内芯(22)。
2.根据权利要求1所述的碳纤维平行板索平面交汇节点构造，其特征在于，所述碳纤维环箍(21)由单向碳纤维预浸料在劲性内芯(22)外侧多层缠绕，形成围绕劲性内芯(22)外侧的闭合环。
3.根据权利要求2所述的碳纤维平行板索平面交汇节点构造，其特征在于，所述碳纤维环箍(21)的纤维方向与闭合环所在的平面平行。
4.根据权利要求1-3任一项所述的碳纤维平行板索平面交汇节点构造，其特征在于，所述劲性内芯(22)为金属内芯，由翼缘板(221)和腹板(222)组成，腹板(222)位于碳纤维拉索(1)轴线相交形成的平面内，腹板(222)上开有销轴孔，腹板(222)所在平面垂直于销轴(3)的轴线，所述碳纤维环箍(21)围绕翼缘板(221)并紧贴翼缘板(221)的外表面设置。
5.根据权利要求4所述的碳纤维平行板索平面交汇节点构造，其特征在于，所述翼缘板(221)垂直于腹板(222)，并且围绕腹板(222)四周闭合设置。
6.根据权利要求4所述的碳纤维平行板索平面交汇节点构造，其特征在于，所述金属内芯材料为钢材或铝合金，由板件拼接而成或整体铸造成型。
7.一种碳纤维平行板索平面交汇索撑连接体系，采用权利要求1-6任一项所述的碳纤维连接节点，还包括至少一根撑杆(4)，所述撑杆(4)与拉索连接节点(2)采用销轴(3)连接。
8.根据权利要求7所述的索撑连接体系，其特征在于，所述拉索连接节点(2)还具有撑杆连接耳板(23)，两块撑杆连接耳板(23)所在的平面与腹板(222)所在的平面平行，长度沿撑杆(4)的轴线，在腹板(222)两侧对称地焊接于所述翼缘板(221)上。
9.根据权利要求8所述的索撑连接体系，其特征在于，所述拉索连接节点(2)还具有竖向加劲肋(24)，在腹板(222)两侧竖向加劲肋(24)将撑杆连接耳板(23)与腹板(222)焊接连接。
10.一种根据权利要求7-9任一项所述的索撑连接体系的施工工艺，包括如下步骤：
步骤一，根据交汇拉索的数量、角度和受力确定金属内芯的形状、尺寸、销轴孔的位置，以及撑杆连接耳板的尺寸、焊接位置；
步骤二，根据设计的形状、尺寸拼接或整体铸造金属内芯；
步骤三，在金属内芯上按照设计位置焊接撑杆连接耳板；
步骤四，在金属内芯的翼缘板外侧依次层叠缠绕碳纤维预浸料，碳纤维最内层与金属内芯、各层碳纤维之间均需紧密粘接；
步骤五，碳纤维铺设到预定厚度后，对多层碳纤维进行固化处理，最终形成碳纤维环箍；
步骤六，采用销轴将碳纤维拉索与金属内芯连接，采用销轴将撑杆与撑杆连接耳板，形成碳纤维平行板索平面交汇索撑连接体系。
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