CN115897799B - 一种建筑美观及结构功能一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节点及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建筑美观及结构功能一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节点及其安装方法，包括：上下层模块柱、顶底板模块梁和自锁式内套筒。上下层模块柱由方钢管和自锁嵌入头组成，自锁嵌入头由膨胀管及其端板组成。自锁式内套筒由套管、自锁插入头和封板组成，自锁插入头由插头及其端板组成。内套筒的封板设有插孔。十字形和井字形节点设置抗剪键。各部件预制得到，拼装时，膨胀管穿过内套筒封板，在自重下可使自锁插头插入膨胀管，使节点自锁。节点能保证模块建筑外观平整性、模块的完整性及更高的施工效率。同时，内套筒的设置使节点具有更高的承载力。本发明还提供了该新型拓扑内套筒自锁式节点刚度及承载力的计算及结构优化方法。

Description

一种建筑美观及结构功能一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节 点及其安装方法

技术领域

本发明涉及模块化建筑技术领域，具体是一种建筑美观及结构功能一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节点及其安装方法。

背景技术

装配式钢结构是工业化建筑领域中的一个主流方向，模块化钢结构建筑是装配式钢结构中的一个新兴的研究热点。模块化建筑是将房屋按照功能需求等因素划分为若干个箱式模块，采用工厂预制、现场拼装的方式进行建造的建筑。因而模块化钢结构建筑具有生产周期较短、产品质量较高、施工效率高及绿色环保等优点，在建筑工业化进程中具有巨大的发展潜力。由于模块化建筑是由若干箱式单元拼装而成，其连接节点的重要程度不言而喻。连接节点需要较高的承载力和施工效率，以及尽可能的不破坏箱式单元的维护结构。然而传统的钢结构连接方式一般为螺栓连接和焊接，其需要一定的施工空间，且施工效率较低。为提供一定的施工操作空间，则必然需要拆除箱式单元的部分维护结构，破坏箱式单元的完整性，并需要在节点连接完毕后补齐箱式单元的墙体，影响施工效率。而模块化建筑强调的就是建造效率，传统的连接方式难以满足这一要求。因此，需要研发一种不需要操作空间和高效率的连接方式，即具有自锁功能的连接节点。目前，部分学者([1]中国矿业大学.一种自锁式的模块化钢结构连接节点:CN202111516553.9[P].2022-03-11.[2]天津大学.一种滑块式模块建筑自锁连接节点:CN202020180989.X[P].2021-02-05.[3]天津大学.一种锁舌式模块建筑自锁连接节点:CN202020180983.2[P].2021-02-05.[4]天津大学.一种可解锁的模块化钢结构插入自锁式节点:CN201710638189.0[P].2017-11-10.)已经研发出一些自锁式连接装置，但存在承载能力较低、构造复杂和造价较高等缺点。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种建筑美观及结构功能一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节点及其安装方法，利用膨胀管及插头，实现节点自锁；采用拓扑内套筒连接，可提高连接节点的承载力；节点构造简单、传力明确、且承载力和可靠度高。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

一种建筑美观及结构功能一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节点，包括：上下层模块柱、顶底板模块梁和自锁式内套筒。

所述上下层模块柱由方钢管和自锁嵌入头组成，其中自锁嵌入头由膨胀管及其端板焊接组成。

进一步地，方钢管的尺寸由结构整体计算得到。结构整体计算中，钢结构节点可假设成刚性节点。待连接节点设计完毕，考虑钢结构节点半刚性的影响重新进行整体计算，依此反复调整方钢管设计尺寸。

进一步地，自锁式嵌入头由膨胀管和端板焊接组成，端板焊接在模块柱内部。膨胀管为开若干切口的圆形钢筒，以便其能顺利胀开，使得膨胀管和内套筒封板卡住，以使得内套筒与模块柱连接固定。此外，膨胀管远离端板侧设置斜面，且所开斜面的坡度小于插头和膨胀管之间的摩擦角，这可使得插头得以顺利插入，迫使膨胀管胀开。端板提供膨胀管所需的拉压反力，并具有加劲模块柱方钢管的作用。

进一步地，膨胀管的尺寸及个数由设计所需提供的拉力决定，其端板的厚度由所需提供的拉力及焊接条件决定，亦可与模块化柱壁厚一致。

所述自锁式内套筒由套管、自锁插入头和封板组成，其中自锁插入头由插头及端板焊接组成。此外，内套筒的封板设有插孔。

进一步地，套管的壁厚略大于模块化柱的壁厚，以保证上下模块柱之间传力。自锁插入头的插头焊接在其端板上，且为保证插头顺利插入膨胀管，插头端部设置成圆台状，并且其圆锥面与插头轴线之间的夹角小于插头和膨胀管之间的摩擦角。自锁插入头的端板厚度和封板厚度由设计所需提供的压力和焊接条件决定，亦可与内套筒壁厚一致。

对于十字形节点，设置抗剪键以连接左右模块并抵抗水平剪力。所述抗剪键截面为日字形，并与模块柱相贴合，以保证建筑外观的平整性。

进一步地，所述抗剪键高度及尺寸根据加工、抗剪能力需求和模块柱尺寸所确定。抗剪键平面尺寸与左右模块柱合并的截面一致。

所述钢结构节点同样适用于八个箱式单元之间的拼装，仅需改变抗剪键的截面尺寸。

上述各部件由工厂预制，产品运输至现场拼接。施工时，先安装固定下层箱式单元，然后插入自锁式内套筒。在自重的作用下，下层模块柱内的插头将部分插入内套筒中的膨胀管，可起到定位导向的作用。接着，吊装上层箱式单元，在自重的作用下，上下层模块柱中的自锁式插头将插入内套筒中的上下侧膨胀管。至此，不需要螺栓，也不需要焊接，仅在自重下，自锁式内套筒就将上下层箱式单元连接在一起。

上述提出的拓扑自锁式内套筒根据拓扑优化得到。自锁嵌入头端板、自锁式内套筒的周边板件及封板和自锁插入头端板是基于有限元商业软件ABAQUS，根据拓扑优化原理，以板件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“单元密度”作为设计变量经过迭代优化而来；

有限元拓扑优化模型可表示为：

(1)目标函数：

(2)约束函数：

(3)内套筒各板件的结构形式主要通过所述“单元密度”与板件的材料弹性模量之间的函数关系优化得出，且该函数关系为：

E(ρ_e)＝(ρ_e)^pE₀

上述函数中，P＝KU，0＜ρ_min≤ρ_e≤1

(4)基于SIMP的优化设计迭代公式如下：

式中，C为结构应变能；P为力向量；U为位移矩阵；K为结构总体刚度矩阵；U^T为位移转置矩阵；V₀为整个设计域的初始体积；w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；ρ_e为单元材料密度，ρ_min是单元材料密度最小极限值，且ρ_e在0～1之间连续取值，程序优化后单元材料密度位于[0.5,1]时保留该单元处材料，单元材料密度位于[0，0.5)时则删除该单元处材料；p为惩罚因子；n为结构离散单元总数；E为单元优化后弹性模量；E₀为初始弹性模量；优化设计准则λ为拉格朗日乘子；ξ为阻尼系数，目的是确保数值迭代计算的稳定性和收敛性。

上述提出的拓扑内套筒自锁式节点可采用结构力学和材料力学的方法对节点刚度和承载力进行推导。将梁端视为自由端，上下柱视为铰接，在梁端作用荷载_p，可得如下结果。

上式中，I_b,f和I_b,c分别为顶底板梁的惯性矩，l为梁的计算长度，M₁和M₂分别为顶底板梁的根部弯矩，M₀为内套筒分配得到的弯矩，k₀为内套筒提供的抗弯刚度，I_c为模块柱的惯性矩，H为模块柱的计算高度，M₃和M₄分别为模块柱根部弯矩，Δ为梁端位移，θ为模块梁转角，I_in为内套筒的惯性矩，l_in为内套筒的长度，K为连接节点的抗弯刚度，M为梁根部总弯矩。

所述节点的梁端抗弯承载如下：

M_p,b＝M_p,b,f+M_p,b,c

式中，M为极限塑性抗弯承载力，M_p,b,f为底板极限塑性抗弯承载力，M_p,b,c为顶板极限塑性抗弯弯矩，M_p,b为模块化梁总的塑性抗弯承载力，σ_y为钢材屈服强度，_y为截面竖向坐标，b(y)为截面竖向坐标对应的截面面积宽度，h为截面高度。

所述节点的抗剪承载如下式：

F＝τ_uA_s

式中，τ_u为钢材抗剪强度，A_s为套筒的抗剪截面面积。

有益效果：

(1)本发明提供了一种模块化建筑连接节点—建筑美观及结构功能一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节点，是在自重作用下，利用插头插入膨胀管，实现节点自锁功能，避免了传统的螺栓连接或者焊接，保证了模块建筑外观平整性、箱式模块的完整性，且提高了施工效率。

(2)内套筒由自锁式插头、自锁式插头端板和内套筒封板组成，内套筒经过拓扑优化，保证精度和质量，且材料更省、力学性能更佳，给连接节点提供了更高的承载力，使上、下模块柱的连接更加牢靠。自锁式插头和膨胀管的端板具有提高钢管抵抗局部屈曲的能力，可进一步增强节点的可靠性和提高承载能力。

(3)本发明构造简单，拓扑自锁式内套筒的自锁式插头、自锁式插头端板和内套筒封板分可铸造及焊接拼接，于工厂预制，避免使用各种弹簧装置，简化了以往自锁式节点构造的复杂性、降低了模块化建筑的现场拼装作业量，显著提高施工效率，可靠度高，造价低。

(4)有限元结果计算表明，插头插入膨胀管所需作用力较小，而膨胀管拔出所需的作用力为插入力的数倍，保证自锁的可靠性，因此，本发明具有更高的承载力和可靠度，同时集建筑美观性和结构功能于一体化，在模块化建筑领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明T形连接节点示意图；

图2为本发明十字形连接节点示意图；

图3为本发明八箱体连接节点(井字形节点)示意图；

图4为本发明自锁式内套筒示意图；

图5为本发明带自锁式嵌入头的模块化梁柱示意图；

图6为本发明自锁式装置示意图；(a)插入前、(b)插入后；

图7为本发明理论计算示意图；

图8为本发明有限元计算结果；(a)插入应力云图、(b)拔出应力云图、(c)反力-位移图。

其中，1为箱式单元地板梁，2为箱式单元天花板梁，3为上层模块柱，4为下层模块柱，5为膨胀管端板，6为膨胀管，7为自锁式插头，8为自锁式插头端板，9为自锁式内套筒，10为内套筒封板，11为节点抗剪键。

具体实施方式

下面结合附图通过具体实施例对本发明作更为详细的描述，以下实施例仅是描述性的，是非定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

实施例1

如图1、图2和图3所示，一种建筑美观及结构功能一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节点，属于模块化建筑领域，节点共由11部分组成，包括箱式单元地板梁1，箱式单元天花板梁2，模块柱(上层模块柱3、下层模块柱4)，膨胀管端板5，膨胀管6，自锁式插头7，自锁式插头端板8，自锁式内套筒9，内套筒封板10，节点抗剪键11。其中，抗剪键11是针对于连接四个箱式单元的十字形节点(图2)和连接八个箱式单元(图3)的井字形节点所设置的，其截面尺寸由节点类型决定。

图4为本发明自锁式内套筒示意图、图5为本发明带自锁式插头的模块化梁柱示意图。如图4和图5所示。自锁式内套筒由自锁式插头7、自锁式插头端板8和内套筒封板10组成；这几部分可铸造及焊接拼接，于工厂预制，以保证精度和质量。膨胀管端板5和膨胀管6组成自锁式嵌入头，自锁式嵌入头焊接在上层模块柱3和4方钢管内。

图6为本发明自锁式装置示意图，如图6所示，拼装时，首先将自锁式内套筒对准设置有自锁式嵌入头的模块柱。接着，在自重荷载下，膨胀管6穿过内套筒封板10，然后被自锁式插头7插入。最终，膨胀管胀开，卡住内套筒封板10，将内套筒与模块柱连接在一起。

如图7所示，根据该简化计算图，对节点刚度和承载力的计算公式进行推导。得到如下结果：

将梁端视为自由端，上下柱视为铰接，在梁端作用荷载_p，可得如下结果。

上式中，I_b,f和I_b,c分别为顶底板梁的惯性矩，l为梁的计算长度，M₁和M₂分别为顶底板梁的根部弯矩，M₀为内套筒分配得到的弯矩，k₀为内套筒提供的抗弯刚度，I_c为模块柱的惯性矩，H为模块柱的计算高度，M₃和M₄分别为模块柱根部弯矩，Δ为梁端位移，θ为模块梁转角，I_in为内套筒的惯性矩，l_in为内套筒的长度，K为连接节点的抗弯刚度，M为梁根部总弯矩。

所述节点的梁端抗弯承载力如下：

M_p,b＝M_p,b,f+M_p,b,c

式中，M为极限塑性抗弯承载力，M_p,b,f为底板极限塑性抗弯承载力，M_p,b,c为顶板极限塑性抗弯弯矩，M_p,b为模块化梁总的塑性抗弯承载力，σ_y为钢材屈服强度，_y为截面竖向坐标，b(y)为截面竖向坐标对应的截面面积宽度，h为截面高度。

所述节点的抗剪承载力如下式：

F＝τ_uA_s

式中，τ_u为钢材抗剪强度，A_s为套筒的抗剪截面面积。

以一实例对本发明节点的刚度和承载力的计算过程进行说明。假定制作模块柱、梁的方钢管的截面尺寸均为160×10mm，梁的长度为1340mm，柱的高度为1200mm，制作内套筒的套管的断面尺寸为140×10mm，内套筒长度为840mm，采用的钢材的弹性模量为206GPa，剪切模量为79GPa，抗拉屈服强度为235MPa，抗剪强度为130MPa。

(1)连接节点的抗弯刚度K

(2)梁端抗弯承载力

M_p,b＝M_p,b,f+M_p,b,c＝3.18×10⁸N·mm

(3)抗剪承载力(以十字形节点为例)

F＝τ_uA_s＝130×2800＝364kN

继续采用上述尺寸。插头直径为22mm，顶部圆台最小直径为10mm，插头总长为130mm，插头底板厚度为10mm，内套筒封板厚度为10mm，封板开孔直径为18mm，插头顶端与内套筒封板内侧面相切。膨胀管内直径为10mm，壁厚为4mm，长度为60mm，顶部开坡口、坡度为0.8，膨胀管端板厚度为10mm。根据以上尺寸进行有限元模拟，得到结果如图8所示。可知：(1)插头在自重下，可以完成插入自锁连接；(2)膨胀管在拔出过程所需反力可达1.6t，为插入过程的8倍，可满足一般连接需求。(3)可根据具体设计案例，对插头及膨胀管的数量和尺寸等参数进行调整，以满足连接受力需求。

上述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是：本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，还可做出技术上的简单改进或多种组合变形，这些简单改进和组合变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种建筑美观及结构功能一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节点，其特征在于，包括：上、下层模块柱；顶、底板模块梁；自锁式内套筒和抗剪键；

上、下层模块柱由方钢管和自锁式嵌入头组成，其中，自锁式嵌入头焊接在上、下层模块柱内部；自锁式嵌入头由膨胀管及端板焊接组成；端板由拓扑优化得到，并焊接在模块柱内部；

上述自锁式内套筒由套管、自锁插入头和封板组成，其中自锁插入头由插头及其端板焊接组成；内套筒的封板设有插孔；

上述钢结构节点整体呈T形、十字形或者井字形节点；对于连接四个箱式单元的十字形和连接八个箱式单元的井字形节点，设置抗剪键以连接各箱式模块并抵抗水平剪力。

2.根据权利要求1所述的一种建筑美观及结构功能一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节点，其特征在于，膨胀管为开一个以上切口的圆形钢筒，连接完毕后，膨胀管胀开并与内套筒封板卡住；

膨胀管远离端板侧设置斜面，且所开斜面的坡度小于插头和膨胀管之间的摩擦角；

上述膨胀管的尺寸及个数由设计所需提供的拉力决定，其端板的厚度由所需提供的拉压力及焊接条件决定，或者与模块化柱壁厚一致。

3.根据权利要求1所述的一种建筑美观及结构功能一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节点，其特征在于，

自锁式内套筒各部件的形状由拓扑优化得到，套管的壁厚略大于模块柱的壁厚；自锁插头端部设置成圆台状，并且其圆锥面与插头轴线之间的夹角小于插头和膨胀管之间的摩擦角；

自锁插入头的端板厚度和封板厚度由设计所需提供的压力及焊接条件决定，或者与内套筒壁厚一致。

4.根据权利要求1所述的一种建筑美观及结构功能一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节点，其特征在于，

所述的抗剪键截面为日字形或田字形，并与模块柱相贴合，以保证建筑外观的平整性；所述抗剪键高度及尺寸根据加工、抗剪能力需求和模块柱尺寸所确定。

5.根据权利要求1所述的建筑美观及结构功能一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节点的安装方法，其特征在于，

(1)由工厂预制各部件，运至现场等待安装；

(2)施工时，先安装固定下层箱式单元，然后插入自锁式内套筒，在自重的作用下，下层模块柱内的插头将部分插入内套筒中的膨胀管，起到定位导向的作用；

(3)接着，吊装上层箱式单元，在自重的作用下，内套筒的自锁式插头将插入上下层模块柱中的膨胀管，完成上下箱式单元之间的连接。

6.根据权利要求5所述的建筑美观及结构功能一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节点的安装方法，其特征在于，对于四个箱式单元的十字形和连接八个箱式单元的井字形节点，在插入内套筒后，需要先安装抗剪键，再吊装上层箱式单元。

7.根据权利要求1所述的建筑美观及结构功能一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节点的结构优化方法，其特征在于，自锁式嵌入头的端板、自锁式内套筒的周边板件及封板和自锁插入头的端板是基于有限元商业软件ABAQUS，根据拓扑优化原理，以板件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“单元密度”作为设计变量经过迭代优化而来。

8.根据权利要求7所述的建筑美观及结构功能一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节点的结构优化方法，其特征在于，有限元拓扑优化模型可表示为：

(1)目标函数：

(2)约束函数：

(3)自锁式内套筒各板件的结构形式主要通过所述“单元密度”与板件的材料弹性模量之间的函数关系优化得出，且该函数关系为：

E(ρ_e)＝(ρ_e)^pE₀

上述函数中，P＝KU，0＜ρ_min≤ρ_e≤1

(4)基于SIMP的优化设计迭代公式如下：

式中，C为结构应变能；P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；w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；ρ_e为单元材料密度，ρ_min是单元材料密度最小极限值，且ρ_e在0～1之间连续取值，程序优化后单元材料密度位于[0.5,1]时保留该单元处材料，单元材料密度位于[0，0.5)时则删除该单元处材料；p为惩罚因子；n为结构离散单元总数；E为单元优化后弹性模量；E₀为初始弹性模量；优化设计准则λ为拉格朗日乘子；ξ为阻尼系数，目的是确保数值迭代计算的稳定性和收敛性。

9.根据权利要求7所述的建筑美观及结构功能一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节点的结构优化方法，其特征在于，所述的建筑美观及结构功能一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节点的节点刚度和承载力是在待连接节点设计完毕后，基于结构力学和材料力学的推导获得，具体如下：

将顶、底板模块梁的梁端视为自由端，上下层模块柱视为铰接，在梁端作用荷载p，可得如下结果：

上式中，I_b,f和I_b,c分别为顶底板梁的惯性矩，l为梁的计算长度，M₁和M₂分别为顶底板梁的根部弯矩，M₀为内套筒分配得到的弯矩，k₀为内套筒提供的抗弯刚度，I_c为模块柱的惯性矩，H为模块柱的计算高度，M₃和M₄分别为模块柱根部弯矩，Δ为梁端位移，θ为模块梁转角，I_in为内套筒的惯性矩，l_in为内套筒的长度，K为连接节点的抗弯刚度，M为梁根部总弯矩；

所述钢结构节点的梁端抗弯承载如下：

M_p,b＝M_p,b,f+M_p,b,c

式中，M为极限塑性抗弯承载力，M_p,b,f为底板极限塑性抗弯承载力，M_p,b,c为顶板极限塑性抗弯弯矩，M_p,b为模块化梁总的塑性抗弯承载力，σ_y为钢材屈服强度，y为截面竖向坐标，b(y)为截面竖向坐标对应的截面面积宽度，h为截面高度；

所述钢结构节点的抗剪承载如下式：

F＝τ_uA_s

式中，τ_u为钢材抗剪强度，A_s为套筒的抗剪截面面积。

10.根据权利要求9所述的建筑美观及结构功能一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节点的结构优化方法，其特在于，获得一体化拓扑内套筒自锁式钢结构节点的节点刚度和承载力后，考虑节点半刚性的影响重新进行整体计算，依此反复调整上、下层模块柱中方钢管的设计尺寸。