CN116927331A - 一种半球-圆柱组合节点及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半球‑圆柱组合节点及其施工方法，属于土木工程技术领域，解决了现有技术的节点形式下结构受力要求、节点构造需求、屋面系统占用空间高度及工业化施工无法兼顾的问题。该半球‑圆柱组合节点包括半球壳、圆柱壳、第一肋板和第二肋板；所述圆柱壳的内部中空，其两端开口；所述第一肋板和所述第二肋板分别盖在所述圆柱壳两端的开口，所述半球壳盖在所述第一肋板上。本发明实现了在满足结构整体受力需求前提下，缩减节点高度，并降低整体屋面系统的空间需求。

Description

一种半球-圆柱组合节点及其施工方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种半球-圆柱组合节点及其施工方法。

背景技术

双层网格结构(包括网架结构及双层网壳结构)外观优美，且能够较为充分的利用建筑内部空间，被广泛地应用于体育馆、展览馆、航站楼等大型公共建筑。在该类结构中，为不同杆件提供联系作用并为屋面系统提供生根条件的节点部分是工程设计及施工的关键。目前来看，适用于双层网格结构体系的节点形式有焊接空心球节点、螺栓球节点、铸钢节点等，其中焊接空心球节点具有刚度大、造价低、受力性能良好的特点，在我国的应用较多。

当双层网格结构跨度较大(或所受荷载较大)时，限于承载力及构造的要求，受力集中区域的焊接球尺寸往往较大，会造成屋面系统(屋面板、吊顶、排水系统等)生根(或功能实现)困难。工程实践中，对于上述情况多采用的办法有两种，其一是降低双层网格结构高度，其二是增大建筑表面高度。然而，降低结构高度会影响结构的整体受力性能，增大建筑表面高度会影响建筑整体造型，特别对于造型较为复杂、受力较大的双层网格结构，上述影响更为显著。此外，部分实际工程项目中也尝试采用切削或热模压的方式对焊接空心球节点进行二次加工，但此种方式也存在一些问题：1)加工难度较大；2)需要二次加工，工期较长，且可能会削弱节点受力性能。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种半球-圆柱组合节点及其施工方法，用以解决现有技术的节点形式下结构受力需求、节点构造要求、屋面系统占用空间高度及工业化施工无法兼顾的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种应用于空间网格结构体系的半球-圆柱组合节点，包括半球部和圆柱部；所述半球部扣盖在所述圆柱部的端部。

可选地，还包括第一肋板和第二肋板；所述半球部包括半球壳，所述半球壳的内部中空；所述圆柱部包括圆柱壳，所述圆柱壳的内部中空，其两端开口；所述第一肋板和所述第二肋板分别盖在所述圆柱壳两端的开口，所述半球壳盖在所述第一肋板上。

可选地，所述第一肋板包括圆环肋板，所述圆环肋板包括第一主体，所述第一主体呈圆柱状，其上设有轴向的通孔。

可选地，所述第二肋板包括圆形肋板，所述圆形肋板包括第二主体，所述第二主体呈圆柱状，所述第二主体的横截面直径等于所述圆柱壳的横截面内径。

可选地，所述第一肋板包括圆形肋板，所述圆形肋板包括第二主体，所述第二主体呈圆柱状，所述第二主体的横截面直径等于所述圆柱壳的横截面内径。

可选地，所述半球壳的外径与所述圆柱壳的横截面外径相等。

可选地，还包括支撑肋板，所述支撑肋板设于所述第一肋板和所述第二肋板之间，其两端分别与所述第一肋板和所述第二肋板连接。

可选地，所述半球壳的壁厚与所述圆柱壳的壁厚相等。

可选地，所述半球壳与所述圆柱壳连接的位置设有坡口。

可选地，所述通孔的直径为半球壳外径的1/3-1/2。

可选地，所述支撑肋板包括相互交叉的第一支撑臂和第二支撑臂，所述第一支撑臂和所述第二支撑臂均包括第三主体，所述第三主体均为长方体，所述长方体的长度等于所述圆柱壳的内径，所述长方体的宽度等于所述圆柱壳的高度。所述长方体包括由长和高形成的相对的两个表面，以及由宽和高形成的相对的两个侧面；所述两个侧面分别与所述圆柱壳的内壁连接，所述两个表面分别与所述第一肋板和所述第二肋板连接。

可选地，所述第一支撑臂和所述第二支撑臂的交叉方向沿所述长方体的宽度方向，交叉点位于所述长方体的长边的中点处。

可选地，所述第一支撑臂和所述第二支撑臂交叉形成的角度为90°。

可选地，所述圆柱壳的高度与节点所要连接的弦杆的外径相同，或者所述圆柱壳的高度比节点所要连接的弦杆的外径大，并且所述圆柱壳的高度小于所述半球壳的半径。

另一方面，本发明还提供了一种半球-圆柱组合节点施工方法，包括如下步骤：

步骤1：分别制备半球壳及圆柱壳；

步骤2：连接半球壳及圆柱壳，得到组合后的半球-圆柱体；

步骤3：在组合后的半球-圆柱体上设置第一肋板和第二肋板，得到半球-圆柱组合节点；

步骤4：安装半球-圆柱组合节点。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明根据半球壳和圆柱壳的特点，通过采用半球和圆柱组合的形式形成组合节点，能够实现多杆件空间万向汇交，实现了在满足屋面系统功能需求的情况下，结构具有优良的整体受力性能；

(2)本发明的半球-圆柱组合节点中，半球壳具备空间连接万向性，可便于弦杆(包括上弦杆和下弦杆)、斜腹杆及竖杆等杆件的汇交；圆柱壳具备平面连接万向性，可便于弦杆的汇交，此外，圆柱壳的端部为平面，有利于屋面系统的生根；

(3)本发明的的半球-圆柱组合节点通过半球壳承担斜腹杆、竖杆传递的荷载，通过半球壳、圆柱壳及肋板承担上(下)弦杆传递的荷载，力学途径明确，性能可靠；

(4)本发明根据弦杆的最大外径来合理确定圆柱的高度(如圆柱壳的高度与节点连接弦杆最大外径相同，或者圆柱壳的高度比节点连接弦杆最大外径略大)，并且将圆柱的高度控制为小于半球壳的半径，使得本发明的半球-圆柱组合节点能够增大结构完成面与建筑完成面间的可利用空间，能够同时满足结构整体受力要求、节点受力及构造要求、建筑整体造型要求以及屋面系统功能实现的要求；

(5)与采用切削或热模压方式二次加工的焊接空心球节点相比，本发明的半球-圆柱组合节点及施工方法无需进行二次加工，能够实现工厂标准化加工成型，具有加工过程简单、工期短、性能稳定及工业化施工的优势；

(6)本发明通过在第一肋板上设置通孔，一方面可以减少肋板材料的使用，降低成本；另一方面，可以减轻组合节点的整体重量。

(7)本发明通过控制通孔的尺寸(通孔的直径为半球壳外径的1/3～1/2)，既方便焊接，又能保证第一肋板的承载和支撑能力，确保连接的可靠性；

(8)本发明通过设置支撑肋板，增强了组合节点的承载和支撑能力，从而使得本发明的组合节点能够满足屋面系统荷载较大或需要减小肋板厚度的情况。通过将支撑肋板设置为相互交叉的第一支撑臂和第二支撑臂的形式，既减轻重量，又能保证承载能力。通过控制第一支撑臂和第二支撑臂交叉形成的角度为90°(即十字交叉)的形式，进一步增强了组合节点的承载能力。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明一实施例的半球-圆柱组合节点的结构示意图，对应于不同类型的双层网格结构体系，分别给出了两种典型的形式；图1(a)所示节点连接的杆件有弦杆(上弦杆或下弦杆)、斜腹杆、竖杆，适用于两向正交正放网格形式、两向正交斜放网格形式、两向斜交斜放网格形式、三向网格形式的双层网格结构；图1(b)所示节点连接的杆件有弦杆(上弦杆或下弦杆)、斜腹杆，适用于三角锥体系、四角锥体系的双层网格结构；

图2为本发明一实施例半球壳示意图；

图3为图2中A-A剖面示意图；

图4为本发明一实施例圆柱壳俯视图；

图5为图4中A-A剖面示意图；

图6为本发明一实施例圆环肋板俯视图；

图7为图6中A-A剖面示意图；

图8为具体实施方式一中圆环肋板开设坡口示意图；

图9为本发明一实施例中圆形肋板俯视图；

图10为图9中A-A剖面示意图；

图11为本发明一实施例中圆形肋板开设坡口示意图；

图12为本发明另一实施例中半球-圆柱组合节点示意图；

图13为本发明带有十字钢板肋的实施例中半球-圆柱组合节点示意图；

图14为图13中A-A剖面示意图；

图15为实施例与对比例在轴压荷载下的轴向承载力-轴向位移曲线对比；

图16为实施例与对比例在轴拉荷载下的轴向承载力-轴向位移曲线对比；

图17为实施例与对比例在压弯荷载下的轴向承载力-轴向位移曲线对比。

附图标记：

1-半球壳，1.1-第一坡口，2-圆柱壳，2.1-第二坡口，3-第一肋板，3.1-通孔，3.2-第三坡口，4-第二肋板，4.1-第四坡口，5-弦杆，6-斜腹杆，7-竖杆，8-支撑肋板，9-第一支撑臂；10-第二支撑臂。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个实施例，公开了一种应用于双层网格结构体系的半球-圆柱组合节点，如图1(a)和图1(b)所示，包括半球部和圆柱部，半球部扣盖在圆柱部的端部。具体来说，半球部包括半球壳1，半球壳1的内部中空。参考图5和图4、图1(a)和图1(b)，圆柱部包括圆柱壳2，圆柱壳2的内部中空，其两端开口。

在一种可能的实施方式中，半球-圆柱组合节点还包括第一肋板3及第二肋板4。第一肋板3和第二肋板4分别盖住圆柱壳2两端的开口，半球壳1罩扣在第一肋板3上。

半球壳1的结构如图2和图3所示，半球壳1的外径及壁厚与圆柱壳2的横截面外径及壁厚相等，圆柱壳2的高度等于节点连接最大规格弦杆(上弦杆或下弦杆，视节点所处位置而定)的半径，第一肋板3及第二肋板4壁厚相同，且等于半球壳1及圆柱壳2的壁厚。

如图12所示，对于第一肋板3和第二肋板4的结构形式，二者可以为相同的肋板。例如，二者可以均为圆形肋板。参考图9和图10，圆形肋板包括主体，该主体呈圆柱状，主体的横截面的直径等于圆柱壳2的横截面内径。

另外，第一肋板3和第二肋板4也可以为不同的肋板。例如，第一肋板3为圆环肋板，第二肋板4为圆形肋板。参考图6和图7，圆环肋板包括主体，该主体呈圆柱状，主体的横截面的直径等于圆柱壳2的横截面内径。主体上设有轴向的通孔3.1。本实施例通过开设通孔3.1，一方面可以减少肋板材料的使用，降低成本；另一方面，可以减轻组合节点的整体重量。

具体来说，通孔3.1与第一肋板3同轴，通孔3.1的直径为半球壳1外径的1/3～1/2。本实施例通过控制通孔3.1的尺寸，既方便焊接，又能保证第一肋板3的承载和支撑能力，确保连接的可靠性。

在另外一种可能的实施方式中，半球-圆柱组合节点还包括支撑肋板8。如图13所示，支撑肋板8设于第一肋板3和第二肋板4之间，其两端分别与第一肋板3和第二肋板4连接。本实施例通过设置支撑肋板8，增强了组合节点的承载和支撑能力，从而使得本发明的组合节点能够应用于屋面系统荷载较大的情形。

另外，由于设置支撑肋板8后，增强了组合节点的承载和支撑能力，因此可以减小第一肋板3和第二肋板4的厚度，满足了对需要减小肋板厚度情况的工程的使用需求。

在一种具体的实施方式中，支撑肋板8包括相互交叉的第一支撑臂9和第二支撑臂10，如图14所示，第一支撑臂9和第二支撑臂10均包括主体，主体均为长方体，长方体的长度等于圆柱壳2的内径，长方体的宽度等于圆柱壳2的高度，长方体的厚度可以等于、小于或大于圆柱壳2的壁厚。具体来说，长方体包括由长和高形成的相对的两个表面，以及由宽和高形成的相对的两个侧面。如图13和图14所示，两个侧面分别与圆柱壳2的内壁连接，两个表面分别与第一肋板3和第二肋板4连接。

进一步地，第一支撑臂9和第二支撑臂10的交叉方向沿长方体的宽度方向，也可以说是沿圆柱壳2的轴向。交叉点位于长方体的长边的中点处。

更进一步地，如图14所示，第一支撑臂9和第二支撑臂10交叉形成的角度为90°，即十字交叉。本实施例通过将第一支撑臂9和第二支撑臂10设置为十字交叉，进一步增强组合节点的承载能力。

第一支撑臂9和第二支撑臂10的材质为钢板，支撑肋板8为十字钢板肋。

对于十字钢板肋与圆柱壳2、第一肋板3和第二肋板4的连接方式可以为通过角焊缝连接。

一种应用于双层网格结构体系的半球-圆柱组合节点各部分连接方式如下：半球壳1与圆柱壳2通过全熔透对接焊缝连接。如图1(a)和图1(b)所示，当半球壳1与圆柱壳2厚度较厚时，可在半球壳1上、与圆柱壳2连接的位置开设第一坡口1.1，并且在圆柱壳2上、与半球壳1连接的位置开设第二坡口2.1。

第一肋板3通过全熔透焊缝与半球壳1及圆柱壳2进行连接，参考图8，当第一肋板3厚度较厚时，可在其与半球壳1和圆柱壳2的连接位置开设第三坡口3.2。

第二肋板4与圆柱壳2通过全熔透焊缝(或部分熔透焊缝)进行连接，参考图11，当圆形肋板4厚度较厚时，可在其与圆柱壳2的连接位置开设第四坡口4.1。上述连接方式中，各部分坡口开设尺寸应按照相关规范(GB50017-2017、GB50661-2011)要求进行设计以确保连接的可靠性。

本实施例的应用于双层网格结构体系的半球-圆柱组合节点的工作原理如下：

(1)双层网格结构体系中，节点的主要作用是联系各部分杆件及为屋面系统提供生根条件。本发明的半球-圆柱组合节点中，半球壳1具备空间连接万向性，可便于弦杆5(包括上弦杆和下弦杆)、斜腹杆6及竖杆7等杆件的汇交；圆柱壳2具备平面连接万向性，可便于弦杆5的汇交。此外，圆柱壳2的端部为平面，有利于屋面系统的生根。

(2)工程实践中，双层网格结构的杆件(包括：上弦杆、下弦杆、斜腹杆、竖杆等)一般会传递轴拉力、轴压力及弯矩至节点区域，则节点可能的受力状态有轴压、轴拉、压弯和拉弯四种。对于本发明的半球-圆柱组合节点，由斜腹杆6及竖杆7传递的荷载由半球壳1承担，其受力情况与焊接空心球类似；由弦杆5传递的荷载由半球壳1、圆柱壳2、第一肋板3及第二肋板4共同承担。

(3)本发明应用于双层网格结构体系的半球-圆柱组合节点采用圆柱壳与第一肋板及第二肋板组合的形式替代了传统焊接空心球节点中一个半球壳，且圆柱壳2的高度由所要连接的弦杆的最大外径决定(圆柱壳的高度与节点所要连接的弦杆的外径相同，或者圆柱壳的高度比节点所要连接的弦杆的外径大，并且圆柱壳的高度小于半球壳的半径)，小于半球壳1的半径，则应用该种节点能够增大结构完成面与建筑完成面间的可利用空间，有利于屋面系统的功能实现。

需要说明的是，本发明的应用于双层网格结构体系的半球-圆柱组合节点的具有方向性，具体为：对于处于上弦杆的节点，圆柱壳2应当在半球壳1的上方；对于处于下弦杆的节点，圆柱壳2应当在半球壳1的下方。

实施例1

参照相关规范(JG/T 11-2009)进行试件设计，具体来说，半球壳1及圆柱壳2的外径均为700mm，半球壳1及圆柱壳2的壁厚均为25mm；第一肋板3选择为圆环肋板，圆环肋板的直径为650mm，厚度为25mm，其中间通孔3.1的直径为350mm；第二肋板4为圆形肋板，圆形肋板的直径为650mm，厚度为25mm；配合加载的弦杆5规格为φ273mm×16mm，长度为355.5mm。

对比例1

该对比例为焊接空心球节点，参照相关规范(JG/T 11-2009)进行试件设计。空心球的外径及壁厚分别为700mm及25mm；肋板的直径为650mm，厚度为25mm；配合加载的弦杆5规格为φ273mm×16mm，长度为355.5mm。

针对实施例1及对比例分别开展轴拉、轴压及压弯仿真分析。仿真中，各部分材料均采用理想弹塑性模型模拟，材料参数设置如下：弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，屈服强度为355MPa。

将实施例1的半球-圆柱组合节点及对比例的焊接空心球节点分别施加轴压荷载、轴拉荷载和压弯荷载(偏心距为50mm)，得到轴向承载力-轴向位移曲线的对比，分别如图15、图16和图17所示。其中曲线A表示对比例的结果，曲线B表示本发明实施例1的结果。

由图15-图17的对比可知，在相同的载荷条件下，本发明的半球-圆柱组合节点与焊接空心球节点的承载能力基本相同，差距不超过5％。

本发明的另一个具体实施例公开了一种半球-圆柱组合节点施工方法，采用上述的半球-圆柱组合节点完成，包括如下步骤：

步骤1：分别制备半球壳及圆柱壳。

其中半球壳为钢板经热冲压过程制备而成，圆柱壳可由钢板卷制而成，也可购买符合要求的成品钢管。

步骤2：连接半球壳及圆柱壳，得到组合后的半球-圆柱体。

在半球壳及圆柱壳连接位置的端部留设坡口，通过全熔透对接焊缝将半球壳及圆柱壳连接在一起，得到组合后的半球-圆柱体。

步骤3：在组合后的半球-圆柱体上设置第一肋板和第二肋板，得到半球-圆柱组合节点。

在圆柱壳靠近半球壳的开口端(即与圆柱壳连接的位置)通过全熔透焊缝设置第一肋板(如圆形肋板或者圆环肋板)，在圆柱壳的另一个开口端通过全熔透焊缝设置第二肋板(如圆形肋板)，得到半球-圆柱组合节点；

步骤4：安装半球-圆柱组合节点。

对处于上弦的节点，圆柱壳在半球壳的上方；对处于下弦的节点，圆柱壳在半球壳的下方。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半球-圆柱组合节点，其特征在于，包括半球部和圆柱部；

所述半球部扣盖在所述圆柱部的端部。

2.根据权利要求1所述的半球-圆柱组合节点，其特征在于，还包括第一肋板和第二肋板；

所述半球部包括半球壳，所述半球壳的内部中空；

所述圆柱部包括圆柱壳，所述圆柱壳的内部中空，其两端开口；

所述第一肋板和所述第二肋板分别盖在所述圆柱壳两端的开口，所述半球壳盖在所述第一肋板上。

3.根据权利要求2所述的半球-圆柱组合节点，其特征在于，所述第一肋板包括圆环肋板，所述圆环肋板包括第一主体，所述第一主体呈圆柱状，其上设有轴向的通孔。

4.根据权利要求2或3所述的半球-圆柱组合节点，其特征在于，所述第二肋板包括圆形肋板，所述圆形肋板包括第二主体，所述第二主体呈圆柱状，所述第二主体的横截面直径等于所述圆柱壳的横截面内径。

5.根据权利要求2所述的半球-圆柱组合节点，其特征在于，所述第一肋板包括圆形肋板，所述圆形肋板包括第二主体，所述第二主体呈圆柱状，所述第二主体的横截面直径等于所述圆柱壳的横截面内径。

6.根据权利要求2所述的半球-圆柱组合节点，其特征在于，所述半球壳的外径与所述圆柱壳的横截面外径相等。

7.根据权利要求2所述的半球-圆柱组合节点，其特征在于，还包括支撑肋板，所述支撑肋板设于所述第一肋板和所述第二肋板之间，其两端分别与所述第一肋板和所述第二肋板连接。

8.根据权利要求5-7所述的半球-圆柱组合节点，其特征在于，所述半球壳的壁厚与所述圆柱壳的壁厚相等。

9.根据权利要求2所述的半球-圆柱组合节点，其特征在于，所述半球壳与所述圆柱壳连接的位置设有坡口。

10.一种半球-圆柱组合节点施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：分别制备半球壳及圆柱壳；

步骤2：连接半球壳及圆柱壳，得到组合后的半球-圆柱体；

步骤3：在组合后的半球-圆柱体上设置第一肋板和第二肋板，得到半球-圆柱组合节点；

步骤4：安装半球-圆柱组合节点。