CN117432067A - 一种装配式复合材料桁架节点连接装置及连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的是一种装配式复合材料桁架节点连接装置，其结构包括套筒连接件（1）；套筒连接件（1）的一端为套筒端（1‑1），套筒连接件（1）的另一端为外伸板（1‑2）；套筒连接件（1）的一端通过套筒端与腹杆（3）连接，套筒连接件（1）的另一端通过外伸板（1‑2）与弦杆（4）连接；装配式复合材料桁架节点连接方法包括：将套筒连接件（1）从套筒端（1‑1）的小尺寸端开始嵌入腹杆（3）中；使用第一螺栓（2‑1）将套筒端（1‑1）与腹杆（3）对拉连接；将弦杆（4）置于套筒连接件（1）上外伸板（1‑2）的两块多轴向铺层复合纤维板之间，并使用第二螺栓（2‑2）将两块多轴向铺层复合纤维板对拉连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种装配式复合材料桁架节点连接装置及连接方法，属于土木工程结构构件设计领域
背景技术
目前，在海洋、潮湿和盐碱地等恶劣环境下，桥梁结构正在面临一个重大的问题，那就是钢材腐蚀；为了防止钢材的腐蚀问题，研究人员已经实施了很多方法，但是都有其局限性；而纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，简称FRP）具有高强、质轻、耐腐蚀和耐疲劳等优点，在土木工程领域中得到了越来越多的关注，除了结构加固修补中大量采用的FRP片材和筋材外，由FRP拉挤型材组合而成的全FRP新建结构也日益受到工程界的重视，尤其在桁架结构以及大跨空间结构等形式中具有显著的轻量化和耐久性提升的优势；目前FRP型材结构节点连接方式主要有胶结连接、螺栓连接、螺栓连接与胶栓混合连接，其中螺栓连接具有安装便捷、可拆卸、可靠性高、便于质量检测的优点，是目前常用的连接方式。
FRP节点薄弱是限制FRP型材桁架发展的关键因素，既有的桁架连接节点无法实现FRP型材节点的高效连接（连接效率仅为20%～30%），导致FRP型材的高强度得不到有效发挥，材料利用率低，设计结构的轻量化和经济性优势得不到有效体现；且FRP各向异性，节点处容易由于应力集中发生局部劈裂破坏，尤其是对于方管杆件，常使用长螺栓对拉连接，使得管壁侧向荷载过大，导致节点过早破坏；当用拼接板连接时，构件较多，现场拼接复杂，桁架节点的快速化装配难以实现；此外，当使用普通套筒连接时，套筒尺寸过小导致连接不紧密，而套筒过大时又会出现难以嵌入的问题。
因此，需要一种能够防止复合材料桁架结构节点过早破坏、便于装配、能保证套筒与复合材料方管紧密接触的节点连接装置与连接方法以解决上述问题。
发明内容
本发明提出的是一种装配式复合材料桁架节点连接装置及连接方法，其目的旨在提供一种能够便于复合材料桁架结构节点装配的连接装置及连接方法。
本发明的技术解决方案：一种装配式复合材料桁架节点连接装置，其结构包括套筒连接件1；套筒连接件1的一端为套筒端1-1，套筒连接件1的另一端为外伸板1-2；套筒连接件1的一端通过套筒端与腹杆3连接，套筒连接件1的另一端通过外伸板1-2与弦杆4连接。
进一步地，所述腹杆3为方管状，套筒端1-1的内部腔体也为方管状，套筒端1-1插入方管状腹杆3的内部腔体中，若干个第一螺栓2-1穿过与腹杆3的侧壁和套筒端1-1的侧壁形成对拉连接。
进一步地，所述套筒端1-1为一端大、一端小的方管状，套筒端1-1一端外截面尺寸小于腹杆3内截面尺寸，套筒端1-1另一端大于腹杆3内截面尺寸；所述套筒端1-1截面尺寸大的一端有两个角部存在斜向开槽1-3，两个斜向开槽1-3互相平行、且位于套筒端1-1的同一侧。
进一步地，所述套筒连接件1的外伸板1-2为套筒端1-1上从有斜向开槽1-3的一端向外延伸的两块多轴向铺层复合纤维板，两个斜向开槽1-3位于套筒端1-1上同一侧多轴向铺层复合纤维板的两边；使用时，两块多轴向铺层复合纤维板之间的尺寸能够将弦杆4夹在中间，两块多轴向铺层复合纤维板平行相对，两块多轴向铺层复合纤维板之间通过若干个第二螺栓2-2对拉连接。
进一步地，所述套筒连接件1的制作方法包括：
1）准备用于模压的模具；所述模具包括内模和外模；
2）将不同的纤维布进行纤维铺层形成多轴向铺层；
3）将多轴向铺层沿内模的外表面缠绕，然后在多轴向铺层的外围套上外模，多轴向铺层位于内模和外模之间；
4）通过外力使内模和外模产生相互挤压，通过挤压将夹在内模和外模之间的多轴向铺层模压成型；多轴向铺层在挤压作用下被挤压成多轴向铺层复合纤维板，多轴向铺层复合纤维板在内模形状的限制下最终挤压成型为多轴向铺层复合纤维套筒；
5）打开外模和内模，取出成型后的多轴向铺层复合纤维套筒，根据需要对成型后的多轴向铺层复合纤维套筒进行切割形成套筒连接件1。
进一步地，所述将不同的纤维布进行纤维铺层形成多轴向铺层，具体包括：
1）选取若干层单轴向纤维布和若干层四轴向纤维布；
2）将单轴向纤维布和四轴向纤维布依次交替铺层形成多轴向铺层；将多轴向铺层沿内模的外表面缠绕后，多轴向铺层紧贴内模的一面为四轴向纤维布，多轴向铺层朝向外模的一面也为四轴向纤维布。
进一步地，所述多轴向铺层复合纤维套筒中分布有不同方向的纤维，纤维长度方向与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向相同的纤维为0°纤维，纤维长度方向与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向垂直的纤维为90°纤维，根据其它纤维的长度方向与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向夹角的不同分别定义为不同角度的纤维。
进一步地，所述单轴向纤维布中的纤维长度方向与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向相同，单轴向纤维布中与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向相同的纤维为0°纤维，四轴向纤维布中的纤维分为四个轴向分布，四轴向纤维布中与单轴向纤维布中0°纤维相同方向的纤维也为0°纤维，四轴向纤维布中的0°纤维长度方向也与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向相同，四轴向纤维布中与0°纤维成90°夹角的纤维为90°纤维，四轴向纤维布中的90°纤维长度方向与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向垂直，四轴向纤维布中与0°纤维成+45°夹角的纤维为+45°纤维，四轴向纤维布中与0°纤维成-45°夹角的纤维为-45°纤维，+45°纤维和-45°纤维分别与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向成+45°夹角和-45°夹角。
进一步地，在整个多轴向铺层复合纤维套筒中，0°纤维在所有纤维中的占比为70％～85％，+45纤维和-45°纤维在所有纤维中的总占比为10％～20％，90°纤维在所有纤维中的占比为5％～10％。
进一步地，一种装配式复合材料桁架节点连接方法，该方法包括：
1） 将套筒连接件1从套筒端1-1的小尺寸端开始嵌入腹杆3中；
2）使用第一螺栓2-1将套筒端1-1与腹杆3对拉连接；
3）将弦杆4置于套筒连接件1上外伸板1-2的两块多轴向铺层复合纤维板之间，并使用第二螺栓2-2将两块多轴向铺层复合纤维板对拉连接。
本发明的有益效果：
1）本发明能够防止复合材料桁架结构节点过早破坏，本发明便于装配、能保证套筒连接件与复合材料方管紧密接触，克服了现有复合材料桁架结构方管构件中节点局部过早破坏、装配不便的缺陷；
2）本发明中的套筒连接件采用多层不同轴向的复合材料纤维布模压而成，避免了传统钢材易导电、耐腐蚀性差等问题，同时减轻了节点的重量；避免了拉挤FRP构件在不同方向力学性能差距过大的不足，从而提升了构件的综合性能和连接性能；
3）而本发明提出的利用套筒连接件进行套筒式连接的节点设计能有效抑制在使用对拉螺栓连接时方管的侧向变形，从而显著提升了节点的强度；
4）本发明具有套筒和拼接板一体化的优势，在连接时无需额外的拼接板，将连接件在与腹杆连接之后可直接与弦杆连接，具有装配便捷的优势；且在腹杆与套筒连接件连接之后，腹杆与弦杆之间的角度可任意调节，可以满足不同桁架的装配需求，具有装配灵活的优点；
5）本发明能保证套筒连接件与腹杆紧密接触；套筒端的小截面端可轻松插入腹杆，套筒端的大截面端由于斜向开槽的存在，在套筒端能够轻松插入腹杆的同时，又能使得套筒连接件与腹杆紧密接触限制腹杆的平面外位移，保证了节点的力学性能，有效避免了因为套筒连接件过小与腹杆连接不紧密或套筒连接件过大无法嵌入的问题。
附图说明
附图1为应用本发明装配式复合材料桁架节点连接装置的连接节点连接实例效果示意图。
附图2为本发明装配式复合材料桁架节点连接装置的连接节点组装示意图。
附图3为本发明中套筒连接件1的结构示意图。
附图4为多轴向铺层复合纤维套筒中不同纤维布铺层形成的多轴向铺层示意图。
附图5为用于模压的模具内模实例示意图。
附图6为用于模压的模具外模实例示意图。
附图中1是套筒连接件，1-1是套筒端，1-2是外伸板，1-3是斜向开槽，2-1是第一螺栓，2-2是第二螺栓，3是腹杆，4是弦杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步阐述。
一种装配式复合材料桁架节点连接装置，其结构包括套筒连接件1；套筒连接件1的一端为套筒端1-1，套筒连接件1的另一端为外伸板1-2；套筒连接件1的一端通过套筒端与腹杆3连接，套筒连接件1的另一端通过外伸板1-2与弦杆4连接。
所述套筒连接件1的套筒端1-1与腹杆3的形状相匹配，使用时套筒端1-1插入腹杆3内；套筒连接件1的外伸板1-2的形状与弦杆4相匹配，外伸板1-2为两块外伸板，使用时弦杆4位于两块外伸板之间。
所述腹杆3可为方管状，套筒端1-1的内部腔体也为方管状，套筒端1-1插入方管状腹杆3的内部腔体中，若干个第一螺栓2-1穿过与腹杆3的侧壁和套筒端1-1的侧壁形成对拉连接。
所述套筒端1-1为一端大、一端小的方管状，套筒端1-1一端外截面尺寸小于腹杆3内截面尺寸，套筒端1-1另一端大于腹杆3内截面尺寸；所述套筒端1-1截面尺寸大的一端有两个角部存在斜向开槽1-3，两条斜向开槽1-3互相平行、且位于套筒端1-1的同一侧；斜向开槽1-3的槽宽最大处优选为5-10mm；所述斜向开槽1-3可以在外力作用下直接闭合，斜向开槽1-3闭合后套筒端1-1截面尺寸大的一端外尺寸与腹杆3的内截面尺寸相同，套筒端1-1插入腹杆3后，腹杆3的侧壁和套筒端1-1的侧壁紧紧挤压在一起，在膨胀挤压作用下保证了腹杆3侧壁和套筒端1-1的紧密连接。
所述套筒连接件1的外伸板1-2为套筒端1-1上从有斜向开槽1-3的一端向外延伸的两块多轴向铺层复合纤维板，两条斜向开槽1-3优选位于套筒端1-1上同一侧多轴向铺层复合纤维板的两边；使用时，两块多轴向铺层复合纤维板之间的尺寸能够将弦杆4夹在中间，两块多轴向铺层复合纤维板平行相对，两块多轴向铺层复合纤维板之间通过若干个第二螺栓2-2对拉连接；优选地，两块多轴向铺层复合纤维板上均开有若干个螺栓孔，两块外伸金属板上的螺栓孔平行相对，若干个第二螺栓2-2对应穿过两块多轴向铺层复合纤维板上对应的螺栓孔形成对拉连接。
所述套筒连接件1、腹杆3、弦杆4的材质均优选为纤维增强复合材料；所述弦杆4也优选为方管。
所述套筒连接件1由多层纤维布铺设模压而成，优选通过单轴向纤维布和四轴向纤维布铺设模压而成；多层纤维布铺设时根据需要调整不同纤维布中纤维的铺层角度和占比，同一方向的纤维铺层不应设置在相邻的铺层位置，应分散设置；并且相邻铺层之间的纤维角度差优选最小。
所述套筒连接件1的制作方法包括如下步骤：
1）准备用于模压的模具；所述模具包括内模和外模；内模优选为管状；
2）将不同的纤维布进行纤维铺层形成多轴向铺层；所述纤维布优选为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维中任一种或若干种纤维构成的纤维布；对纤维布进行纤维铺层前，优选先对不同的纤维布进行树脂浸渍，然后将浸渍后的不同纤维布进行纤维铺层；
3）将多轴向铺层沿内模的管切向缠绕，然后在多轴向铺层的外围套上外模，多轴向铺层位于内模和外模之间；
4）通过外力使内模和外模产生相互挤压，通过挤压将夹在内模和外模之间的多轴向铺层模压成型；多轴向铺层在挤压作用下被挤压成多轴向铺层复合纤维板，多轴向铺层复合纤维板在内模形状的限制下最终挤压成型为多轴向铺层复合纤维套筒；
5）打开外模和内模，取出模压成型后的多轴向铺层复合纤维套筒，根据需要对模压成型后的多轴向铺层复合纤维套筒进行切割形成套筒连接件1；比如：斜向开槽1-3和外伸板1-2均可通过切割形成，也可通过内模和外模的形状直接膜压成型；实际操作时，可通过调整内模和外模的形状来压膜出所需形状的多轴向铺层复合纤维套筒。
所制作的套筒连接件1通过在多轴向铺层中分布不同方向的纤维，不同方向的纤维压模成复合材料形成了多轴向铺层的效果，克服了常规FRP构件在不同方向力学性能差距过大的不足，从而提升了FRP构件的综合性能和连接性能。
所述将不同的纤维布进行纤维铺层形成多轴向铺层，具体包括以下步骤：
1）选取若干层单轴向纤维布和若干层四轴向纤维布；
2）将单轴向纤维布和四轴向纤维布依次交替铺层形成多轴向铺层；优选地，多轴向铺层的最上面铺层和最下面铺层均为四轴向纤维布，将多轴向铺层沿内模的管切向缠绕后，多轴向铺层紧贴内模的一面为四轴向纤维布，多轴向铺层朝向外模的一面也为四轴向纤维布。
所述多轴向铺层复合纤维套筒中分布有不同方向分布的纤维，纤维长度方向与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向相同的纤维为0°纤维，纤维长度方向与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向垂直的纤维为90°纤维，根据其它纤维的长度方向与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向夹角的不同分别定义为不同角度的纤维；当使用单轴向纤维布和四轴向纤维布模压成型时，优选单轴向纤维布中的纤维长度方向与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向相同，单轴向纤维布中与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向相同的纤维为0°纤维，四轴向纤维布中的纤维分为四个轴向分布，四轴向纤维布中与单轴向纤维布中0°纤维相同方向的纤维也为0°纤维，四轴向纤维布中的0°纤维长度方向也与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向相同，四轴向纤维布中与0°纤维成90°夹角的纤维为90°纤维，四轴向纤维布中的90°纤维长度方向与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向垂直，四轴向纤维布中与0°纤维成+45°夹角的纤维为+45°纤维，四轴向纤维布中与0°纤维成-45°夹角的纤维为-45°纤维，+45°纤维和-45°纤维分别与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向成+45°夹角和-45°夹角。
在整个多轴向铺层复合纤维套筒中，0°纤维在所有纤维中的占比优选为70％～85％，+45纤维和-45°纤维在所有纤维中的总占比优选为10％～20％，90°纤维在所有纤维中的占比优选为5％～10％；多轴向铺层中纤维布的层数和每层纤维布的厚度可以根据具体工况进行选择调整。
一种装配式复合材料桁架节点连接方法，该方法包括以下步骤：
1） 将套筒连接件1从套筒端1-1的小尺寸端开始嵌入腹杆3中；
2）使用第一螺栓2-1将套筒端1-1与腹杆3对拉连接；
3）将弦杆4置于套筒连接件1上外伸板1-2的两块多轴向铺层复合纤维板之间，并使用第二螺栓2-2将两块多轴向铺层复合纤维板对拉连接。
Claims (10)
1.一种装配式复合材料桁架节点连接装置，其特征是包括套筒连接件（1）；套筒连接件（1）的一端为套筒端（1-1），套筒连接件（1）的另一端为外伸板（1-2）；套筒连接件（1）的一端通过套筒端与腹杆（3）连接，套筒连接件（1）的另一端通过外伸板（1-2）与弦杆（4）连接。
2.根据权利要求1所述的一种装配式复合材料桁架节点连接装置，其特征是所述腹杆（3）为方管状，套筒端（1-1）的内部腔体也为方管状，套筒端（1-1）插入方管状腹杆（3）的内部腔体中，若干个第一螺栓（2-1）穿过与腹杆（3）的侧壁和套筒端（1-1）的侧壁形成对拉连接。
3.根据权利要求1所述的一种装配式复合材料桁架节点连接装置，其特征是所述套筒端（1-1）为一端大、一端小的方管状，套筒端（1-1）一端外截面尺寸小于腹杆（3）内截面尺寸，套筒端（1-1）另一端大于腹杆（3）内截面尺寸；所述套筒端（1-1）截面尺寸大的一端有两个角部存在斜向开槽（1-3），两个斜向开槽（1-3）互相平行、且位于套筒端（1-1）的同一侧。
4.根据权利要求3所述的一种装配式复合材料桁架节点连接装置，其特征是所述套筒连接件（1）的外伸板（1-2）为套筒端（1-1）上从有斜向开槽（1-3）的一端向外延伸的两块多轴向铺层复合纤维板，两个斜向开槽（1-3）位于套筒端（1-1）上同一侧多轴向铺层复合纤维板的两边；使用时，两块多轴向铺层复合纤维板之间的尺寸能够将弦杆（4）夹在中间，两块多轴向铺层复合纤维板平行相对，两块多轴向铺层复合纤维板之间通过若干个第二螺栓（2-2）对拉连接。
5.根据权利要求1所述的一种装配式复合材料桁架节点连接装置，其特征是所述套筒连接件（1）的制作方法包括：
1）准备用于模压的模具；所述模具包括内模和外模；
2）将不同的纤维布进行纤维铺层形成多轴向铺层；
3）将多轴向铺层沿内模的外表面缠绕，然后在多轴向铺层的外围套上外模，多轴向铺层位于内模和外模之间；
4）通过外力使内模和外模产生相互挤压，通过挤压将夹在内模和外模之间的多轴向铺层模压成型；多轴向铺层在挤压作用下被挤压成多轴向铺层复合纤维板，多轴向铺层复合纤维板在内模形状的限制下最终挤压成型为多轴向铺层复合纤维套筒；
5）打开外模和内模，取出成型后的多轴向铺层复合纤维套筒，根据需要对成型后的多轴向铺层复合纤维套筒进行切割形成套筒连接件（1）。
6.根据权利要求5所述的一种装配式复合材料桁架节点连接装置，其特征是所述将不同的纤维布进行纤维铺层形成多轴向铺层，具体包括：
1）选取若干层单轴向纤维布和若干层四轴向纤维布；
2）将单轴向纤维布和四轴向纤维布依次交替铺层形成多轴向铺层；将多轴向铺层沿内模的外表面缠绕后，多轴向铺层紧贴内模的一面为四轴向纤维布，多轴向铺层朝向外模的一面也为四轴向纤维布。
7.根据权利要求5所述的一种装配式复合材料桁架节点连接装置，其特征是所述多轴向铺层复合纤维套筒中分布有不同方向的纤维，纤维长度方向与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向相同的纤维为0°纤维，纤维长度方向与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向垂直的纤维为90°纤维，根据其它纤维的长度方向与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向夹角的不同分别定义为不同角度的纤维。
8.根据权利要求6所述的一种装配式复合材料桁架节点连接装置，其特征是所述单轴向纤维布中的纤维长度方向与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向相同，单轴向纤维布中与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向相同的纤维为0°纤维，四轴向纤维布中的纤维分为四个轴向分布，四轴向纤维布中与单轴向纤维布中0°纤维相同方向的纤维也为0°纤维，四轴向纤维布中的0°纤维长度方向也与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向相同，四轴向纤维布中与0°纤维成90°夹角的纤维为90°纤维，四轴向纤维布中的90°纤维长度方向与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向垂直，四轴向纤维布中与0°纤维成+45°夹角的纤维为+45°纤维，四轴向纤维布中与0°纤维成-45°夹角的纤维为-45°纤维，+45°纤维和-45°纤维分别与多轴向铺层复合纤维套筒整体长度方向成+45°夹角和-45°夹角。
9.根据权利要求8所述的一种装配式复合材料桁架节点连接装置，其特征是在整个多轴向铺层复合纤维套筒中，0°纤维在所有纤维中的占比为70％～85％，+45纤维和-45°纤维在所有纤维中的总占比为10％～20％，90°纤维在所有纤维中的占比为5％～10％。
10.一种装配式复合材料桁架节点连接方法，其特征是该方法包括：
1） 将套筒连接件（1）从套筒端（1-1）的小尺寸端开始嵌入腹杆（3）中；
2）使用第一螺栓（2-1）将套筒端（1-1）与腹杆（3）对拉连接；
3）将弦杆（4）置于套筒连接件（1）上外伸板（1-2）的两块多轴向铺层复合纤维板之间，并使用第二螺栓（2-2）将两块多轴向铺层复合纤维板对拉连接。
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