CN117513537B - 一种多边形截面冠梁与钢、铝型材连接耦合节点 - Google Patents
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Abstract
本发明的多边形截面冠梁与钢、铝型材连接耦合节点属于钢铝构件连接技术领域，该节点利用五边形钢冠梁和双钢圆盘将钢制弯扭构件、直线型铝型材连接，其中钢制弯扭构件实现相切转向，并将荷载传递至五边形钢冠梁，然后经五边形钢冠梁底部的钢柱向下传递至下部结构或基础。五边形钢冠梁的设计可以便于钢制弯扭构件连接，提高节点的刚度和稳定性。本发明可以实现钢铝复合网格结构中钢构件与铝构件的可靠连接，保证整体结构的质量和安全性。本发明引入五边形钢冠梁和双钢圆盘，将大曲率的钢制弯扭构件、直线型铝型材和钢柱在有限空间内进行耦合连接。解决了多个不同材料、不同连接方式、不同截面型式构件在有限空间连接的矛盾。
Description
技术领域
本发明属于钢铝构件连接技术领域，具体为一种多边形截面冠梁与钢、铝型材连接耦合节点。
背景技术
出于建筑创作的要求，空间网格结构中采用自由曲面的方案越来越多，曲率越来越大，往往要求多个杆件在同一节点进行耦合连接。在钢铝复合网格结构中，不可避免的会产生钢构件、铝构件在同一节点处交汇。
现有技术中一般的做法为：（1）将节点相连的铝构件替换为钢构件，由于钢材的高强度、高可焊性，这种节点安全度较高。但是这种方案会增加钢铝复合结构中钢型材的替代数量，替代过多后会增加空间结构的自重，增大杆件截面，对于建筑空间效果的呈现带来不利影响，同时需要对钢构件进行防火处理。另外，由于钢材的耐腐蚀性能较差，替代后室外钢构件的耐久性很难保证。（2）采用铝材焊接技术，即将铝构件与钢构件焊接，但焊接后热影响效应会显著降低铝合金材料的强度，常用的6061-T6铝材热影响区的名义屈服强度焊接折减系数为0.48，且焊接质量在施工现场难以保证，难以满足结构受力的强度需求。
在钢构件为大曲率弯扭构件时，上述两种做法存在的问题尤为明显，因此，亟需设计一种多边形截面冠梁与钢、铝型材连接耦合节点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多边形截面冠梁与钢、铝型材连接耦合节点，以解决上述技术问题。
为此，本发明提供一种多边形截面冠梁与钢、铝型材连接耦合节点，包括：
双道钢制弯扭构件（1）；
五边形钢冠梁（2），与双道钢制弯扭构件的底部焊接连接，所述五边形钢冠梁（2）的底部连接有钢柱；
双钢圆盘（3），连接在五边形钢冠梁（2）远离双道钢制弯扭构件的一侧外壁；
直线型铝型材（4），与双钢圆盘（3）连接。
优选地，所述双道钢制弯扭构件（1）整体呈V形，所述五边形钢冠梁（2）垂直双道钢制弯扭构件（1）的对称面设置，所述双钢圆盘（3）的中轴线在双道钢制弯扭构件（1）的对称面上。
优选地，所述双道钢制弯扭构件（1）由两根弯扭工字钢焊接而成。
优选地，两根弯扭工字钢的相互远离一侧的腹板与下部翼缘板、五边形钢冠梁（2）的外壁之间焊接有第一筋板（6）。
优选地，所述第一筋板（6）与弯扭工字钢的腹板和下部翼缘板、以及五边形钢冠梁（2）的外壁之间形成三角锥形中空结构。
优选地，两根弯扭工字钢的相互远离一侧与五边形钢冠梁（2）的外壁之间焊接有第二筋板（5），所述第二筋板（5）与弯扭工字钢的下部翼缘板位于同一平面。
优选地，两根弯扭工字钢的底部贴合五边形钢冠梁（2）的外侧设置，两根弯扭工字钢的下部翼缘板之间、上部翼缘板之间均为同平面焊接，两根弯扭工字钢的腹板与五边形钢冠梁（2）的外侧焊接。
优选地，所述五边形钢冠梁（2）的内壁之间焊接有加劲板（7）。
优选地，两根弯扭工字钢的腹板底部之间留有间隙，所述加劲板（7）贴合设置在弯扭工字钢的腹板与五边形钢冠梁（2）的焊缝相互远离一侧。
优选地，远离双道钢制弯扭构件（1）底部的五边形钢冠梁（2）内壁之间也焊接有加劲板（7）。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果为：本发明利用五边形钢冠梁和双钢圆盘将双道钢制弯扭构件、直线型铝型材连接，其中双道钢制弯扭构件实现相切转向，并将荷载传递至五边形钢冠梁，然后经五边形钢冠梁底部的钢柱向下传递至下部结构或基础。五边形钢冠梁的设计便于双道钢制弯扭构件与五边形钢冠梁、直线型铝型材、钢柱在空间交汇连接，提高节点的刚度和稳定性。五边形钢冠梁的形状根据整个节点体系的受力情况而定，五边形钢冠梁在本节点体系中处于受力最大的关键部位，承受来自上部自由曲面钢铝屋盖的恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、地震作用、温度作用等各种荷载组合下的内力。本发明可以实现钢铝复合网格结构中钢构件与铝构件的可靠连接，保证整体结构的质量和安全性。本发明引入五边形钢冠梁和双钢圆盘，将大曲率的钢制弯扭杆件、直线型铝型材和钢柱在有限空间内进行耦合连接。解决了多个不同材料、不同连接方式、不同截面型式构件在有限空间连接的矛盾。
附图说明
图1为一种多边形截面冠梁与钢、铝型材连接耦合节点的立体结构示意图；
图2为一种多边形截面冠梁与钢、铝型材连接耦合节点的俯视结构示意图；
图3为图2中1-1剖面的示意图；
图4为图2中2-2剖面的示意图；
图5为具体某种实施方式中五边形钢冠梁的剖面示意图。
附图标注：1、双道钢制弯扭构件；2、五边形钢冠梁；3、双钢圆盘；4、直线型铝型材；5、第二筋板；6、第一筋板；7、加劲板。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步说明。
在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的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或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的节点位于铝合金屋盖下弯弧部位，处于一个受力较大且复杂的位置，主要承受上部铝合金屋盖重力以及连接水平雨棚部位的作用，同时接受来自承受来自上部自由曲面钢铝屋盖的恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、地震作用、温度作用等各种荷载组合下的内力，采用双道钢制弯扭构件1进行相切转向和内力传递，通过五边形钢冠梁2进行变形协调，将荷载通过钢柱向下传递至下部结构或基础上，组成一个简洁高效的受力体系。另外该部位位于飘带的下圆弧阴角处，该节点受力复杂，对材质、焊接、安装精度要求比较高。
如图1所示，双道钢制弯扭构件1、钢柱和直线型铝型材4在多角度伸入节点区连接（图1中未示出钢柱），由于不同角度的连接导致节点的受力分布不均匀，增加结构的应力集中和变形风险。其次，不同角度的连接使得连接点的刚度不均匀，增加结构的振动和失稳风险。另外，节点处需要精确的加工和安装，节点的安装和焊接质量对整体结构的质量和安全性至关重要。
为此，本发明提供一种多边形截面冠梁与钢、铝型材连接耦合节点，包括双道钢制弯扭构件1、五边形钢冠梁2、双钢圆盘3和直线型铝型材4，其中五边形钢冠梁2与双道钢制弯扭构件1的底部焊接连接，五边形钢冠梁2的底部连接有钢柱（图中未示出），钢柱可以为箱型截面柱，还可以根据实际受力替换为工字型截面柱、H形截面柱或多边形截面柱。双钢圆盘3连接在五边形钢冠梁2远离钢弯扭梁的一侧外壁。直线型铝型材4与双钢圆盘3连接。
在一个优选的实施方式中，双道钢制弯扭杆件整体呈V形，五边形钢冠梁2垂直双道钢制弯扭构件1的对称面设置，双钢圆盘3连接在五边形钢冠梁2远离双道钢制弯扭构件1的一侧外壁，双钢圆盘3的中轴线在双道钢制弯扭构件1的对称面上，可以使力的传递更加直接和均匀，减少力的偏斜和集中，防止节点两侧结构受力不均匀导致结构在节点处的应力过于集中，不利于节点的受力传递和转换，提高节点的传力效果。另外还可以减少节点的变形，使节点在受力时保持稳定，使得整个复杂节点受力体系完成变形协调和内力传递。直线型铝型材4与双钢圆盘3连接。本发明中双钢圆盘3为半圆形。本发明利用五边形钢冠梁2和双钢圆盘3将双道钢制弯扭构件1、直线型铝型材4可靠连接，使双道钢制弯扭构件1实现相切转向，并将内力传递至五边形钢冠梁2，然后经五边形钢冠梁2底部的钢柱向下传递至下部结构或基础。本发明引入五边形钢冠梁2和双钢圆盘3，将大曲率的双道钢制弯扭构件1、直线型铝型材4和钢柱在有限空间内进行耦合连接。解决了多个不同材料、不同连接方式、不同截面型式构件在有限空间连接的矛盾。
双道钢制弯扭构件1由两根弯扭工字钢焊接而成。本发明为了便于阐释清楚技术方案，可以将一根弯扭工字钢命名为第一弯扭工字钢，将另一根弯扭工字钢命名为第二弯扭工字钢。单根弯扭工字钢为工厂预制完成，由于工厂预制的弯扭工字钢的端面为平面，在将弯扭工字钢与五边形钢冠梁2连接时，在将弯扭工字钢的位置确定后，需要现场将弯扭工字钢的端面切割形成企口以适应五边形钢冠梁2的外侧壁。两根弯扭工字钢之间的连接为现场焊接，并且两根弯扭工字钢与五边形钢冠梁2之间的连接也为现场焊接。
具体以某工程为例，五边形钢冠梁2的剖面如图5所示，五边形钢冠梁2靠近双道钢制弯扭构件1一侧的竖向侧壁的高度大于远离双道钢制弯扭构件1一侧的竖向侧壁的高度，即L1＞L2；五边形钢冠梁2靠近双道钢制弯扭构件1一侧的竖向侧壁顶部与五边形钢冠梁2的顶部之间的侧壁宽度为L3，五边形钢冠梁2远离双道钢制弯扭构件1一侧的竖向侧壁顶部与五边形钢冠梁2的顶部之间的侧壁宽度为L4，其中L3＜L4；宽度为L3的侧壁与高度为L1的侧壁之间的夹角为137.26°，宽度为L4的侧壁与高度为L2的侧壁之间的夹角为132.74。本发明中五边形钢冠梁2的设计是依据建立的整个结构受力体系和计算模型而确定，宽度为L1的侧壁与双道钢制弯扭构件1直接焊接，考虑到双道钢制弯扭构件1焊接面积较大，因此对该部位的侧壁宽度进行受力复核，焊接面积大时会导致宽度为L1的侧壁的结构强度降低，需要对宽度为L1的侧壁结构面的补强难度增加，尤其在内侧补强难度更大，且对加劲板7的厚度和焊缝质量将相应的增加。由于双道钢制弯扭构件1的竖向空间位置已经固定，宽度为L3的侧壁和宽度为L4的侧壁宽度经过模拟计算，与宽度为L1的侧壁和宽度为L2的侧壁的角度关系就已经确定，在本工况下这样的宽度分配、焊接面积、空间位置关系、结构补强形式为整个结构的最合理的受力形式，可以满足该节点的受力要求。
本发明中五边形钢冠梁2为工厂分段预制并且现场焊接连接，在现场焊接时，在焊接有双道钢制弯扭构件1和双钢圆盘3处的钢梁内壁之间焊接加劲板7。如图4所示，两根弯扭工字钢的腹板底部之间留有间隙，其中最内侧的两块加劲板7贴合设置在弯扭工字钢的腹板与五边形钢冠梁2的焊缝相互远离一侧。另外，远离双道钢制弯扭构件1底部的五边形钢冠梁2内壁之间也焊接有加劲板7。
如图3所示，本发明中双道钢制弯扭构件1的上部翼缘板与五边形钢冠梁2的顶部焊接，并且双道钢制弯扭构件1的上部翼缘板与长度为L4的侧壁共面，五边形钢冠梁2与双道钢制弯扭构件1的空间位置关系由整个结构体系和计算模型确定，双道钢制弯扭构件1通过焊缝附着于五边形钢冠梁2上，由于五边形钢冠梁2形状确定，承受来自双道钢制弯扭构件1力的种类和形式就已经确定，工字钢的翼缘主要承载来自上部的竖向荷载，在已经建立的受力体系中，双道钢制弯扭构件1的上部翼缘板与五边形钢冠梁2顶部焊接在一起，可以保证来自双道钢制弯扭构件1的荷载直接作用于五边形钢冠梁2的最顶部，可以更好地将力沿着五边形钢冠梁2的竖向进行传递，从而减少五边形钢冠梁2侧面的应力，可以很好地提高五边形钢冠梁2的整体稳定性，同时使得五边形钢冠梁2承受的扭矩大大降低，双道钢制弯扭构件1的腹板和下部翼缘板沿着五边形钢冠梁2的顶部和竖向侧壁依次焊接，如图3和图5所示，即先将双道钢制弯扭构件1的腹板与五边形钢冠梁2的宽度为L3的侧壁焊接，然后将双道钢制弯扭构件1的腹板、下部翼缘板与五边形钢冠梁2的高度为L1的竖向侧壁焊接。五边形钢冠梁2的形状可以增加双道钢制弯扭构件1的与五边形钢冠梁2的接触面积，可以提高结构焊接的整体性，从而保证双道钢制弯扭构件1高效的将力传递至五边形钢冠梁2，双道钢制弯扭构件1的下翼缘板与五边形钢冠梁2竖向侧壁存在角度，通过下部翼缘板两侧增加的筋板，可以很好地将来自上部的荷载传递至五边形钢冠梁2上，因此对双道钢制弯扭构件1下部翼缘与筋板的焊接质量提出了更高的要求。双道钢制弯扭构件1的下部翼缘板与五边形钢冠梁2的竖向侧壁焊接。两根弯扭工字钢的相互远离一侧的腹板与下部翼缘板、五边形钢冠梁2的外壁之间焊接有第一筋板6，通过焊接第一筋板6可以保证双道钢制弯扭构件1的位置固定和形变固定，防止发生弹性回弹而影响安装精度。第一筋板6与弯扭工字钢的腹板和下部翼缘板、以及五边形钢冠梁2的外壁之间形成三角锥形中空结构。本发明在两根弯扭工字钢的相互远离一侧与五边形钢冠梁2的外壁之间焊接有第二筋板5，第二筋板5与弯扭工字钢的下部翼缘板位于同一平面，通过焊接第二筋板5可以加强双道钢制弯扭构件1的根部。
如图2和图4所示，两根弯扭工字钢的底部贴合五边形钢冠梁2的外侧设置，两根弯扭工字钢的下部翼缘板之间、上部翼缘板之间均为同平面焊接，两根弯扭工字钢的腹板与五边形钢冠梁2的外侧焊接，即第一弯扭工字钢的上部翼缘板与第二弯扭工字钢的上部翼缘板同平面焊接，第二弯扭工字钢的下部翼缘板与第二弯扭工字钢的下部翼缘板同平面焊接，第一弯扭工字钢的腹板和第二弯扭工字钢的腹板之间具有一定间隔，第一弯扭工字钢的腹板、第二弯扭工字钢的腹板分别与五边形钢冠梁2的外壁焊接。需要说明的是，这里所说的弯扭工字钢的下部翼缘板指的是与五边形钢冠梁2的竖向侧壁外侧焊接的翼缘板，弯扭工字钢的上部翼缘板指的是与五边形钢冠梁2的顶端焊接的翼缘板。
上述多边形截面冠梁与钢、铝型材连接耦合节点的施工方法为：
1、将多个钢柱现场安装并焊接到位；
2、将五边形钢冠梁2、加劲板7、双钢圆盘3在工厂进行焊接作为拼接件一；五边形钢冠梁2的壁板间采用熔透焊连接，五边形钢冠梁2内部的加劲板7与五边形钢冠梁2的壁板间采用熔透焊或埋弧焊连接，双钢圆盘3与五边形钢冠梁2的壁板间采用熔透焊连接；
3、将拼接件一运输至现场后吊装至多个钢柱柱顶，采用相贯焊进行连接；在柱顶与五边形钢冠梁2的下翼缘相交的阴角处采用双面角焊缝焊接多块三角形的加劲肋板；
4、将双道钢制弯扭构件1与五边形钢冠梁2焊接，双道钢制弯扭构件1的上翼缘与五边形钢冠梁2的壁板间采用熔透焊，双道钢制弯扭构件1的腹板与五边形钢冠梁2的壁板间采用双面角焊缝，双道钢制弯扭构件1的下翼缘与五边形钢冠梁2的壁板间采用熔透焊；
5、两根弯扭工字钢的相互远离一侧的腹板与下部翼缘板、五边形钢冠梁2的外壁之间焊接三角形的第一筋板6；第一筋板6与双道钢制弯扭构件1的下翼缘采用全熔透焊缝，第一筋板6与五边形钢冠梁2的壁板间采用部分熔透焊；
6、铝合金型材与拼接件一的双钢圆盘3通过紧固件进行连接，必要时腹板也通过紧固件与腹板连接板连接。
本发明中所有的焊缝均为一级焊缝，验收执行钢结构相关规范。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种多边形截面冠梁与钢、铝型材连接耦合节点，其特征在于，包括：
双道钢制弯扭构件（1）；
五边形钢冠梁（2），与双道钢制弯扭构件的底部焊接连接，所述五边形钢冠梁（2）的底部连接有钢柱；
双钢圆盘（3），连接在五边形钢冠梁（2）远离双道钢制弯扭构件的一侧外壁；
直线型铝型材（4），与双钢圆盘（3）连接；
所述双道钢制弯扭构件（1）整体呈V形，所述五边形钢冠梁（2）垂直双道钢制弯扭构件（1）的对称面设置，所述双钢圆盘（3）的中轴线在双道钢制弯扭构件（1）的对称面上；
所述双道钢制弯扭构件（1）由两根弯扭工字钢焊接而成；
两根弯扭工字钢的相互远离一侧的腹板与下部翼缘板、五边形钢冠梁（2）的外壁之间焊接有第一筋板（6）。
2.根据权利要求1所述的多边形截面冠梁与钢、铝型材连接耦合节点，其特征在于，所述第一筋板（6）与弯扭工字钢的腹板和下部翼缘板、以及五边形钢冠梁（2）的外壁之间形成三角锥形中空结构。
3.根据权利要求1所述的多边形截面冠梁与钢、铝型材连接耦合节点，其特征在于，两根弯扭工字钢的相互远离一侧与五边形钢冠梁（2）的外壁之间焊接有第二筋板（5），所述第二筋板（5）与弯扭工字钢的下部翼缘板位于同一平面。
4.根据权利要求1所述的多边形截面冠梁与钢、铝型材连接耦合节点，其特征在于，两根弯扭工字钢的底部贴合五边形钢冠梁（2）的外侧设置，两根弯扭工字钢的下部翼缘板之间、上部翼缘板之间均为同平面焊接，两根弯扭工字钢的腹板与五边形钢冠梁（2）的外侧焊接。
5.根据权利要求4所述的多边形截面冠梁与钢、铝型材连接耦合节点，其特征在于，所述五边形钢冠梁（2）的内壁之间焊接有加劲板（7）。
6.根据权利要求5所述的多边形截面冠梁与钢、铝型材连接耦合节点，其特征在于，两根弯扭工字钢的腹板底部之间留有间隙，所述加劲板（7）贴合设置在弯扭工字钢的腹板与五边形钢冠梁（2）的焊缝相互远离一侧。
7.根据权利要求5所述的多边形截面冠梁与钢、铝型材连接耦合节点，其特征在于，远离双道钢制弯扭构件（1）底部的五边形钢冠梁（2）内壁之间也焊接有加劲板（7）。
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