CN219953855U - 一种双截面型连接件、金属空腔板及其组合结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种双截面型连接件、金属空腔板及其组合结构，解决现有金属空腔板的连接件易发生失稳变形等问题，其技术方案要点为所述连接件(1)为中空管状，所述连接件(1)包括沿中轴线方向位于中部的管身段(11)和位于两端的管端段(12)，所述管身段(11)的横截面外轮廓为多边形，所述管端段(12)的横截面外轮廓为圆形。本申请将连接件中部的管身段采用正多边形截面，减少约束边的长度，越不容易产生误差，同时在正多边形成型过程中以塑性变形为主，与缺陷敏感度高的弧形曲面、误差较大的圆形管体相比，能够有效提高管状连接件的抗屈曲性能。

Description

一种双截面型连接件、金属空腔板及其组合结构

技术领域

本申请涉及空腔板结构领域，尤其是一种金属空腔板及其组合结构、以及用于空腔板的连接件。

背景技术

金属空腔板是由双层金属板和在金属板之间的夹层内设置的连接件构成的一种结构，同时可在夹层内填充混凝土等填充材料形成组合结构。双钢板结构即为一种典型的金属空腔板，由外部两侧钢板和连接件组成，其内部空腔填充混凝土形成组合结构。双钢板混凝土组合结构中，外部钢板主要承受拉力，并对内部混凝土有一定的约束作用，且能够抗渗、抗裂；内部混凝土主要承受压力，并对钢板起到很强的约束作用，防止钢板失稳，弥补了传统钢筋混凝土结构受拉侧混凝土易开裂，导致钢筋锈蚀，耐久性降低的缺点；钢板与混凝土之间的连接件，增加钢板与混凝土之间的连接，提升结构的整体性，保证钢板混凝土之间形成可靠连接、两者共同工作。空腔板质量轻，构造简洁，力学性能优，且可模块化施工，有效节约设计和建造成本，此类结构作为结构板在桥梁、超高层建筑、核电站安全壳、海洋平台等得到广泛应用，甚至机翼、潜艇耐压壳等恶劣受力环境均可运用该构造。

钢板之间的剪力连接件，增加钢板与混凝土之间的连接，提升结构的整体性，是保证钢板混凝土之间形成可靠连接、两者共同工作的关键。现有连接件以实心连杆为主，如栓钉，实心杆件的刚度太大，采用较大直径的杆件，会造成金属板开裂，采用小直径的杆件刚度不足容易屈曲。

而管壳体作为连接件的话，如金属圆管或圆柱壳，其失稳变形是一种弹-塑性变形过程，主要有两种失稳形式：整体屈曲和局部性屈曲(皱褶)。当圆管超过临界压力时，在底部形成类似“象足”的第一个外鼓的波，然后迅速沿中部产生多个外鼓波而屈曲，实验表明，圆管的实际临界压力往往只有理论临界压力的20-50％，造成两者巨大差异的原因是圆管对其表面的几何缺陷比较敏感，即圆管的初始缺陷会明显降低其承压能力，即使该结构整体强度满足需求，仍会造成局部屈曲。因而，提高圆管的精度、减少其几何缺陷，是提高圆管抗屈曲能力的关键，但提高制造精度会几何级的提高成本，因而提高精度是有合理的临界限度的，否则是不经济的，如何低成本的减少缺陷是现实问题。

实用新型内容

本申请的实用新型目的是为了解决现有金属空腔板的连接件易发生失稳变形等问题，提供了一种双截面型连接件，将中部的管身段采用正多边形截面，减少约束边的长度，越不容易产生误差，同时在正多边形成型过程中以塑性变形为主，与缺陷敏感度高的弧形曲面、误差较大的圆形管体相比，能够有效提高管状连接件的抗屈曲性能。进一步提供了一种采用该连接件的金属空腔板及其组合结构。

为了实现上述目的，本申请采用了以下技术方案：

本申请第一方面提供了一种双截面型连接件，所述连接件为中空管状，所述连接件包括沿中轴线方向位于中部的管身段和位于两端的管端段，所述管身段的横截面外轮廓为多边形，所述管端段的横截面外轮廓为圆形。

作为优选，所述管身段横截面的外轮廓为边的数量大于等于12的正多边形。超12边的正多边形成型时，其约束边界的长度为一个直边边长单元，是圆管直径的十分之一甚至更短，优选正18边形、正24边形及更多边形，使正多边形的边达到合理最多，约束边越短，越不容易产生误差，误差越小精度越高，连接件抗屈曲性能越好。

作为优选，沿连接件中心线从中部向端部的方向，所述管端段的壁厚先增加后不变，或先增加后变小。因为摩擦焊时最外端最先磨损及嵌入面板，如果越往外厚度越大，就会在开始摩擦时在面板上产生一个大的凹坑，而后面因为壁厚减少，后端的嵌入部分无法填满凹坑，只能靠产生的摩擦熔融物或杂质填满，造成部分虚焊，因而该端部设计避免板材上因摩擦焊的摩擦失厚而造成虚焊，且进一步增大了连接件嵌入板材的压应力，形成压应力焊缝，对提高抗疲劳性能是非常有益。

作为优选，所述管身段的侧壁设置加劲肋。能有效提高薄壁件抗屈曲性能，提高其稳定性。

作为优选，所述加劲肋沿连接件的轴向延伸或斜向延伸。

本申请第二方面，提供了一种金属空腔板，包括外层面板、内层面板和多个所述的双截面型连接件，所述连接件位于外层面板和内层面板之间，所述连接件两端的管端段分别与外层面板和内层面板固定连接，多个连接件相互间隔设置。

作为优选，所述连接件两端的管端段分别与外层面板、内层面板通过摩擦焊固定连接。通过摩擦焊实现二端同步焊接，焊接压力、转速、时间等焊接工艺参数全部相同，消除了通用的焊接中二端的焊接差异，使得弱的一端率先破坏的概率大为降低。摩擦焊在空心管端形成的焊缝为空心闭环焊缝，在传统熔焊的环形焊缝中，由于存在焊接起弧收弧点，在使用中往往会成为疲劳应力集中点，空心闭环焊缝消除了焊接起弧收弧点，提高了焊缝整体的抗疲劳性能。

作为优选，所述连接件中1/3以上的连接件与其余的连接件采用逆向对称旋转的摩擦焊焊接。连接件采用逆向对称旋转，形成相邻连接件相反的焊接走向，焊接走向对应焊接界面的晶粒重置的走向，进而降低在受力方向上有利与不利之间的波动概率，提高结构受力的稳定性。同时，相反的旋转焊接走向，还能抵消相邻连接件旋转中的扭矩，使生产装备及生产环境的夹持稳定性提高，并消除高速旋转中可能产生的共振现象。

作为优选，不同位置的连接件的管壁厚度不同，相邻的连接件之间的管壁厚度比在90％-120％之间。通过在不同区域配置不同的壁厚的管件，实现一块板不同区域的刚度差异，如在靠近支座或边缘等受力较大的区域可以增加壁厚来适配，以达到局部强化的效果而不增加工作量，从而实现根据弯矩剪力图机动的可设计性，实现理想配置。为防止连接件之间刚度差异过大，相邻的连接件的管壁厚度比应在90％-120％之间。

本申请第三方面，提供了一种金属空腔板组合结构，所述的金属空腔板，所述外层面板和内层面板之间设置填充体。用于船舶等行业中，内外面板之间的空腔还可以存储空间，用于存储水、油等液体或气体。

与现有技术相比，上述技术方案具有如下有益效果：

本申请别出心裁的将管状连接件采用双截面构造，即连接件位于中部的管身段采用正多边形，由于圆形管体的成型过程，是平板弯曲成弧形，其变形大部为弹性变形，约束的边界长度为整个直径，而正多边形尤其是超12边的正多边形成型时，其约束边界的长度为一个直边边长单元，是圆管直径的十分之一甚至更短，使正多边形的边达到合理最多，约束边越短，越不容易产生误差，误差越小精度越高。且正多边形棱角的压型，多为内转角半径小于1T的死转角，棱角的成型使得在正多边形成型过程中以塑性变形为主，塑性变形是稳定态。因此，连接件的中段管身段采用正多边形上述构造，与缺陷敏感度高的弧形曲面、误差较大的圆形管体相比，其临界抗压屈力更加提高、收敛、稳定，结构敏感度大幅降低，能够有效提高管状连接件的抗屈曲性能。

其次，将中段的管身段成型为正多边形管后，一方面是由圆管压型成正多边形管，采用扩拉、挤压工艺，对连接件本身形成二次精轧的功效，提高了连接件的产品精度，同时在冷轧过程中提高了连接件的硬度，有利于更高的抗屈曲性能，另外，由于正多边形棱角的存在，对使得轴向刚度显著增加，使得屈曲半波更不易发生。

同时连接件位于两端的管端段的焊接末端仍采用圆形管截面，其截面面积大于中段正多边形管，适合采用摩擦焊等焊接方式。

附图说明

图1为本申请实施例1金属空腔板的立体结构示意图；

图2为本申请实施例1双截面型连接件的立体结构示意图；

图3为图2中部横向剖开的示意图；

图4为本申请实施例1双截面型连接件的纵向剖视图；

图5为图4的局部放大图；

图6为本申请实施例1双截面型连接件管身段有加劲肋的示意图；

图7为本申请实施例2金属空腔板组合结构的立体结构示意图。

附图标记：1、连接件；11、管身段；111、加劲肋；12、管端段；121、增厚段；122、嵌入段；2、外层面板；3、内层面板；4、填充体。

具体实施方式

下面结合附图对本申请做进一步描述。需要说明的是，在本申请的描述中，术语“横向”，“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，并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申请的限制。

实施例1：

如图1所示，实施例1为一种金属空腔板结构，包括外层面板2、内层面板3和多个双截面型连接件1，连接件1为用于空腔板结构的双连接件，多个连接件1位于外层面板2和内层面板3之间的夹层内，多个连接件1相互间隔设置。

如图2、3所示，连接件1为管状件，包括中部的管身段11和位于两端的管端段12。管身段11的横截面外轮廓为多边形，优选为边的数量大于等于12的正多边形。管端段12的横截面外轮廓为圆形。

薄壁管的常用截面一般均为圆形，圆管虽具有较高的抗剪、抗压、抗屈曲强度，但其结构敏感性，即特定结构对缺陷的敏感性不同，圆形薄壁管件在分岔点之前有可能发生突然屈曲，其较低的强度有时只有理论值的50％左右，故管体在理论分岔临界力之前发生突然屈曲，一直是行业的一个忧虑。圆形薄壁管屈曲形式有以下特点：在端部产生第一个外凸的屈曲半波，依次产生第二个，最后整体压溃。要提高抗屈曲的强度，通常需要提高圆管的精度。管状连接件1用于双钢板等结构板中，由于连接件数量众多，提高管体的精度，减少缺陷是有合理的临界限度的，否则是不经济的。

本申请别出心裁的将管状连接件1采用双截面构造，即连接件1位于中部的管身段11采用正多边形，由于圆形管体的成型过程，是平板弯曲成弧形，其变形大部为弹性变形，约束的边界长度为整个直径，而正多边形尤其是超12边的正多边形成型时，其约束边界的长度为一个直边边长单元，是圆管直径的十分之一甚至更短，使正多边形的边达到合理最多，约束边越短，越不容易产生误差，误差越小精度越高，且正多边形棱角的压型，多为内转角半径小于1T的死转角，棱角的成型使得在正多边形成型过程中以塑性变形为主，塑性变形是稳定态，因此，连接件1的中段管身段12采用正多边形及加劲棱的上述构造，与缺陷敏感度高的弧形曲面、误差较大的圆形管体相比，其临界抗压屈力更加提高、收敛、稳定，结构敏感度大幅降低。

其次，将中段的管身段11成型为正多边形管后，一方面是由圆管压型成正多边形管，采用扩拉、挤压工艺，对连接件1本身形成二次精轧的功效，提高了连接件1的产品精度，同时在冷轧过程中提高了连接件1的硬度，有利于更高的抗屈曲性能，另外，由于正多边形棱角的存在，对使得轴向刚度显著增加，使得屈曲半波更不易发生。

同时连接件1位于两端的管端段12的焊接末端仍采用圆形管截面，其截面面积大于中段正多边形管，适合采用摩擦焊等焊接方式。

管端段12与外层面板2和内层面板3通过摩擦焊连接，如图4、5所示，管端段12采用变厚度的端部设计，沿连接件1中心线从中部向端部的方向，壁厚先增加后不变，或先增加后变小。如图5所示，管端段12依次包括增厚段121和嵌入段122，管身段11的侧壁厚为t，增厚段121的最大侧壁厚t1，嵌入段122端部厚度为t2，则t1＞t，t2≤t1。

增厚段121有利于连接件1这种管壳体在抵抗屈曲时，增大向内或向外的抗变形能力，延后及阻滞管体屈曲时靠近内外板的第一个屈曲半波的产生，从而起到提高抗屈曲能力的效果，抗屈曲能力增强，则相应地抗剪承载能力也增强。

嵌入段122的壁厚采用不变或缩小设计，是因为摩擦焊时最外端最先磨损及嵌入面板，如越往外厚度越大，就会在开始摩擦时在面板上产生一个大的凹坑，而后面因为壁厚减少，后端的嵌入部分无法填满凹坑，只能靠产生的摩擦熔融物或杂质填满，造成部分虚焊，因而嵌入段122厚度不变或缩小能够避免板材上因摩擦焊的摩擦失厚而造成虚焊，且进一步增大了连接件1嵌入板材的压应力，形成压应力焊缝，对提高抗疲劳性能是非常有益。

如图6所示，管身段11的侧壁设置加劲肋111，加劲肋111沿连接件1的轴向延伸或斜向延伸。位于连接件1中段的管身段11有竖向棱或斜向棱作为加劲肋，能有效提高薄壁件抗屈曲性能，提高其稳定性。

本申请的一个连接件1通过摩擦焊实现二端同步焊接，焊接压力、转速、时间等焊接工艺参数全部相同，消除了通用的焊接中二端的焊接差异，使得弱的一端率先破坏的概率大为降低，使破坏的控制性要素不再取决于连接弱的“短板”，而达到了取决于相同的“长板”。摩擦焊在空心管端形成的焊缝为空心闭环焊缝，在传统熔焊的环形焊缝中，由于存在焊接起弧收弧点，在使用中往往会成为疲劳应力集中点，空心闭环焊缝消除了焊接起弧收弧点，提高了焊缝整体的抗疲劳性能。

采用传统如栓钉等作为连接件，同一空腔板采用不同规格的连接件是需要增加大量焊接或连接工作量，本实施例中，由于连接件1为管状件，因为本申请管状连接件1的焊接工作量主要由管子的外径尺寸决定，在不同部位采用外径相同，不同壁厚的管状连接件1，通过在不同区域配置不同的壁厚的管件，实现一块板不同区域的刚度差异，如在靠近支座或边缘等受力较大的区域可以增加壁厚来适配，以达到局部强化的效果而不增加工作量，从而实现根据弯矩剪力图机动的可设计性，实现理想配置。为防止连接件之间刚度差异过大，相邻的连接件1的管壁厚度比应在90％-120％之间。

在摩擦焊制造时，优选采用逆向对称旋转的摩擦焊焊接，将1/3以上的连接件1与剩余连接件采用逆向对称旋转，形成相邻连接件相反的焊接走向，焊接走向对应焊接界面的晶粒重置的走向，进而降低在受力方向上有利与不利之间的波动概率，提高结构受力的稳定性。同时，相反的旋转焊接走向，还能抵消相邻连接件1旋转中的扭矩，使生产装备及生产环境的夹持稳定性提高，并消除高速旋转中可能产生的共振现象。

实施例2：

如图7所示为一种金属空腔板组合结构，实施例1的金属空腔板结构，在外层面板2和内层面板3之间浇筑填充体4。填充体4为气体、液体、塑性胶凝体。桥梁，建筑领域中，该组合结构用于桥面、剪力墙等，浇筑混凝土，可以提高其抗压等性能。用于船舶等行业中，内外面板之间的空腔还可以存储空间，用于存储水、油等液体或气体。

以上所述是本申请的优选实施方式，对于本领域的普通技术人员来说不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种双截面型连接件(1)，其特征在于：

所述连接件(1)为中空管状，所述连接件(1)包括沿中轴线方向位于中部的管身段(11)和位于两端的管端段(12)，所述管身段(11)的横截面外轮廓为多边形，所述管端段(12)的横截面外轮廓为圆形。

2.根据权利要求1所述的双截面型连接件(1)，其特征在于：所述管身段(11)横截面的外轮廓为边的数量大于等于12的正多边形。

3.根据权利要求1所述的双截面型连接件(1)，其特征在于：沿连接件(1)中心线从中部向端部的方向，所述管端段(12)的壁厚先增加后不变，或先增加后变小。

4.根据权利要求1所述的双截面型连接件(1)，其特征在于：所述管身段(11)的侧壁设置加劲肋(111)。

5.根据权利要求4所述的双截面型连接件(1)，其特征在于：所述加劲肋(111)沿连接件(1)的轴向延伸或斜向延伸。

6.一种金属空腔板，包括外层面板(2)、内层面板(3)和多个权利要求1-5任一项所述的双截面型连接件(1)，其特征在于：所述连接件(1)位于外层面板(2)和内层面板(3)之间，所述连接件(1)两端的管端段(12)分别与外层面板(2)和内层面板(3)固定连接，多个连接件(1)相互间隔设置。

7.根据权利要求6所述的金属空腔板，其特征在于：所述连接件(1)两端的管端段(12)分别与外层面板(2)、内层面板(3)通过摩擦焊固定连接。

8.根据权利要求7所述的金属空腔板，其特征在于：所述连接件(1)中1/3以上的连接件(1)与其余的连接件(1)采用逆向对称旋转的摩擦焊焊接。

9.根据权利要求6所述的金属空腔板，其特征在于：不同位置的连接件(1)的管壁厚度不同，相邻的连接件(1)之间的管壁厚度比在90％-120％之间。

10.一种金属空腔板组合结构，包括权利要求6-9任一项所述的金属空腔板，其特征在于：所述外层面板(2)和内层面板(3)之间设置填充体(4)。