專利名稱：空間自由曲面網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的裝配式節(jié)點(diǎn)及其裝配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及建筑業(yè)空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種適用于空間自由曲面網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的裝配式節(jié)點(diǎn)及其裝配方法。技術(shù)背景
隨著建筑設(shè)計(jì)理論和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的不斷提高，空間自由曲面的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以其靈活多變的表現(xiàn)力被越來越廣泛的應(yīng)用在了標(biāo)志性鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)中。遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中 “強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”的原則，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠的重要保證。只有通過可靠的連接節(jié)點(diǎn)，才能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計(jì)意圖，獲得足夠安全的結(jié)構(gòu)。焊接和螺栓連接是鋼結(jié)構(gòu)連接的主要方式，空間鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)也以此作為出發(fā)點(diǎn)，衍生出了不同種類的節(jié)點(diǎn)連接形式。其中，裝配式節(jié)點(diǎn)不但通過工廠化生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)制作質(zhì)量的穩(wěn)定，也在保證施工質(zhì)量的前提下縮短了建設(shè)時(shí)間。
現(xiàn)階段用于空間自由曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)中，以高度精細(xì)加工為特點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)裝配體系，實(shí)現(xiàn)了精確施工和現(xiàn)場快速安裝的統(tǒng)一。但是大量的精細(xì)機(jī)械化加工帶來的成本提升，限制了這類節(jié)點(diǎn)的廣泛應(yīng)用。開發(fā)出一種既適合規(guī)?；a(chǎn)，對(duì)機(jī)械加工設(shè)備又沒有過高要求的裝配式節(jié)點(diǎn)體系的價(jià)值尤為凸顯。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種空間自由曲面網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的裝配式節(jié)點(diǎn)，其能夠通過普通機(jī)械加工實(shí)現(xiàn)，且裝配過程簡便，成本較低。同時(shí)本發(fā)明還提供這種裝配式節(jié)點(diǎn)的裝配方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為一種空間自由曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的裝配式節(jié)點(diǎn)，其包括
核心柱，其外周設(shè)有耳板，耳板數(shù)量為1個(gè)以上，分散固定于核心柱的外周上；各耳板平面皆平行于核心柱軸向，且耳板所在平面通過核心柱的軸向中心線；
轉(zhuǎn)接頭，包括一對(duì)Z形腹板，和垂直于Z形腹板并分別固定于一對(duì)Z形腹板上下兩端的上翼緣板和下翼緣板；一對(duì)Z形腹板對(duì)稱設(shè)置，與上、下翼緣板形成一端截面為H形， 另一端截面為箱形的形狀；轉(zhuǎn)接頭數(shù)量與核心柱外周的耳板數(shù)量相同；每個(gè)轉(zhuǎn)接頭截面為 H形的一端可拆卸連接一個(gè)耳板；
桿件，每個(gè)桿件的一端固定連接一個(gè)轉(zhuǎn)接頭截面為箱形的一端；
上蓋板和下蓋板，分別套接于核心柱軸向的兩端部，上蓋板和下蓋板中部皆設(shè)有與核心柱外徑相適應(yīng)的套孔；上蓋板的上端面、下蓋板的下端面分別與核心柱上、下端面齊平；上、下蓋板固定連接每個(gè)轉(zhuǎn)接頭的上、下翼緣板；
上壓板和下壓板，分別位于核心柱的軸向兩端；且上、下壓板的直徑大于核心柱的外徑
中心螺栓，中心螺栓的螺桿貫穿上下壓板、上下蓋板以及核心柱后與螺帽之間相互固定。
進(jìn)一步的，本發(fā)明中核心柱可選用中空的圓筒，耳板焊接在中心柱外周上。上、下蓋板中部的孔優(yōu)選為正好套在核心柱上，然后選擇直徑大于核心柱的外徑的上、下壓板，在中心螺栓固定后，上、下壓板配合以固定的耳板即可將上、下蓋板可靠固定。
為方便轉(zhuǎn)接頭與桿件的連接，本發(fā)明中轉(zhuǎn)接頭截面為箱形的端部固定有端板，桿件一端焊接于端板上。具體的，轉(zhuǎn)接頭的一對(duì)腹板、上下翼緣板與端板之間通過焊接相互固定。端板的設(shè)置既不會(huì)影響轉(zhuǎn)接頭的箱型結(jié)構(gòu)，方便轉(zhuǎn)接頭與上、下蓋板之間的固定連接， 又增加了轉(zhuǎn)接頭的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；同時(shí)增加了轉(zhuǎn)接頭與桿件之間的接觸面積，保證了桿件與轉(zhuǎn)接頭之間固定的可靠性。進(jìn)一步的，本發(fā)明中桿件可為方管或圓管，桿件與轉(zhuǎn)接頭端板之間的焊接工作可全部由工廠完成。
優(yōu)選的，本發(fā)明中上蓋板、下蓋板與每個(gè)轉(zhuǎn)接頭的上翼緣板、下翼緣板之間通過螺栓固定連接。具體的，根據(jù)耳板以及轉(zhuǎn)接頭的數(shù)量，上蓋板和下蓋板上分別按圓周排列設(shè)置相同數(shù)量，且位置一一對(duì)應(yīng)的固定孔，同時(shí)轉(zhuǎn)接頭的上翼緣板與下翼緣板上也設(shè)有位置相互對(duì)應(yīng)的固定孔；在裝配時(shí)，每個(gè)轉(zhuǎn)接頭上、下翼緣板上的固定孔，與上蓋板、下蓋板上的一組對(duì)應(yīng)的固定孔的軸線相互重合，然后通過螺栓貫穿固定。優(yōu)選的，貫穿上、下蓋板與上、下翼緣板的螺栓為現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)件高強(qiáng)螺栓，高強(qiáng)螺栓從Z形腹板與上、下翼緣板組成的箱型空間中穿過。
優(yōu)選的，本發(fā)明中耳板與轉(zhuǎn)接頭截面為H形一端端部的Z形腹板之間通過螺栓可拆卸連接。具體的，轉(zhuǎn)接頭的Z形腹板平面垂直于上下翼緣板平面，Z形腹板靠近核心柱的一側(cè)設(shè)有固定孔；耳板上設(shè)有與Z形腹板上的固定孔相對(duì)應(yīng)的固定孔；連接耳板與Z形腹板的螺栓為高強(qiáng)螺栓。耳板以及Z形腹板上用于螺栓連接的螺栓孔數(shù)量可適當(dāng)增加，如設(shè)置固定孔的數(shù)量為2個(gè)，以保證固定可靠。進(jìn)一步的，由于工藝制造過程中桿件下料很容易有誤差，所以可設(shè)置耳板上用于螺栓連接轉(zhuǎn)接頭Z形腹板的螺栓孔為腰型孔，優(yōu)選腰型孔的厚度方向平行于核心柱的軸向，從而在桿件變形的情況下留有調(diào)整的余地。
本發(fā)明中耳板、轉(zhuǎn)接頭的數(shù)量根據(jù)自由曲面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)桿件數(shù)量確定，確定數(shù)量的耳板分別連接對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)接頭，按桿件空間角度分布于核心柱的外周；轉(zhuǎn)接頭的上、下翼緣板靠近核心柱的一端為梯形，以保證不同轉(zhuǎn)接頭之間不相沖突；上蓋板與下蓋板上分別按圓周排列設(shè)有固定孔；上蓋板與下蓋板上的固定孔位置相互對(duì)應(yīng)，并與各轉(zhuǎn)接頭之間的角度相適應(yīng)；每個(gè)轉(zhuǎn)接頭上的上下翼緣板上各設(shè)有與上下蓋板相對(duì)應(yīng)的固定孔。
本發(fā)明的空間自由曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的裝配式節(jié)點(diǎn)在裝配時(shí)，只需使核心柱的軸線重合于節(jié)點(diǎn)所在曲面的法線；相鄰耳板之間的夾角與相鄰桿件在節(jié)點(diǎn)切平面上的投影之間的夾角相同；桿件和轉(zhuǎn)接頭之間的夾角與桿件和切平面之間的夾角互余。桿件的長度和端頭切角根據(jù)空間結(jié)構(gòu)角度放樣確定，預(yù)制時(shí)焊接在轉(zhuǎn)接頭端板上。
本發(fā)明為自由曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供了一種新的形式，其有益效果為
a.本發(fā)明中的結(jié)構(gòu)大部分可使用普通鋼板，原材料簡單易獲得，同時(shí)也降低了機(jī)械加工的難度；
b.本發(fā)明通過使用螺栓進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的裝配固定，同時(shí)利用高強(qiáng)度螺栓的抗剪性能保證連接的可靠，與抗拉螺栓相比，受現(xiàn)場裝配影響小，可靠性更高；
c.本發(fā)明結(jié)構(gòu)中的焊接作業(yè)可全部由工廠完成，提高質(zhì)量保證。現(xiàn)場作業(yè)全部為裝配施工，最大程度的減少了施工過程對(duì)環(huán)境的影響，降低了現(xiàn)場工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和難度， 縮短了施工周期。


圖1是本發(fā)明裝配完成的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明轉(zhuǎn)接頭組成示意圖3是本發(fā)明裝配方法示意圖4是本發(fā)明節(jié)點(diǎn)空間水平角α示意圖5是本發(fā)明節(jié)點(diǎn)空間垂直角β示意圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的內(nèi)容更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步描述。
結(jié)合圖1和圖3，本發(fā)明包括核心柱1，耳板2，轉(zhuǎn)接頭3，上、下蓋板4，上、下壓板 5，中心螺栓7，桿件8。其中核心柱1為中空圓筒，耳板2通過焊接分散固定于核心柱1的外周上，焊接工序在工廠完成；各耳板2平面皆平行于核心柱軸向，且耳板2所在平面通過核心柱1的軸向中心線；耳板2上設(shè)有兩個(gè)腰形的螺栓孔，用于與轉(zhuǎn)接頭3進(jìn)行裝配固定； 腰型孔的厚度方向平行于核心柱軸向，用于桿件變形情況時(shí)的裝配調(diào)整。上、下蓋板4分別裝配于核心柱1軸向的兩端，每個(gè)蓋板的中部設(shè)有一個(gè)直徑與核心柱1外徑相適應(yīng)的套孔， 使得上下蓋板4能夠分別套接在核心柱1軸向的兩個(gè)端部；上蓋板的上端面、下蓋板的下端面分別與核心柱1的上、下端面齊平。上下蓋板4的本體上分別按圓周排列設(shè)有轉(zhuǎn)接頭固定孔，每個(gè)轉(zhuǎn)接頭固定孔之間設(shè)有曲度調(diào)整間隙，即蓋板上設(shè)置有固定孔的部分可根據(jù)節(jié)點(diǎn)所在曲面的曲度進(jìn)行彎曲角度調(diào)整。上、下壓板5的中心皆設(shè)有一個(gè)螺桿固定孔。在裝配時(shí)，中心螺栓7的螺桿依次貫穿下壓板、下蓋板、核心柱1、上蓋板、上壓板的中部，然后通過螺帽固定。
結(jié)合圖2，轉(zhuǎn)接頭3包括一對(duì)Z形腹板10，垂直于Z形腹板并分別位于一對(duì)Z形腹板上方和下方的上、下翼緣板9，和端板11。一對(duì)形腹板10對(duì)稱設(shè)置呈人字形，即一條臂相互貼合，其余兩條臂相互遠(yuǎn)離；一對(duì)Z形腹板與上、上下翼緣板之間焊接固定，形成一端為H 形截面，另一端為箱型，即矩形截面的形狀；一對(duì)Z形腹板相互貼合的一條臂上設(shè)有2個(gè)與耳板上固定孔相對(duì)應(yīng)的固定孔，在裝配時(shí)通過高強(qiáng)螺栓12進(jìn)行固定；翼緣板靠近核心柱的一端為梯形；端板11焊接固定于轉(zhuǎn)接頭為箱型截面的一端上；桿件8為方管，其一個(gè)端部焊接在端板上。轉(zhuǎn)接頭3各組件之間的焊接，以及轉(zhuǎn)接頭3與桿件8之間的焊接在工廠完成。
如圖3所示，在轉(zhuǎn)接頭3與耳板2相互固定后，再通過高強(qiáng)螺栓6穿過上、下蓋板 4上的轉(zhuǎn)接頭固定孔，以及轉(zhuǎn)接頭3的上、下翼緣板9上的固定孔，將轉(zhuǎn)接頭3與上下蓋板4 之間固定??；然后將上下壓板置于核心柱的軸向兩端，最后利用中心螺栓7進(jìn)行固定。
結(jié)合圖4和圖5，本發(fā)明在應(yīng)用時(shí)，核心柱1的軸線重合于節(jié)點(diǎn)所在曲面的法線 01 ；蓋板4中部平面、壓板5表面與節(jié)點(diǎn)所在曲面的切平面02相互平行；相鄰耳板2之間的夾角根據(jù)相鄰桿件8在節(jié)點(diǎn)切平面投影上的夾角，即如圖4所示的水平角α來確定。桿件 8與切平面的夾角根據(jù)節(jié)點(diǎn)所連接桿件8與節(jié)點(diǎn)切平面02的夾角，即如圖5所示垂直角β來確定。本發(fā)明中節(jié)點(diǎn)裝配過程如下1.核心柱1定位后，將耳板2插入轉(zhuǎn)接頭3為H型截面一端的Z形腹板的一側(cè)，固定孔對(duì)位后，利用高強(qiáng)螺栓12擰緊固定；2.將上、下蓋板4中心套孔套入核心柱1的兩端部后，調(diào)整位置使其上呈圓周排列的固定孔與裝配后的轉(zhuǎn)接頭箱形截面端翼緣板上螺栓孔一一對(duì)齊，然后利用高強(qiáng)螺栓6擰緊；3.用中心螺栓7將上下壓板5和上述步驟1、2拼裝完成的節(jié)點(diǎn)連接并擰緊。本發(fā)明中所述具體實(shí)施案例僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施案例而已，并非用來限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。即凡依本發(fā)明申請專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化與修飾，都應(yīng)作為本發(fā)明的技術(shù)范疇。
權(quán)利要求
1.一種空間自由曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的裝配式節(jié)點(diǎn)，其特征是，包括核心柱，其外周設(shè)有耳板，耳板數(shù)量為1個(gè)以上，分散固定于核心柱的外周上；各耳板平面皆平行于核心柱軸向，且耳板所在平面通過核心柱的軸向中心線；轉(zhuǎn)接頭，包括一對(duì)Z形腹板，和垂直于Z形腹板并分別固定于一對(duì)Z形腹板上下兩端的上翼緣板和下翼緣板；一對(duì)Z形腹板對(duì)稱設(shè)置，與上、下翼緣板形成一端截面為H形，另一端截面為箱形的形狀；轉(zhuǎn)接頭數(shù)量與核心柱外周的耳板數(shù)量相同；每個(gè)轉(zhuǎn)接頭截面為H形的一端可拆卸連接一個(gè)耳板；桿件，每個(gè)桿件的一端固定連接一個(gè)轉(zhuǎn)接頭截面為箱形的一端； 上蓋板和下蓋板，分別套接于核心柱軸向的兩端部，中部設(shè)有與核心柱外徑相適應(yīng)的套孔；上蓋板的上端面、下蓋板的下端面分別與核心柱上、下端面齊平；上、下蓋板固定連接每個(gè)轉(zhuǎn)接頭的上、下翼緣板；上壓板和下壓板，分別位于核心柱的軸向兩端；且上、下壓板的直徑大于核心柱的外徑；中心螺栓，中心螺栓的螺桿貫穿上下壓板、上下蓋板以及核心柱后與螺帽之間相互固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間自由曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的裝配式節(jié)點(diǎn)，其特征是，轉(zhuǎn)接頭截面為箱形的端部設(shè)有端板，桿件一端焊接于端板上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間自由曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的裝配式節(jié)點(diǎn)，其特征是，上蓋板、下蓋板與每個(gè)轉(zhuǎn)接頭的上翼緣板、下翼緣板之間通過螺栓固定連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間自由曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的裝配式節(jié)點(diǎn)，其特征是，耳板與轉(zhuǎn)接頭截面為H形一端端部的Z形腹板之間通過螺栓可拆卸連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的空間自由曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的裝配式節(jié)點(diǎn)，其特征是，所述桿件為方管或圓管。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的空間自由曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的裝配式節(jié)點(diǎn)，其特征是，貫穿上、下蓋板與上、下翼緣板的螺栓為高強(qiáng)螺栓。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空間自由曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的裝配式節(jié)點(diǎn)，其特征是，連接耳板與轉(zhuǎn)接頭Z形腹板的螺栓為高強(qiáng)螺栓。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空間自由曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的裝配式節(jié)點(diǎn)，其特征是，耳板上用于螺栓連接轉(zhuǎn)接頭Z形腹板的螺栓孔為腰型孔。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的空間自由曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的裝配式節(jié)點(diǎn)，其特征是，轉(zhuǎn)接頭的上、下翼緣板靠近核心柱的一端為梯形。
10.基于權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的空間自由曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的裝配式節(jié)點(diǎn)的裝配方法，其特征在于，核心柱的軸線重合于節(jié)點(diǎn)所在曲面的法線。
全文摘要
本發(fā)明公開一種適合現(xiàn)場拼裝的空間自由曲面網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)的裝配式節(jié)點(diǎn)及其裝配方法，其包括核心柱，固定于核心柱外周的耳板，通過螺栓裝配于耳板上的轉(zhuǎn)接頭，以及與轉(zhuǎn)接頭固定連接的桿件。同時(shí)，核心柱與轉(zhuǎn)接頭之間還通過套接在核心柱兩端部的上、下蓋板進(jìn)行連接，上下蓋板在核心柱上的固定通過上下壓板和中心螺桿實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明中轉(zhuǎn)接頭由一對(duì)對(duì)稱設(shè)置的Z形腹板和垂直于Z形腹板平面的上下翼緣板組成；轉(zhuǎn)接頭各組件以及轉(zhuǎn)接頭與桿件之間的固定可采用焊接方式，焊接工作可前期由工廠完成；在施工現(xiàn)場只需通過螺栓對(duì)節(jié)點(diǎn)的各部分組件進(jìn)行裝配固定，裝配方法簡單，也降低了施工現(xiàn)場勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。
文檔編號(hào)E04B1/58GK102535642SQ20111045349
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者張鵬, 徐昆, 舒贛平, 郝俊濤, 高標(biāo) 申請人:東南大學(xué), 江蘇省電力設(shè)計(jì)院