一種箱型截面單層網殼的裝配式連接系統及其裝配方法、設計方法與流程

本發明涉及一種連接系統，尤其涉及一種箱型截面單層網殼的裝配式連接系統及其裝配方法、設計方法，屬于鋼結構領域。

背景技術：

箱型截面桿是以冷彎、熱軋和焊接等工藝制成的各類薄壁方管、矩形管或組焊箱型截面桿件的總稱，具有極為優異的截面特性。從力學性能看，比圓環截面有更好的單向抗彎剛度，比工字型、槽形和Z型等開口型截面有更好的軸向抗扭剛度和弱軸抗彎剛度；從外觀效果看，比圓環截面有更小的單向視線遮擋，比開口型截面更整潔；從耐候性能看，具有圓環截面同樣的密閉性，便于表面防腐處理和清理灰垢。在高層鋼框架結構、大跨度空間結構、倉儲貨架結構及橋梁結構等中都有廣泛應用，其材質多為低碳鋼、低合金鋼或鋁合金等。

箱型截面桿雖性能優異，但節點或連接技術發展相對滯后，主要依賴焊接，嚴重制約其推廣應用和裝配化發展。現有裝配化連接技術多隨節點開發而伴生，常以犧牲部分箱型截面桿優點換取安裝方便，且通用性不足。例如，在大跨度空間結構中，德國的POLO-1(專利文獻1)和中國的范鋒CP型(專利文獻2)不僅降低了軸向抗扭剛度和弱軸抗彎剛度優勢，外觀效果和耐候性也有一定損失；德國的Mero BK(專利文獻3)、SEELE(專利文獻4)和中國的范鋒C型(專利文獻5)節點則通過桿件翼緣開孔實現裝配化，一定程度上削弱了桿件承載能力和密封性；德國的Mero ZK(專利文獻1)、Mero-1(專利文獻4)和荷蘭的OCTA-1(專利文獻3)節點則依賴于交匯核心空腔實現裝配；中國的舒贛平節點(專利文獻6)則因連接復雜，外觀效果和耐候性均略顯不足，難以發展通用化。另外，從經濟性方面講，德國的SEELE型(專利文獻4)、荷蘭的OCTA-1(專利文獻3)型、中國的范鋒C型(專利文獻5)和舒贛平型(專利文獻6)等節點均因工藝復雜、制造精度要求高或組件多等原因導致成本較高，亦不利于通用化推廣。最后，桿件之間的連接不僅用于匯交的節點，也常用于構件中部、拐彎和轉角處，且因各桿件功能特性不同，桿端連接傳遞內力的剛度也要求不同，隨節點開發而伴生的連接技術在力學性能上難有廣泛的適用性。

綜上所述，現有裝配式連接技術均不同程度破壞或削弱了箱型截面桿件的先天性能優勢，且通用性不足，部分技術經濟性不佳。本專利技術方案針對該現狀，發展了一種適用于箱型截面單層網殼的新型裝配式連接系統，該新型連接系統不僅保持了箱型截面桿件的外觀效果和耐候性能優勢，還能提供較高的強軸抗彎、弱軸抗彎和軸向抗扭承載能力。通過合理設計高強螺栓直徑和數量、端板厚度等參數，本專利連接系統還可實現較寬范圍的連接剛度調節。更重要的是，本專利連接系統組件少，加工工藝簡單，誤差容忍性強，制造成本低，可廣泛推廣。

專利文獻1:尹德鈺,劉善緯.鋼網殼結構節點型式的綜述[J].鋼結構,1994,24(2):115-128。

專利文獻2:范峰,馬會環,沈世釗,等.裝配式空間結構CP型節點[P].中國.實用新型專利.CN 203559492 U,2014,04。

專利文獻3:Stephan S.,Sánchez-Alvarez J.and Knebel K..Reticulated Structures on Free-Form Surfaces[J].Stahlbau,2004,73(8):562-572。

專利文獻4:Kyung Ju Hwang.Advanced Investigations of Grid Spatial Structures Considering Various Connection Systems[D].Stuttgart:University Stuttgart,2010。

專利文獻5:范峰,馬會環,江鑫.空間結構半剛性C型節點優化及轉動性能試驗研究[J].建筑結構學報,2016,37(3),134-140。

專利文獻6:舒贛平,徐昆,張鵬,等.空間自由曲面網殼鋼結構的裝配式節點[P].中國.實用新型專利.CN 202577600 U,2012,12。

技術實現要素：

本發明主要是解決現有技術中存在的不足，提供一種結構緊湊，能夠避免桿件箱壁開孔，提高連接面強軸抗彎、弱軸抗彎和軸向抗扭剛度及承載力；同時還解決了桿件外觀輪廓破壞、耐候性降低和通用性不強等問題的一種箱型截面單層網殼的裝配式連接系統及其裝配方法、設計方法。

本發明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的：

一種箱型截面單層網殼的裝配式連接系統，包括端板Ⅰ和端板Ⅱ，端板Ⅰ與端板Ⅱ通過若干套筒螺栓連接固定；

端板Ⅰ與端板Ⅱ之間形成安裝操作孔；

端板Ⅰ、套筒螺栓、安裝操作孔和端板Ⅱ組合形成連接系統。

作為優選，端板Ⅰ和端板Ⅱ具有對稱性結構，其一面為桿件固定面,分別與相應箱型截面桿端相連；另一面為接觸接合面,中部設有若干螺栓孔；端板Ⅰ中的螺栓孔為光壁孔，端板Ⅱ中的螺栓孔為螺紋孔；桿件固定面上臨近周邊按需設有桿端固定凸緣；沿接觸結合面的周邊設有突出的接觸承壓凸緣，接觸承壓凸緣上設有凹缺；套筒螺栓穿過端板Ⅰ和端板Ⅱ上的螺栓孔將其相向對齊緊固，上述接觸承壓凸緣上的凹缺對稱拼合形成安裝操作孔。

作為優選，所述的安裝操作孔對應設有封閉安裝操作孔的安裝操作孔蓋板。

作為優選，所述的安裝操作孔的周邊增設有耳板，所述的安裝操作孔蓋板與耳板通過沉頭固定螺絲緊固定位，所述的安裝操作孔蓋板的外表面與端板Ⅰ、端板Ⅱ的側表面平齊。

作為優選，安裝操作孔蓋板不是必需有的，安裝操作孔蓋板與安裝操作孔的固定方式，可以是多種，可以是螺釘、過盈、焊接等多種方式。

作為優選，套筒螺栓包括套筒式高強螺栓桿，套筒式高強螺栓桿上套有環形墊片，套筒式高強螺栓桿中段表面設有可調節長滑槽，套筒式高強螺栓桿上套有套筒(，套筒與可調節長滑槽通過抗扭銷釘進行限位。

一種箱型截面單層網殼的裝配式連接系統的裝配方法，按以下步驟進行：

(1).工廠生產期間先將若干套筒螺栓全部安裝在端板Ⅰ的對應螺栓孔上，套筒和滑槽與接觸承壓凸緣位于同側；

(2).將裝有若干套筒螺栓的端板Ⅰ和端板Ⅱ的桿端固定面分別與對應的箱型截面桿端或節點固定連接；

(3).將安裝好端板的桿件或節點從工廠整體運至安裝現場；

(4).在安裝現場，待構件或節點吊裝到位后，將對應的端板Ⅰ和端板Ⅱ的接觸結合面相向對齊抵近，扳手自安裝操作孔進入兩塊端板之間，擰動套筒，帶動高強螺栓桿，將若干套筒螺栓擰入端板Ⅱ上的對應螺紋孔，使得該兩部分緊固連接；

(5).最后安裝蓋板封閉安裝操作孔，形成密封整體，以實現連接功能。

一種箱型截面單層網殼的裝配式連接系統的設計方法，按以下步驟進行：

安裝操作孔設置以便于實現全部套筒螺栓安裝為準，盡量減小安裝操作孔尺寸和數量，且安裝操作孔應盡量設置在接觸承壓凸緣上正應力小的區段；

蓋板主要作用是封閉安裝操作孔，并提高連接面的抗剪及抗扭承載能力；蓋板的厚度依抗剪承載需求設計，輪廓、尺寸和數量應與安裝操作孔對應，以保證蓋板能方便且縫隙密合地嵌入安裝操作孔，并用沉頭螺絲固定；

上述接觸承壓凸緣的厚度應根據接觸面局部承壓強度驗算確定，承壓接觸面按普通承壓型高強螺栓連接接觸面處理，刨平并保持清潔即可；

上述桿端固定凸緣，當端板與桿端采用焊接連接時，其功能為托弧板；當端板與桿端采用扣管連接時，其功能為內襯；當端板與桿端采用自攻釘或射釘連接時，其功能為連接板，因此桿端固定凸緣截面尺寸應根據相應連接方式設計；

上述端板Ⅰ和端板Ⅱ的厚度和高強螺栓桿的直徑應根據連接面的整體轉動剛度、變形和承載力要求設計；螺栓孔的數量和布置應根據本連接需傳遞的內力特征設計；

上述套筒螺栓的組數為若干，最常用值為1、2、3；對于截面較小的軸心受力桿的連接面，可令組數N＝1；對于小偏心壓彎桿件或小軸心拉力的拉彎桿件的連接面，可令組數N＝2；；對于大軸心拉力的拉彎或大偏心壓彎桿件的連接面，可令組數N＝3；

在端板Ⅰ上螺栓孔與高強螺栓桿之間有一定量的間隙6mm～16mm，為保證壓應力能均勻而有效地傳遞，在高強螺栓桿的圓螺帽和左端板Ⅰ的桿端固定面(6)之間增設活動的環形厚墊片，其厚度不小于螺栓孔與高強度螺栓桿的直徑之差；

端板Ⅰ和端板Ⅱ與桿件軸線正交時，其外輪廓形狀和尺寸與相連桿件的橫截面一致；端板Ⅰ和端板Ⅱ若與相連桿件軸線斜交時，外輪廓形狀和尺寸與相連桿件的對應斜截面一致。

與現有連接技術相比，本發明的有益效果是：本發明公布的裝配式連接系統將安裝操作孔合理布置在連接端板之間，未削弱桿件自身承載能力；通過套筒螺栓組合件與接觸承壓凸緣的共同工作，使得該連接系統具有較高的抗彎剛度和承載能力；接觸承壓凸緣之間的接觸摩擦和蓋板的抗滑移作用還賦予了該連接系統較高的橫截面抗剪和抗扭承載能力；該連接系統不僅構造簡單、加工方便和連接可靠，而且對箱型截面桿的外觀效果沒有破壞，保有較高的密封性；該連接系統不針對具體節點開發，連接面轉動剛度設計范圍寬，可用于各類節點、桿件跨中、拐彎或轉折處連接，具有較高的通用性；用料省，加工簡單，生產成本較低，便于推廣應用。

附圖說明

圖1為本發明的爆炸結構示意圖；

圖2圖1的裝配結構示意圖；

圖3是本發明中含單個螺栓的結構示意圖；

圖4是圖3的裝配結構示意圖；

圖5是本發明中含2個螺栓的結構示意圖；

圖6是圖5的裝配結構示意圖；

圖7是本發明中左端板的結構示意圖；

圖8是本發明中右端板的結構示意圖；

圖9是本發明中螺栓的爆炸結構示意圖；

圖10是圖9的裝配結構示意圖；

圖11是本發明與單層網殼節點的結構示意圖；

圖12是本發明與雙向折彎構件的結構示意圖。

附圖標記：1、箱型截面桿端Ⅰ；3、箱型截面桿端Ⅱ。

具體實施方式

下面通過實施例，并結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。

實施例1：

如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、和圖12所示，一種箱型截面單層網殼的裝配式連接系統，包括端板Ⅰ2和端板Ⅱ3，端板Ⅰ2與端板Ⅱ3通過若干套筒螺栓5連接固定；

端板Ⅰ2與端板Ⅱ3之間形成安裝操作孔12；

端板Ⅰ2、套筒螺栓5、安裝操作孔12和端板Ⅱ4組合形成連接系統。

端板Ⅰ2和端板Ⅱ3具有對稱性結構，其一面為桿件固定面6,分別與相應箱型截面桿端相連；另一面為接觸接合面9,中部設有若干螺栓孔8；端板Ⅰ2中的螺栓孔為光壁孔，端板Ⅱ3中的螺栓孔為螺紋孔；桿件固定面6上臨近周邊按需設有桿端固定凸緣7；沿接觸結合面9的周邊設有突出的接觸承壓凸緣10，接觸承壓凸緣10上設有凹缺11；套筒螺栓5穿過端板Ⅰ和端板Ⅱ3上的螺栓孔8將其相向對齊緊固，上述接觸承壓凸緣10上的凹缺11對稱拼合形成安裝操作孔12。

所述的安裝操作孔12對應設有封閉安裝操作孔12的安裝操作孔蓋板13。

所述的安裝操作孔12的周邊增設有耳板14，所述的安裝操作孔蓋板13與耳板14通過沉頭固定螺絲緊固定位，所述的安裝操作孔蓋板13的外表面與端板Ⅰ2、端板Ⅱ3的側表面平齊。

套筒螺栓5包括套筒式高強螺栓桿15，套筒式高強螺栓桿15上套有環形墊片16，套筒式高強螺栓桿15中段表面設有可調節長滑槽17，套筒式高強螺栓桿15上套有套筒18，套筒18與可調節長滑槽17通過抗扭銷釘19進行限位。

一種箱型截面單層網殼的裝配式連接系統的裝配方法，按以下步驟進行：

(1).工廠生產期間先將若干套筒螺栓5全部安裝在端板Ⅰ2的對應螺栓孔8上，套筒18和滑槽17與接觸承壓凸緣10位于同側；

(2).將裝有若干套筒螺栓5的端板Ⅰ2和端板Ⅱ3的桿端固定面6分別與對應的箱型截面桿端或節點固定連接；

(3).將安裝好端板的桿件或節點從工廠整體運至安裝現場；

(4).在安裝現場，待構件或節點吊裝到位后，將對應的端板Ⅰ2和端板Ⅱ3的接觸結合面9相向對齊抵近，扳手自安裝操作孔12進入兩塊端板之間，擰動套筒18，帶動高強螺栓桿15，將若干套筒螺栓5擰入端板Ⅱ上的對應螺紋孔8，使得該兩部分緊固連接；

(5).最后安裝蓋板13封閉安裝操作孔12，形成密封整體，以實現連接功能。

一種箱型截面單層網殼的裝配式連接系統的設計方法，其特征在于按以下步驟進行：

安裝操作孔12設置以便于實現全部套筒螺栓5安裝為準，盡量減小安裝操作孔12尺寸和數量，且安裝操作孔12應盡量設置在接觸承壓凸緣(10)上正應力小的區段；

蓋板13主要作用是封閉安裝操作孔12，并提高連接面的抗剪及抗扭承載能力；蓋板13的厚度依抗剪承載需求設計，輪廓、尺寸和數量應與安裝操作孔12對應，以保證蓋板13能方便且縫隙密合地嵌入安裝操作孔12，并用沉頭螺絲固定；

上述接觸承壓凸緣10的厚度應根據接觸面局部承壓強度驗算確定，承壓接觸面按普通承壓型高強螺栓連接接觸面處理，刨平并保持清潔即可；

上述桿端固定凸緣7，當端板與桿端采用焊接連接時，其功能為托弧板；當端板與桿端采用扣管連接時，其功能為內襯；當端板與桿端采用自攻釘或射釘連接時，其功能為連接板，因此桿端固定凸緣7截面尺寸應根據相應連接方式設計；

上述端板Ⅰ2和端板Ⅱ3的厚度和高強螺栓桿15的直徑應根據連接面的整體轉動剛度、變形和承載力要求設計；螺栓孔8的數量和布置應根據本連接需傳遞的內力特征設計；

上述套筒螺栓5的組數為若干，最常用值為1、2、3；對于截面較小的軸心受力桿的連接面，可令組數N＝1；對于小偏心壓彎桿件或小軸心拉力的拉彎桿件的連接面，可令組數N＝2；；對于大軸心拉力的拉彎或大偏心壓彎桿件的連接面，可令組數N＝3；

在端板Ⅰ2上螺栓孔8與高強螺栓桿15之間有一定量的間隙6mm～16mm，為保證壓應力能均勻而有效地傳遞，在高強螺栓桿15的圓螺帽和左端板Ⅰ2的桿端固定面6之間增設活動的環形厚墊片16，其厚度不小于螺栓孔8與高強度螺栓桿15的直徑之差；

端板Ⅰ2和端板Ⅱ3與桿件軸線正交時，其外輪廓形狀和尺寸與相連桿件的橫截面一致；端板Ⅰ2和端板Ⅱ3若與相連桿件軸線斜交時，外輪廓形狀和尺寸與相連桿件的對應斜截面一致。