防止桁架結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌的可滑動摩擦型連接節(jié)點的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種能在桁架結(jié)構(gòu)遭受局部初始破壞時，通過節(jié)點沿弦桿的滑動優(yōu)化剩余結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)形來防止桁架結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌的可滑動摩擦型連接節(jié)點。它可于現(xiàn)場安裝，通過高強螺栓固定于桁架弦桿上，并通過耳板銷軸連接的方式與腹桿相連。當承受常規(guī)荷載時，高強螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力將阻止節(jié)點沿弦桿滑動；而當桁架結(jié)構(gòu)遭受局部初始破壞時，若節(jié)點處存在過大的不平衡力，將克服預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力使節(jié)點向有利于不平衡力重分布的一側(cè)滑動，進而優(yōu)化結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)形。在此過程中，腹桿與節(jié)點的鉸接連接構(gòu)造允許腹桿繞節(jié)點的自由轉(zhuǎn)動，避免腹桿的壓彎失穩(wěn)。
【專利說明】防止桁架結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌的可滑動摩擦型連接節(jié)點
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，具體涉及一種防止桁架結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌的可滑動摩擦型連接節(jié)點。
【背景技術(shù)】
[0002]建筑結(jié)構(gòu)在局部初始破壞后發(fā)生連續(xù)性倒塌的這一破壞模式已成為當前結(jié)構(gòu)破壞的主要類型之一，特別是對于體量大、容納人數(shù)多的大型公共建筑等空間結(jié)構(gòu)，發(fā)生此類破壞時將造成巨大的人身財產(chǎn)損失并產(chǎn)生極大的社會影響。因此，空間結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)性倒塌設(shè)計是至關(guān)重要的。桁架結(jié)構(gòu)常用于大跨空間結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)初始破壞產(chǎn)生的不平衡力極易造成周圍結(jié)構(gòu)的極大變形，進而甚至可能誘發(fā)其余構(gòu)件的破壞。目前對桁架結(jié)構(gòu)的抗倒塌設(shè)計主要有兩種方式:加大構(gòu)件截面等增加結(jié)構(gòu)承載冗余的方式和改變桁架幾何構(gòu)形的拓撲優(yōu)化方式。但實際上，構(gòu)件截面的增大與空間結(jié)構(gòu)輕巧靈便的本質(zhì)是相矛盾的且構(gòu)件截面也不可能無節(jié)制地增大；另一方面，當局部初始破壞發(fā)生后，整體桁架已經(jīng)演變至與初始狀態(tài)完全偏離的幾何構(gòu)形。因此，當前的兩類方式應(yīng)用于桁架結(jié)構(gòu)都存在一定的問題，需要一種基于結(jié)構(gòu)倒塌過程構(gòu)形演變思想的設(shè)計或結(jié)構(gòu)構(gòu)造。該方法能實現(xiàn)在桁架倒塌過程中根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力的變化來局部優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)形，最大程度地使局部初始破斷產(chǎn)生的不平衡力分配至更多構(gòu)件，減少初始破壞位置周圍構(gòu)件發(fā)生破壞的可能，進而阻斷了破壞的傳遞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為克服當前桁架結(jié)構(gòu)抗倒塌設(shè)計中的不足，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)局部初始破壞后的結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)形來減小初始破壞位置周圍構(gòu)件發(fā)生連續(xù)破壞的可能，本發(fā)明的目的在于提供一種防止桁架結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌的可滑動摩擦型連接節(jié)點。該節(jié)點構(gòu)造在桁架結(jié)構(gòu)承受常規(guī)荷載時同直接焊接相貫節(jié)點、端板銷軸節(jié)點等目前常用的節(jié)點構(gòu)造性能接近或相同；但當局部初始破壞發(fā)生后，若不平衡力擴展的過程中造成節(jié)點兩側(cè)弦桿產(chǎn)生極大的不平衡力時，該節(jié)點便可沿著弦桿滑動，同時配合節(jié)點腹桿端的鉸接構(gòu)造，使整體桁架形成有利于繼續(xù)承載的新的幾何構(gòu)形。尤其是應(yīng)用于桁架下弦節(jié)點時，能充分地調(diào)整下弦各段間的不平衡力，使下弦各段均能充分地參與到懸鏈線作用抵抗連續(xù)性倒塌的過程中，防止某一段過分拉伸而斷裂。
[0004]本發(fā)明提出的防止桁架結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌的可滑動摩擦型連接節(jié)點，包括弦桿、弦桿上部連接件、弦桿下部連接件、腹桿和腹桿連接件，所述弦桿上部連接件和弦桿下部連接件相對布置，組成套管，弦桿穿過弦桿上部連接件與弦桿下部連接件組成的套管空間，所述套管空間與弦桿的外表面吻合；弦桿上部連接件與弦桿下部連接件通過高強螺栓連接，使弦桿上部連接件、弦桿和弦桿下部連接件緊固成一體；所述腹桿連接腹桿連接件，腹桿連接件連接弦桿上部連接件和/或弦桿下部連接件；根據(jù)桁架節(jié)點的位置與形式，弦桿上部連接件和弦桿下部連接件分別采用加勁半套管或加勁節(jié)點板半套管中任一種，與腹桿相連一側(cè)的弦桿上部連接件或弦桿下部連接件采用加勁節(jié)點板半套管，不與腹桿相連的一側(cè)弦桿上部連接件或弦桿下部連接件采用加勁半套管；所述節(jié)點構(gòu)造應(yīng)用于桁架承受常規(guī)荷載時，高強螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的靜摩擦力將阻止節(jié)點沿弦桿向任意一側(cè)滑動的可能；而當桁架結(jié)構(gòu)的局部發(fā)生初始破壞時，若節(jié)點處出現(xiàn)了超過靜摩擦力的極大的不平衡力，節(jié)點將沿著弦桿向有利于不平衡力重分布的一側(cè)滑動。
[0005]本發(fā)明中，所述加勁半套管包括半套管、高強螺栓連接板和加勁肋；所述半套管兩側(cè)設(shè)有高強螺栓連接板，其上設(shè)有加勁肋。
[0006]本發(fā)明中，所述加勁節(jié)點板半套管包括半套管、高強螺栓連接板、節(jié)點板和加勁肋；所述半套管頂部設(shè)有節(jié)點板，兩側(cè)設(shè)有高強螺栓連接板，其上設(shè)有加勁肋。
[0007]本發(fā)明中，所述半套管視弦桿的截面形狀而選擇半圓形或半方形結(jié)構(gòu)。
[0008]本發(fā)明中，所述節(jié)點板視連接腹桿的數(shù)量而開不同數(shù)量的連接孔。
[0009]本發(fā)明中，所述腹桿連接件由端板和耳板組成，耳板為兩塊并排焊接于端板一側(cè)，另一側(cè)焊接腹桿；加勁節(jié)點板半套管的節(jié)點板插入腹桿連接件耳板之間，并穿過銷軸使腹桿連接件與加勁節(jié)點板半套管實現(xiàn)鉸接。
[0010]本發(fā)明中，所述節(jié)點構(gòu)造應(yīng)用于桁架承受常規(guī)荷載時，高強螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的靜摩擦力將阻止節(jié)點沿弦桿向任意一側(cè)滑動的可能；而當桁架結(jié)構(gòu)的局部發(fā)生初始破壞時，若節(jié)點處出現(xiàn)了超過靜摩擦力的極大的不平衡力，節(jié)點將沿著弦桿向有利于不平衡力重分布的一側(cè)滑動。
[0011]本發(fā)明的基本思路是使用高強螺栓提供的預(yù)緊力將節(jié)點件安裝固定在桁架弦桿上，并通過銷軸連接的方式與腹桿相連。在桁架承受常規(guī)荷載時，高強螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的靜摩擦力將阻止節(jié)點沿弦桿向任意一側(cè)滑動的可能；而當桁架結(jié)構(gòu)的局部發(fā)生初始破壞時，若節(jié)點處出現(xiàn)了超過靜摩擦力的極大的不平衡力，節(jié)點將沿著弦桿向有利于不平衡力重分布的一側(cè)滑動。因此，本節(jié)點的構(gòu)造由弦桿上部連接件、節(jié)點下部連接件和腹桿連接件三部分構(gòu)成，并通過高強螺栓、銷軸和栓釘在現(xiàn)場安裝。兩個弦桿連接件分別從上下對齊套在弦桿上并用高強螺栓固定，此時兩個弦桿連接件形成的套管的內(nèi)表面與弦桿的外表面吻合(弦桿可以是圓鋼管或方鋼管)。兩個弦桿連接件的總高度小于弦桿，套在弦桿上時兩個弦桿連接件之間留有空隙，使高強螺栓能提供充分的預(yù)緊力，進而在套管表面與弦桿外表面之間產(chǎn)生靜摩擦力。腹桿末端直接焊接在腹桿連接件的端板上(工廠預(yù)制)，端板另一側(cè)為并排的兩個開圓洞耳板。將腹桿連同腹桿連接件插入加勁節(jié)點板半套管上的節(jié)點板，并用銷軸安裝固定，即可實現(xiàn)腹桿與弦桿的鉸接連接。鉸接構(gòu)造對節(jié)點性能的充分發(fā)揮是至關(guān)重要的:因為當節(jié)點滑動時，鉸接構(gòu)造允許在整體構(gòu)形改變的情況下，腹桿不會因端部的相對移動出現(xiàn)彎曲而過早壓彎失穩(wěn)。同時，該節(jié)點構(gòu)造無需現(xiàn)場焊接，安全高效。
[0012]本發(fā)明的有益效果是，可以方便地應(yīng)用于任意類型桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計及施工中，能在桁架遭受局部初始破壞的情況下，重新構(gòu)造適于抵抗連續(xù)性倒塌的桁架幾何構(gòu)形，有效的平衡局部初始破壞產(chǎn)生的極大的不平衡力，防止破壞在結(jié)構(gòu)內(nèi)擴展造成連續(xù)性倒塌。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本節(jié)點構(gòu)造應(yīng)用于平面K形節(jié)點時的軸視圖，此時弦桿上部連接件為加勁節(jié)點板半套管，弦桿下部連接件為加勁半套管。[0014]圖2是本節(jié)點構(gòu)造應(yīng)用于平面DY型節(jié)點時的軸視圖，此時弦桿上部連接件與下部連接件均為加勁節(jié)點板半套管。
[0015]圖3是本節(jié)點構(gòu)造應(yīng)用于平面K形節(jié)點時的正視圖。
[0016]圖4是本節(jié)點構(gòu)造應(yīng)用于平面K形節(jié)點時的俯視圖。
[0017]圖5是本節(jié)點構(gòu)造應(yīng)用于平面K形節(jié)點時的側(cè)視圖。
[0018]圖6是本節(jié)點構(gòu)造中加勁半套管的組分。
[0019]圖7是本節(jié)點構(gòu)造中加勁節(jié)點板半套管的組分。
[0020]圖8是本節(jié)點構(gòu)造中腹桿連接件的組分。
[0021]圖9是本節(jié)點構(gòu)造應(yīng)用于平面K形節(jié)點時的受力平衡示意圖。
[0022]圖10是螺栓預(yù)緊力為弦桿提供的徑向壓力示意圖。
[0023]圖11是典型Warren祐1架發(fā)生局部初始破壞的示意圖,此時Warren祐1架中的節(jié)點為平面K形節(jié)點。
[0024]圖12是采用直接焊接相貫節(jié)點構(gòu)造的圖9示祐1架的變形示意圖。
[0025]圖13是采用本發(fā)明節(jié)點構(gòu)造的圖9示祐1架的變形示意圖。
[0026]圖中標號:1.弦桿，2.腹桿，3.弦桿上部連接件，4.弦桿下部連接件，5.高強螺栓，6.腹桿連接件，7.銷軸及栓釘，8.半套管，9.高強螺栓連接板，10.加勁肋，11.節(jié)點板，12.端板，13.耳板。
【具體實施方式】
[0027]下面通過實施例結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明。
[0028]實施例1:
一、本節(jié)點構(gòu)造的組成部分，如圖1-圖8所示，由4個主要組成部分:
①弦桿上部連接件3；
②弦桿下部連接件4；
③腹桿連接件6
④高強螺栓5和銷軸及栓釘7為安裝用零件。
[0029]弦桿上部連接件3和弦桿下部連接件4視桁架節(jié)點的位置與形式選擇加勁半套管或加勁節(jié)點板半套管，例如圖1中當本節(jié)點構(gòu)造應(yīng)用于平面K形節(jié)點時，弦桿上部連接件3使用加勁節(jié)點板半套管，弦桿下部連接件4使用加勁半套管；而圖2中當本節(jié)點構(gòu)造應(yīng)用于平面DY型節(jié)點時，弦桿上部連接件3與弦桿下部連接件4均使用加勁節(jié)點板半套管。如圖6所示，加勁半套管構(gòu)造包括半套管8、高強螺栓連接板9和加勁肋10，兩塊高強螺栓連接板9分別焊接于半套管8的兩側(cè)，其上開孔用以連接螺栓。加勁肋10的下部焊接于半套管
8、端部焊接于高強螺栓連接板9 ;如圖7所示，加勁節(jié)點板半套管構(gòu)造包括半套管8、高強螺栓連接板9、節(jié)點板11和加勁肋10，兩塊高強螺栓連接板9分別焊接于半套管8的兩側(cè)，其上開孔用以連接螺栓。一塊節(jié)點板11沿長度方向焊接于半套管8的正上方，加勁肋10的下部焊接于半套管8、端部分別焊接于高強螺栓連接板9和節(jié)點板11。如圖8所示，所述腹桿連接件6由端板12和耳板13組成，每個連接件的耳板13有兩塊，平行焊接于端板12之上。
[0030]以本發(fā)明應(yīng)用于平面K形圓鋼管節(jié)點為例介紹本節(jié)點構(gòu)造各組成部分的連接方式，圖3、圖4和圖5分別此種情況的正視圖、俯視圖與側(cè)視圖。弦桿上部連接件3與弦桿下部連接件4分別從上下對齊套在弦桿I上，并用高強螺栓5固定和施加充分的預(yù)緊力。腹桿2末端直接焊接在腹桿連接件6的端板12上，腹桿連接件6的耳板13插入加勁節(jié)點板半套管的節(jié)點板11，并用銷軸及栓釘7安裝固定。
[0031]將上述部件按圖1-圖8所示方式連接，該領(lǐng)域技術(shù)人員均能順利實施。
[0032]二、本節(jié)點構(gòu)造在承受常規(guī)荷載時的工作原理及受力機制
圖9、圖10展示了本節(jié)點構(gòu)造的工作原理及受力機制。當應(yīng)用于其他類型的節(jié)點時，可通過簡單的改變弦桿連接件的形狀來實現(xiàn)。
[0033]在承受常規(guī)荷載時，節(jié)點兩側(cè)的弦桿主要承受軸力和節(jié)點與弦桿之間的摩擦力。其水平方向的受力平衡為:
FiH = O (I)同時，高強螺栓的預(yù)緊力產(chǎn)生了弦桿連接件的套管與弦桿之間的徑向壓力/V:
【權(quán)利要求】
1.一種防止桁架結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌的可滑動摩擦型連接節(jié)點，包括弦桿、弦桿上部連接件、弦桿下部連接件、腹桿和腹桿連接件，其特征在于所述弦桿上部連接件和弦桿下部連接件相對布置，組成套管，弦桿穿過弦桿上部連接件與弦桿下部連接件組成的套管空間，所述套管空間與弦桿的外表面吻合；弦桿上部連接件與弦桿下部連接件通過高強螺栓連接，使弦桿上部連接件、弦桿和弦桿下部連接件緊固成一體；所述腹桿連接腹桿連接件，腹桿連接件連接弦桿上部連接件和/或弦桿下部連接件；根據(jù)桁架節(jié)點的位置與形式，弦桿上部連接件和弦桿下部連接件分別采用加勁半套管或加勁節(jié)點板半套管中任一種，與腹桿相連一側(cè)的弦桿上部連接件或弦桿下部連接件采用加勁節(jié)點板半套管，不與腹桿相連的一側(cè)弦桿上部連接件或弦桿下部連接件采用加勁半套管；所述節(jié)點構(gòu)造應(yīng)用于桁架承受常規(guī)荷載時，高強螺栓預(yù)緊力產(chǎn)生的靜摩擦力將阻止節(jié)點沿弦桿向任意一側(cè)滑動的可能；而當桁架結(jié)構(gòu)的局部發(fā)生初始破壞時，若節(jié)點處出現(xiàn)了超過靜摩擦力的極大的不平衡力，節(jié)點將沿著弦桿向有利于不平衡力重分布的一側(cè)滑動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防止桁架結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌的可滑動摩擦型連接節(jié)點，其特征在于所述加勁半套管包括半套管、高強螺栓連接板和加勁肋；所述半套管兩側(cè)設(shè)有高強螺栓連接板，其上設(shè)有加勁肋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防止桁架結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌的可滑動摩擦型連接節(jié)點，其特征在于所述加勁節(jié)點板半套管包括半套管、高強螺栓連接板、節(jié)點板和加勁肋；所述半套管頂部設(shè)有節(jié)點板，兩側(cè)設(shè)有高強螺栓連接板，其上設(shè)有加勁肋。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的防止桁架結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌的可滑動摩擦型連接節(jié)點，其特征在于所述半套管視弦桿的截面形狀而選擇半圓形或半方形結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的防止桁架結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)性倒塌的可滑動摩擦型連接節(jié)點，其特征在于所述腹桿連接件由端板和耳板組成，耳板為兩塊并排焊接于端板一側(cè)，另一側(cè)用以焊接腹桿；加勁節(jié)點板半套管的節(jié)點板插入腹桿連接件耳板之間，并穿過銷軸使腹桿連接件與加勁節(jié)點板半套管實現(xiàn)鉸接。
【文檔編號】E04B1/58GK103758215SQ201410003749
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月6日
【發(fā)明者】趙憲忠, 閆伸, 徐振宇 申請人:同濟大學(xué)