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，具體涉及一種外環(huán)內(nèi)六角形空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)裝配式節(jié)點(diǎn)。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速的發(fā)展，建筑設(shè)計(jì)理論不段提高，建筑形式靈活多樣的單層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)被廣泛運(yùn)用在各類地標(biāo)性鋼結(jié)構(gòu)建筑當(dāng)中。其中裝配式空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以其建造周期短、施工方便、施工污染少在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中所占的比例也越來越大。隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技藝的不斷提升，人們?cè)絹碓阶非筚|(zhì)量輕盈結(jié)構(gòu)線條優(yōu)美的建筑形式。而裝配式節(jié)點(diǎn)作為裝配式空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的重要組成部分自然也受到了人們的廣泛關(guān)注，但是現(xiàn)有技術(shù)的球面螺栓球等裝配式節(jié)點(diǎn)主要用于規(guī)則形曲面而且其重量較大，而以高精度加工而成的裝配式節(jié)點(diǎn)體系往往又造價(jià)太高。因此，開發(fā)出一種質(zhì)量小、裝配性能好、造價(jià)適中同時(shí)又滿足力學(xué)性能要求的裝配式節(jié)點(diǎn)是非常必要的。

基于此本發(fā)明公開了一種外環(huán)內(nèi)六角形空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)裝配式節(jié)點(diǎn)，該種節(jié)點(diǎn)質(zhì)量輕盈，具有良好的裝配性能，富有卓越的建筑美感，達(dá)到力學(xué)和美學(xué)的統(tǒng)一，深受建筑師和結(jié)構(gòu)師喜愛，在單層空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有裝配式節(jié)點(diǎn)存在的問題，提供一種節(jié)點(diǎn)質(zhì)量輕盈、可快速現(xiàn)場(chǎng)裝配且力學(xué)性能優(yōu)良的單層空間三角形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)裝配式節(jié)點(diǎn)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種外環(huán)內(nèi)六角形空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)裝配式節(jié)點(diǎn)，包括內(nèi)環(huán)(1)、外環(huán)(2)、中心環(huán)(3)、螺栓(5)、封板(6)和連接桿件(7)，所述內(nèi)環(huán)(1)和外環(huán)(2)均為圓柱，且所述內(nèi)環(huán)(1)沿中心軸開設(shè)有圓形孔洞一(16)，所述外環(huán)(2)沿中心軸開設(shè)有圓形孔洞二(17)；

所述中心環(huán)(3)為六角星形柱體，所述中心環(huán)(3)包括外凸六角(14)，所述外凸六角(14)均處于同一個(gè)圓形面一上，所述中心環(huán)(3)沿中心軸開設(shè)有六角星形孔洞(18)，所述六角星形孔洞(18)包括內(nèi)凸六角(15)，所述內(nèi)凸六角(15)均處于同一個(gè)圓形面二上，所述外凸六角(14)的對(duì)稱面和內(nèi)凸六角(15)的對(duì)稱面為同一個(gè)平面；所述中心環(huán)(3)安裝于外環(huán)(2)的圓形孔洞二(17)中，所述圓形面一的直徑等于圓形孔洞二(17)的直徑，所述中心環(huán)(3)與外環(huán)(2)的中心軸在同一條直線上；所述內(nèi)環(huán)(1)安裝于中心環(huán)(3)的六角星形孔洞(18)中，所述中心環(huán)(3)的中心軸和內(nèi)環(huán)(1)的中心軸在同一條直線上，且所述圓形孔洞一(16)的直徑等于圓形面二的直徑；

所述外環(huán)(2)的外圓周壁上均勻開設(shè)有第二螺栓孔(9)，所述封板(6)上均勻開設(shè)有第三螺栓孔(11)，所述螺栓(5)依次穿過第三螺栓孔(11)和第二螺栓孔(9)將封板(6)與外環(huán)(2)連接，且所述封板(6)和連接桿件(7)固定連接。

進(jìn)一步的，所述內(nèi)環(huán)(1)、外環(huán)(2)、中心環(huán)(3)的整體結(jié)構(gòu)是基于商用軟件HYPERWORKS平臺(tái)，利用拓?fù)鋬?yōu)化原理，以節(jié)點(diǎn)應(yīng)變能最小為目標(biāo)函數(shù)，以連續(xù)體結(jié)構(gòu)變密度法為優(yōu)化算法，采用SIMP材料差值模型，以單元“單元密度”作為設(shè)計(jì)變量經(jīng)過迭代優(yōu)化而來；

應(yīng)變能公式可表述為其中C為應(yīng)變能，P＝KU，P為結(jié)構(gòu)所受外荷載向量矩陣，T為矩陣轉(zhuǎn)置符號(hào)，U為單元位移向量矩陣，K為剛度矩陣；

所述六角星形孔洞(18)、圓形孔洞二(17)、外凸六角(14)和內(nèi)凸六角(15)主要通過所述“單元密度”與節(jié)點(diǎn)的材料彈性模量之間的函數(shù)關(guān)系優(yōu)化得出，且所述函數(shù)關(guān)系為：

E(x_e)＝(x_e)^pE₀

0＜(x_e)_min≤x_e≤1

其中，E為單元優(yōu)化后彈性模量，E₀為初始彈性模量，p為懲罰系數(shù)，(x_e)_min為材料為空時(shí)的單元密度；x_e為單元材料密度，且x_e在0～1之間連續(xù)取值，程序優(yōu)化后單元材料密度x_e為[0.6，1]時(shí)保留該單元處材料，單元材料密度x_e為[0，0.6)時(shí)刪除該單元處材料。

進(jìn)一步的，所述中心環(huán)(3)的外側(cè)邊緣包括曲邊一(21)和弧邊一(23)，所述六角星形孔洞(18)包括曲邊二(22)和弧邊二(24)，所述曲邊一(21)符合所述曲邊二(22)符合f(x)＝-1.57x²+6.78。

進(jìn)一步的，所述外環(huán)(2)的外圓周面切割成十二邊形，所述十二邊形包括長(zhǎng)邊(19)和短邊(20)，所述長(zhǎng)邊(19)和短邊(20)交錯(cuò)設(shè)置，所述長(zhǎng)邊(19)長(zhǎng)度均相等，所述短邊(20)長(zhǎng)度均相等；所述長(zhǎng)邊的中垂線(12)與外凸六角(14)的中心軸在同一條直線上，所述短邊的中垂線(13)與內(nèi)凸六角(15)的中心軸在同一條直線上。

進(jìn)一步的，所述圓形孔洞二(17)的內(nèi)圓周壁上安裝有內(nèi)墊片(4)，所述內(nèi)墊片(4)開設(shè)有第一螺栓孔(10)，且所述第一螺栓孔(10)、第二螺栓孔(9)和第三螺栓孔(11)的尺寸均相同。

進(jìn)一步的，所述內(nèi)墊片(4)一側(cè)為矩形平面，另一側(cè)為曲面，所述內(nèi)墊片(4)的曲面緊貼圓形孔洞二(17)的內(nèi)圓周壁，所述第一螺栓孔(10)連通第二螺栓孔(9)。

進(jìn)一步的，所述螺栓(5)伸入外環(huán)(2)內(nèi)的一端上具有螺紋，所述螺栓(5)依次穿過第三螺栓孔(11)、第二螺栓孔(9)和第一螺栓孔(10)后運(yùn)用螺帽(8)套在螺紋上穩(wěn)定連接。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)裝配式節(jié)點(diǎn)形式獨(dú)特，既增加了空間結(jié)構(gòu)的建筑美感又不失其優(yōu)越的力學(xué)性能，達(dá)到了建筑與結(jié)構(gòu)的完美統(tǒng)一；

本發(fā)明裝配式節(jié)點(diǎn)，其焊接作業(yè)全部在工廠完成，各部件生產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)工廠化加工，機(jī)械化程度高；

現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單，由于現(xiàn)場(chǎng)沒有焊接作業(yè)，有效減少了施工難度，降低施工工期，同時(shí)保證了施工質(zhì)量而且最大程度的減少了施工過程對(duì)環(huán)境的影響。

由于每個(gè)桿件由上下左右共四個(gè)高強(qiáng)螺栓與節(jié)點(diǎn)相連接，從而增加了裝配式節(jié)點(diǎn)在平面內(nèi)外的抗彎能力，提高了力學(xué)性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝配式節(jié)點(diǎn)組裝示意圖；

圖2是本發(fā)明裝配式節(jié)點(diǎn)分解示意圖；

圖3是本發(fā)明裝配式節(jié)點(diǎn)組裝俯視示意圖；

圖4是本發(fā)明裝配式節(jié)點(diǎn)的內(nèi)墊片示意圖；

圖5是本發(fā)明裝配式節(jié)點(diǎn)的封板示意圖；

圖6是本發(fā)明裝配式節(jié)點(diǎn)的中心環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記說明

1-內(nèi)環(huán)、2-外環(huán)、3-中心環(huán)、4-內(nèi)墊片、5-螺栓、6-封板、7-連接桿件、8-螺帽、9-第二螺栓孔、10-第一螺栓孔、11-第三螺栓孔、12-長(zhǎng)邊的中垂線、13-短邊的中垂線、14-外凸六角、15-內(nèi)凸六角、16-圓形孔洞一、17-圓形孔洞二、18-六角星形孔洞、19-長(zhǎng)邊、20-短邊、21-曲邊一、22-曲邊二、23-弧邊一，24-弧邊二。

具體實(shí)施方式

下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述，以下實(shí)施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1至圖3所示，一種外環(huán)內(nèi)六角形空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)裝配式節(jié)點(diǎn)，包括內(nèi)環(huán)1、外環(huán)2、中心環(huán)3、螺栓5、封板6和連接桿件7。封板6為矩形鋼板，且封板6上均勻開設(shè)有四個(gè)第三螺栓孔11，連接桿件7為矩形鋼管，封板6與連接桿件7焊接。

內(nèi)環(huán)1和外環(huán)2均為圓柱，且內(nèi)環(huán)1沿中心軸開設(shè)有圓形孔洞一16，外環(huán)2沿中心軸開設(shè)有圓形孔洞二17。

中心環(huán)3為六角星形柱體，且中心環(huán)3各邊均有一定的弧度。中心環(huán)3包括六個(gè)外凸六角14，六個(gè)外凸六角14均處于同一個(gè)圓形面一上。中心環(huán)3沿中心軸開設(shè)有六角星形孔洞18，六角星形孔洞18包括六個(gè)內(nèi)凸六角15，六個(gè)內(nèi)凸六角15均處于同一個(gè)圓形面二上，外凸六角14的對(duì)稱面和內(nèi)凸六角15的對(duì)稱面為同一個(gè)平面。中心環(huán)3安裝于外環(huán)2的圓形孔洞二17中，圓形面一的直徑等于圓形孔洞二17的直徑，中心環(huán)3與圓形孔洞二17焊接，且中心環(huán)3與外環(huán)2的中心軸在同一條直線上。內(nèi)環(huán)1安裝于中心環(huán)3的六角星形孔洞18中，圓形孔洞一16的直徑等于圓形面二的直徑，內(nèi)環(huán)1與六角星形孔洞18焊接，且中心環(huán)3的中心軸和內(nèi)環(huán)1的中心軸在同一條直線上。

內(nèi)環(huán)1、外環(huán)2、中心環(huán)3的整體結(jié)構(gòu)是基于商用軟件HYPERWORKS平臺(tái)，利用拓?fù)鋬?yōu)化原理，以節(jié)點(diǎn)應(yīng)變能最小為目標(biāo)函數(shù)，以連續(xù)體結(jié)構(gòu)變密度法為優(yōu)化算法，采用SIMP材料差值模型，以單元“單元密度”作為設(shè)計(jì)變量經(jīng)過迭代優(yōu)化而來；

應(yīng)變能公式可表述為其中C為應(yīng)變能，P＝KU，P為結(jié)構(gòu)所受外荷載向量矩陣，T為矩陣轉(zhuǎn)置符號(hào)，U為單元位移向量矩陣，K為剛度矩陣；

六角星形孔洞18、圓形孔洞二17、外凸六角14和內(nèi)凸六角15主要通過“單元密度”與節(jié)點(diǎn)的材料彈性模量之間的函數(shù)關(guān)系優(yōu)化得出，且函數(shù)關(guān)系為：

E(x_e)＝(x_e)^pE₀

0＜(x_e)_min≤x_e≤1

其中，E為單元優(yōu)化后彈性模量，E0為初始彈性模量，p為懲罰系數(shù)，(x_e)_min為材料為空時(shí)的單元密度；x_e為單元材料密度，且x_e在0～1之間連續(xù)取值，程序優(yōu)化后單元材料密度x_e為[0.6，1]時(shí)，表示該單元處材料很重要，保留該單元處材料，單元材料密度x_e為[0，0.6)時(shí)，表示該單元處材料不重要，刪除該單元處材料。

如圖6所示，中心環(huán)3的外側(cè)邊緣包括曲邊一21和弧邊一23，曲邊一21為中心環(huán)3外側(cè)面的六分之一，弧邊一23為外凸六角14處的邊。六角星形孔洞18包括曲邊二22和弧邊二24，曲邊22為中心環(huán)3內(nèi)側(cè)面的六分之一，弧邊二24為內(nèi)凸六角15處的邊，曲邊一21符合曲邊二22符合f(x)＝-1.57x²+6.78。

外環(huán)2的外圓周面切割成十二邊形，十二邊形包括六條長(zhǎng)邊19和六條短邊20。六條長(zhǎng)邊19長(zhǎng)度均相等，六條短邊20長(zhǎng)度均相等，長(zhǎng)邊19和短邊20交錯(cuò)設(shè)置。長(zhǎng)邊的中垂線12與外凸六角14的中心軸在同一條直線上，短邊的中垂線13與內(nèi)凸六角15的中心軸在同一條直線上。如圖3所示，長(zhǎng)邊的中垂線12與短邊的中垂線13的夾角為30°。外環(huán)2的外圓周壁上均勻開設(shè)有第二螺栓孔9，第二螺栓孔9處于長(zhǎng)邊所在的豎直平面上，且每個(gè)長(zhǎng)邊所在的豎直平面上共有四個(gè)第二螺栓孔9。

圓形孔洞二17的內(nèi)圓周壁上安裝有內(nèi)墊片4，內(nèi)墊片4開設(shè)有兩個(gè)第一螺栓孔10，且第一螺栓孔10、第二螺栓孔9和第三螺栓孔11的尺寸均相同。如圖4所示，內(nèi)墊片4一側(cè)為矩形平面，另一側(cè)為曲面，曲面的弧度與外環(huán)2內(nèi)圓周壁的弧度相吻合。內(nèi)墊片4的曲面緊貼圓形孔洞二17的內(nèi)圓周壁，第一螺栓孔10連通第二螺栓孔9，封板6上的第三螺栓孔11也與第二螺栓孔9相對(duì)稱。

螺栓5通過第三螺栓孔11、第二螺栓孔9和第一螺栓孔10依次連接封板6、外環(huán)2以及內(nèi)墊片4。螺栓5伸入外環(huán)2內(nèi)的一端上具有螺紋，螺栓5依次穿過第三螺栓孔11、第二螺栓孔9和第一螺栓孔10后運(yùn)用螺帽8套在螺紋上穩(wěn)定連接。螺栓5的另一端焊接在封板6上。

根據(jù)單層空間三角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)桿件的空間構(gòu)成，也可將外環(huán)2的外側(cè)面進(jìn)行相應(yīng)切割以適應(yīng)曲線不同角度的需要。

節(jié)點(diǎn)裝配時(shí)，先將螺栓5穿過封板6的第三螺栓孔11，將螺栓5的端部焊接在封板6的第三螺栓孔11外邊緣上。然后封板6再與連接桿件7焊接，并且螺栓5的端部一同焊接入連接桿件7。然后把內(nèi)環(huán)1、外環(huán)2和中心環(huán)3焊接組成一個(gè)整體，整個(gè)焊接過程在工廠批量完成，可大大提高組裝效率。內(nèi)墊片4可在工廠內(nèi)部與外環(huán)2的內(nèi)圓周面進(jìn)行簡(jiǎn)單的焊接固定，降低施工現(xiàn)場(chǎng)的高空對(duì)準(zhǔn)定位的難度。

將焊接組合后的封板6、螺栓5和連接桿件7以及焊接組合后的內(nèi)環(huán)1、外環(huán)2、中心環(huán)3和內(nèi)墊片4運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的整體吊裝。

吊裝時(shí)將螺栓5依次穿過外環(huán)2上的第二螺栓孔9和內(nèi)墊片4的第一螺栓孔10，穩(wěn)定整個(gè)裝置，并保持規(guī)整。最后，通過螺栓5在外環(huán)2內(nèi)的一端上具有的螺紋，運(yùn)用螺帽8擰緊整個(gè)連接裝置從而完成組裝。

本發(fā)明內(nèi)環(huán)1、外環(huán)2和中心環(huán)3的焊接工作在工廠完成，層次分明，構(gòu)成了新型本發(fā)明裝配式節(jié)點(diǎn)主體部分。由于中心環(huán)3的存在既減少了節(jié)點(diǎn)重量又增加了節(jié)點(diǎn)剛度，可謂是一舉兩得，在此基礎(chǔ)上還可適當(dāng)減小內(nèi)環(huán)1和外環(huán)2的厚度，進(jìn)一步減輕節(jié)點(diǎn)重量。當(dāng)整個(gè)節(jié)點(diǎn)受到壓力時(shí)，先由外環(huán)2承受，繼而通過中心環(huán)3的過渡將力傳給內(nèi)環(huán)1，傳力路徑明確。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。