空間結構用增強型板式控火節點結構的製作方法

2023-11-11 13:52:22

本發明涉及土木工程與建築防火領域，具體涉及用於空間結構中節點結構的一種空間結構用增強型板式控火節點結構。

背景技術：

鋁合金材料具有強重比高、易加工、耐鏽蝕、外觀色澤好等優點，但也有高溫下材料性能退化迅速、熱膨脹係數大等不足，制約了該材質的網殼結構在空間結構建築中的更大範圍使用，表面耐鏽蝕、色澤好的特點也與大面積噴塗防火塗料進行防火保護不相適應，目前僅用於火災荷載相對較小的建築場所。

鋁鎂矽合金（簡稱鋁合金）網殼結構作為空間結構的一種，目前主要的使用於民用公共建築（體育場、會展中心、劇場）及工業建築（石化儲罐、燃煤堆場、汙水處理廠）中，且呈蓬勃興建的趨勢。

板式節點作為其傳遞彎矩與剪力的關鍵部件，重要性不言而喻。目前我國工程中常用的餅狀節點盤直徑為250mm～550mm，工字型截面梁高度280mm～550mm。

現有技術中，鋁合金網殼結構用板式節點結構由美國temcor公司最初開發，即通過多個螺栓穿過預留在餅狀節點盤及多根工字型截面梁翼緣的圓孔並緊固，形成以節點盤為中心的枝杈狀節點結構。由於多根工字型截面梁的上翼緣、下翼緣分別只通過上下節點盤間接連接，造成了板式節點腹板域間斷，因而彎矩與剪力的傳遞能力較薄弱，且一直以來節點形式較為單一，過多的螺栓使用也給施工帶來不便。

針對傳統板式節點結構傳遞彎矩與剪力能力的不足，已有多項專利採取了不同的方法予以加強：

專利201310385700.2採用在上下節點盤之間增設H型鋁豎向肋板，在H型鋁豎向肋板兩側增設T型鋁環向肋板的方法予以加強，H型鋁豎向肋板與上下節點盤之間、T型鋁環向肋板與H型鋁豎向肋板之間均採用螺栓連接，有較為清晰的傳力路徑，但對於截面規格較高的節點結構需要額外為滿足H型鋁豎向肋板腹板的平面外穩定增設多層T型鋁環向肋板，過多的螺栓使用容易引起施工的不便，造成的節點腹板域空隙減小容易影響穿行管線；

專利201420196343.5採用增設上下中心連接環的方法予以加強，中心連接環包括：水平肋板、豎向肋板和中心鋁管，據悉能夠提高一倍的抗彎剛度，但中心連接環需要依靠上述子部件之間焊接製備或一體擠壓製備，焊接會導致鋁合金材料強度大幅降低，複雜形態的鋁合金部件擠壓成型難以保證產品質量均勻，且仍較多的增加了螺栓的使用；

專利201510194067.8採用在上下節點盤相對表面間加設空心六稜柱並將其六個外側面分別與加設於工字型截面梁端部的端平板面貼緊、栓接的方法予以加強，增強了彎矩與剪力的傳遞能力，一定程度上減少了螺栓的使用數量，改善了鋁合金網殼結構的施工便捷性，但未給基於受力分析的板式節點精細化設計提供可能，同時板式節點腹板域封閉使利用工字型截面梁間空隙穿行管線失去可能，引起了建築內其它設施設計、施工的不便；

專利201610511897.3、專利201610519759.X均通過在節點結構不同部位採用栓焊混合的方法予以加強，前者在工字型截面梁翼緣與節點盤栓接的基礎上，對兩者貼靠處的縫隙進行施焊，後者在工字型截面梁腹板與中心空心圓柱頂緊的基礎上，對於兩者的頂靠處進行施焊，兩者在增加節點結構剛度的同時，也增加了施工工序的複雜程度，且焊接後的鋁合金材料強度會大幅降低；專利201610511976.4、專利201610511899.2均採用對工字型截面梁的翼緣倒角端改造的方法予以加強，前者對節點域附近的工字型截面梁翼緣倒角端進行加厚處理，增加了翼緣與單個螺栓的剪切面積，後者對節點域附近的工字型截面梁翼緣倒角端進行加寬處理，增加了翼緣與節點盤之間連接螺栓的數量，兩者本質上均是利用增加總受剪切面積的方法提高節點結構傳遞剪力的能力。上述四項專利中心均設置了接觸上下節點盤相對表面的柱狀結構，導致節點腹板域封閉，使利用工字型截面梁間空隙穿行管線失去可能。

總結以上現有技術可以發現：1、提出的增強板式節點傳遞彎矩與剪力能力的方法均不同程度的涉及螺栓使用數量的增加、焊接連接方式的使用、較複雜的擠壓製備件和節點腹板域的封閉，容易引起施工不便和造價上升的問題；2、忽略了網殼結構中不同位置的節點受力的差異性，均表達了同等程度的加強的理念，未對基於受力分析的板式節點承載力精細化加強提出子部件構造；3、板式節點結構的設計、施工中同樣沒有為控制火災、保護結構構件而在節點內預留位置及安裝設施，缺乏結構受力、建築防火一體化設計理念，未能拓展鋁合金網殼結構的服役建築場所。

技術實現要素：

鑑於現有技術的狀況及存在的不足，本發明提供了一種空間結構用增強型板式控火節點結構。

本發明克服了現有技術中：主要依賴螺栓連接、焊接連接，增強鋁合金網殼結構用板式節點結構彎矩與剪力傳遞能力與穿行管線不能兼顧的不足，缺乏建築結構設計與控制建築火災、保護結構構件一體化設計理念的現狀，未給基於板式節點結構受力狀況的精細化加強設計，進而實現降低工程造價、更加優化施工提供可能。

本發明能夠對按照建築設計要求對確定了規格的鋁合金板式節點結構（節點盤、工字型截面梁規格確定），根據要求設計彎矩與剪力傳遞能力的不同程度增強，也為穿行管線及其它設施預留了腹板域空間，同時實現了在節點結構中為控制火災、保護結構構件預留設備位置及安裝噴頭。

一組卡盤Ⅰ與圓柱增強環Ⅱ或稜柱增強環Ⅱ的聯合使用，可使節點結構不因下節點盤設置設備孔而引起彎矩與剪力傳遞能力的降低；一組卡盤Ⅱ與圓柱增強環Ⅰ或稜柱增強環Ⅰ的聯合使用，可使節點結構傳遞彎矩與剪力的能力提高30%左右。

本發明為實現上述目的，所採用的技術方案是：一種空間結構用增強型板式控火節點結構，包括上節點盤、下節點盤、工字型截面梁、螺栓、噴頭、管道、固定卡，其特徵在於：還包括卡盤Ⅰ、卡盤Ⅱ、圓柱增強環Ⅰ、圓柱增強環Ⅱ、稜柱增強環Ⅰ、稜柱增強環Ⅱ；

所述卡盤Ⅰ為圓形板狀，沿卡盤圓周等距設有六條公卡槽Ⅰ，在卡盤中心處設有設備孔Ⅰ；

所述卡盤Ⅱ為圓形板狀，沿卡盤圓周等距設有六條公卡槽Ⅱ；

所述圓柱增強環Ⅰ外側面等距設有六對長凸起筋Ⅰ，每對長凸起筋Ⅰ之間為凹槽Ⅰ；

所述圓柱增強環Ⅱ外側面等距設有六對短凸起筋Ⅰ，每對短凸起筋Ⅰ下端為止口Ⅰ，每對短凸起筋Ⅰ之間為凹槽Ⅱ；

所述稜柱增強環Ⅰ外側六個面中間分別設有一對長凸起筋Ⅱ，每對長凸起筋Ⅱ之間為凹槽Ⅲ；

所述稜柱增強環Ⅱ外側六個面中間分別設有一對短凸起筋Ⅱ，每對短凸起筋Ⅱ下端為止口Ⅱ，每對短凸起筋Ⅱ之間為凹槽Ⅳ；

所述工字型截面梁自由端腹板邊上，等距設有數條母卡槽；

所述下節點盤中心處設有設備孔Ⅱ；

六根工字型截面梁分別通過數個螺栓固定在上節點盤和下節點盤之間，六根工字型截面梁自下向上處於同一平面處的每六條母卡槽分別構成第一層母卡槽至第N層母卡槽，

在第一層母卡槽中設有卡盤Ⅰ，在卡盤Ⅰ和下節點盤之間設有圓柱增強環Ⅱ或稜柱增強環Ⅱ；

所述管道固定在一根工字型截面梁的腹板上，管道出水口設置在圓柱增強環Ⅱ或稜柱增強環Ⅱ內，

所述噴頭噴水端設置在下節點盤的設備孔Ⅱ內，噴頭進水端與管道出水口連接；

或，在第二層母卡槽至第N層母卡槽之間的各層的母卡槽中至少設有一個卡盤Ⅱ；

若卡盤Ⅱ與卡盤Ⅱ相鄰，則可填置一個圓柱增強環Ⅰ或稜柱增強環Ⅰ；

若卡盤Ⅱ與上節點盤相鄰，則可填置一個圓柱增強環Ⅱ或稜柱增強環Ⅱ。

本發明的有益效果是：

本發明的板式控火節點結構具有組成部件預製簡單、連接關係簡單的特點，特別是卡盤和增強環，僅需一次簡單擠壓成型，可保證產品質量均勻。

通過計算可以確定卡盤、加強環的使用數量，不同截面規格的工字型截面梁上的卡槽開設數量，合理精細的針對特定位置節點實現彎矩與剪力能力提高的設計目標，各組成部件之間的卡接、頂接、栓接有效的實現了彎矩與剪力傳遞和承載能力提升。

通過預留的上下卡盤之間的空隙、卡盤與節點盤之間的空隙可以穿行管線併合理規劃穿行位置，節約建築空間。

通過節點結構中控制火災、保護結構構件位置的預留及相應設施的安裝，實現了建築結構設計與控制建築火災、結構構件保護的一體化設計，拓展了鋁合金網殼結構的服役建築場所。

通過卡盤上卡槽的設計可以快速實現施工定位。

通過工字型截面梁端面的切削和卡槽角度的加工，滿足空間結構中杆件不同姿態的需求。

節點結構整體不需要焊接，螺栓使用數量減少，具備施工速度快，工程效率高、造價低的優勢，且在滿足防腐要求的前提下，不限制各組成部件的金屬材質。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明的主視圖；

圖3為本發明的結構分解示意圖；

圖4為本發明圓柱增強環Ⅰ的結構示意圖；

圖5為本發明圓柱增強環Ⅱ的結構示意圖；

圖6為本發明稜柱增強環Ⅰ的結構示意圖；

圖7為本發明稜柱增強環Ⅱ的結構示意圖；

圖8本發明實施例1的示意圖；

圖9本發明實施例2的示意圖；

圖10本發明實施例3的示意圖。

具體實施方式

一種空間結構用增強型板式控火節點結構，包括上節點盤1、下節點盤2、工字型截面梁3、螺栓4、噴頭11、管道12、固定卡13，還包括卡盤Ⅰ5、卡盤Ⅱ6、圓柱增強環Ⅰ7、圓柱增強環Ⅱ8、稜柱增強環Ⅰ9、稜柱增強環Ⅱ10。

上節點盤1、下節點盤2、卡盤Ⅰ5、卡盤Ⅱ6均可為圓形或多邊形。

上節點盤1、下節點盤2、工字型截面梁3、卡盤Ⅰ5、卡盤Ⅱ6、圓柱增強環Ⅰ7、圓柱增強環Ⅱ8、稜柱增強環Ⅰ9、稜柱增強環Ⅱ10採用鋁合金材料或不鏽鋼材料。

實施例1，如圖8所示，將管道12通過數個固定卡13固定在一根工字型截面梁3的腹板3-2上，將卡盤Ⅰ5的六條公卡槽Ⅰ5-1對應六根工字型截面梁3腹板3-2上第一層3-41母卡槽3-4插入，六條公卡槽Ⅰ5-1分別與第一層3-41六條母卡槽3-4以十字交叉方式卡接固定，管道12的出水口穿過卡盤Ⅰ5的設備孔Ⅰ5-2與噴頭11進水端連接，將一個圓柱增強環Ⅱ8或稜柱增強環Ⅱ10套裝在噴頭11外，六根工字型截面梁3第一層3-41母卡槽3-4以下的腹板3-2邊分別插入圓柱增強環Ⅱ8的六個凹槽Ⅱ8-2中，圓柱增強環Ⅱ8平埠與卡盤Ⅰ5下表面頂緊，圓柱增強環Ⅱ8六對短凸起筋Ⅰ8-1的止口Ⅰ8-3分別與六根工字型截面梁3下翼緣3-1的內表面頂緊，或六根工字型截面梁3第一層3-41母卡槽3-4以下的腹板3-2邊分別插入稜柱增強環Ⅱ10的六個凹槽Ⅳ10-2中，稜柱增強環Ⅱ10平埠與卡盤Ⅰ5下表面頂緊，稜柱增強環Ⅱ10六對短凸起筋Ⅱ10-1的止口Ⅱ10-3分別與六根工字型截面梁3下翼緣3-1的內表面頂緊。

將下節點盤2上的數個螺孔Ⅰ2-1分別與六根工字型截面梁3下翼緣3-1上的數個螺孔Ⅱ3-3對中，通過數個螺栓4將下節點盤2與六根工字型截面梁3的下翼緣3-1連接，下節點盤2的上表面與圓柱增強環Ⅱ8或稜柱增強環Ⅱ10的闕埠頂緊，噴頭11的噴水端嵌在下節點盤2的設備孔Ⅱ2-2內，將上節點盤1上的數個螺孔Ⅱ1-1分別與六根工字型截面梁3上翼緣3-1上的數個螺孔Ⅱ3-3對中，通過數個螺栓4將上節點盤1與六根工字型截面梁3的上翼緣3-1連接。

還可固定管線盒14，管線盒14穿過第一層3-41母卡槽3-4與第N層3-4N環狀母卡槽3-4之間的空隙，分別固定在相對應的兩根工字型截面梁3的腹板3-2上。

實施例2，如圖9所示，將管道12通過數個固定卡13固定在一根工字型截面梁3的腹板3-2上，將卡盤Ⅰ5的六條公卡槽Ⅰ5-1對應六根工字型截面梁3腹板3-2上第一層3-41母卡槽3-4插入，六條公卡槽Ⅰ5-1分別與六條母卡槽3-4以十字交叉方式卡接固定，管道12的出水口穿過卡盤Ⅰ5的設備孔Ⅰ5-2與噴頭11進水端連接。

將卡盤Ⅱ6的六條公卡槽Ⅱ6-1對應六根工字型截面梁3腹板3-2上第4層3-44母卡槽3-4插入，六條公卡槽Ⅱ6-1分別與第4層3-44母卡槽3-4以十字交叉方式卡接固定。

將一個圓柱增強環Ⅱ8或稜柱增強環Ⅱ10套裝在噴頭11外，六根工字型截面梁3第一層3-41母卡槽3-4以下的腹板3-2邊分別插入圓柱增強環Ⅱ8的六個凹槽Ⅱ8-2中，圓柱增強環Ⅱ8平埠與卡盤Ⅰ5下表面頂緊，圓柱增強環Ⅱ8六對短凸起筋Ⅰ8-1的止口Ⅰ8-3分別與六根工字型截面梁3下翼緣3-1的內表面頂緊，或六根工字型截面梁3第一層3-41母卡槽3-4以下的腹板3-2邊分別插入稜柱增強環Ⅱ10的六個凹槽Ⅳ10-2中，稜柱增強環Ⅱ10平埠與卡盤Ⅰ5下表面頂緊，稜柱增強環Ⅱ10六對短凸起筋Ⅱ10-1的止口Ⅱ10-3分別與六根工字型截面梁3下翼緣3-1的內表面頂緊。

將另一個圓柱增強環Ⅱ8平埠與卡盤Ⅱ6上表面頂緊，六根工字型截面梁3第4層3-44母卡槽3-4以上的腹板3-2邊分別插入圓柱增強環Ⅱ8的六個凹槽Ⅱ8-2中，圓柱增強環Ⅱ8六對短凸起筋Ⅰ8-1的止口Ⅰ8-3分別與六根工字型截面梁3上翼緣3-1的內表面頂緊，或將另一個稜柱增強環Ⅱ10平埠與卡盤Ⅱ6上表面頂緊，六根工字型截面梁3第4層3-44母卡槽3-4以上的腹板（3-2）邊分別插入稜柱增強環Ⅱ10的六個凹槽Ⅳ10-2中，稜柱增強環Ⅱ10六對短凸起筋Ⅱ10-1的止口Ⅱ10-3分別與六根工字型截面梁3上翼緣3-1的內表面頂緊。

將下節點盤2上的數個螺孔Ⅰ2-1分別與六根工字型截面梁3下翼緣3-1上的數個螺孔Ⅱ3-3對中，通過數個螺栓4將下節點盤2與六根工字型截面梁3的下翼緣3-1連接，下節點盤2的上表面與圓柱增強環Ⅱ8或稜柱增強環Ⅱ10的闕埠頂緊，噴頭11的噴水端嵌在下節點盤2的設備孔Ⅱ2-2內。

將上節點盤1上的數個螺孔Ⅱ1-1分別與六根工字型截面梁3上翼緣3-1上的數個螺孔Ⅱ3-3對中，通過數個螺栓4將上節點盤1與六根工字型截面梁3的上翼緣3-1連接，上節點盤1的下表面與圓柱增強環Ⅱ8或稜柱增強環Ⅱ10的闕埠頂緊。

還可固定管線盒14，管線盒14穿過卡盤Ⅰ5和卡盤Ⅱ6之間的空隙，分別固定在相對應的兩根工字型截面梁3的腹板3-2上。

實施例3，如圖10所示，實施例3與實施例2的安裝結構基本相同，只是在卡盤Ⅰ5與卡盤Ⅱ6之間的六根工字型截面梁3各層母卡槽3-4中卡接固定至少一個卡盤Ⅱ6，若卡盤Ⅱ6與卡盤Ⅱ6相鄰，則可填置一個圓柱增強環Ⅰ7或稜柱增強環Ⅰ9。

本實施例為，在六根工字型截面梁3第二層3-42母卡槽3-4和第三層3-43母卡槽3-4各插裝一個卡盤Ⅱ6，在第二層3-42母卡槽3-4和第三層3-43母卡槽3-4之間填置一個圓柱增強環Ⅰ7或稜柱增強環Ⅰ9，六根工字型截面梁3第二層3-42母卡槽3-4與第三層3-43母卡槽3-4之間的腹板3-2邊分別插入圓柱增強環Ⅰ7的六個凹槽Ⅰ7-2中，圓柱增強環Ⅰ7的上下平埠分別與二個卡盤Ⅱ6的對應表面頂緊，或六根工字型截面梁3第二層3-42母卡槽3-4與第三層3-43母卡槽3-4之間的腹板3-2邊分別插入稜柱增強環Ⅰ9的六個凹槽Ⅲ9-2中，稜柱增強環Ⅰ9的上下平埠分別與二個卡盤Ⅱ6的對應表面頂緊。

還可固定管線盒14，管線盒14穿過卡盤Ⅰ5和卡盤Ⅱ6之間的空隙，分別固定在相對應的兩根工字型截面梁3的腹板3-2上。

管線盒14還可在節點域的空隙內轉彎，即使用可彎曲的管線盒12，固定在任意兩根工字型截面梁3的腹板3-2上。

管線盒12內可以敷設線路（如：電線、通訊線、設備控制線）和液體管線（如：澆灌植物用水管、雨水收集管），等。