專利名稱：體結點鋁合金網架結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種網架結構，是房屋建筑、橋梁建筑及塔形結構工程領域廣泛應用的一種空間網格結構。
背景技術：
平板型網架結構，簡稱為網架結構，由很多桿件從兩個或多個方向有規律地組成高次超靜定的空間結構，能承受來自各方面的荷載。網架的結構重量輕，剛度大，整體性能好，抗震能力強，廣泛用于大、中、小跨度體育建筑、公共建筑、廠房工程、飛機庫、橋梁建筑、 塔形工程等領域中。螺栓球結點鋼網架、焊接球結點鋼網架是工程上應用廣泛的鋼網架結構。它們是以焊接手段為主要加工制造工藝。對于鋁合金結構來說，焊接存在下列問題(1)鋁合金的焊接技術要求高，難度大。(2)焊接鋁合金存在熱影響區材料強度降低的缺陷。(3)不便于工廠化加工生產，不便于現場施工。結點與桿件的設計是鋁合金網架結構的關鍵技術，公開號為(CN1015^K)27A)，發明人G · A ·雷諾、D · R ·哈克斯、G · N ·克提斯，發明名稱“空間框架連接節點裝置”公開了在雙層柵格類型的空間框架中節點連接器若干方案，供用于電磁發射的曲面反射器的可動支承電樞及曲面太陽反射器可動電樞。這些“節點連接器”方案都不能滿足土木工程承重結構的要求，而且聯結桿件的功能也存在缺陷，結構安裝也不方便。經過科技情報部門檢索查新，目前尚未發現有體結點鋁合金網架結構。鋁合金材料質輕(是鋼材的三分之一)，高強(六系列鋁材的物理力學性能已接近建筑用鋼的Q235)，防腐力高(是鋼材的4 6倍)，成型性好(是其他金屬不可比)，是可以再生的環保建筑金屬，目前已廣泛應用于門、窗、幕墻及其他的裝修建筑工程領域，本發明植板式、植桿式與混合式網架結點體，解決了鋁合金網架的技術關鍵，成功創造出體結點鋁合金網架結構體系。
發明內容
(一)本發明的目的結點及桿件設計是鋁合金網架設計、制作、施工及推廣應用的關鍵技術。本發明的目的就是根據鋁合金的材料物理力學性能的特點及網架結構的受力特點，創造出一種充分發揮這兩個特點的鋁合金網架結構，設計出受力合理，結構可靠，便于設計、制作與施工的體結點鋁合金網架體系，為土木工程領域推廣應用鋁合金結構創造更好條件。為了實現本發明的目的，本發明人對鋁合金材料的物理力學性能進行了深入的分析，又對網架的桿件與結點的構成，受力特點進行了深入的研究，并與傳統的鋼網架結構進行了對比分析，創造了植板式、植桿式與混合式體結點網架結構，并對某建筑工程屋蓋中網架結構進行了結構分析與設計，其結果是本發明結構可靠、受力合理清晰、構造簡單、制作與施工方便。(二)本發明的技術方案體結點鋁合金網架結構，包括鋁合金材料制造的體狀的所有網架結點體，及匯交于各結點并與結點體聯結的鋁合金材料制造的網架所有弦桿及腹桿，其特點是每個體狀的結點體上根據聯結桿件的需要，在網架的XY所在平面內的X正、負方向分別設置聯結X 軸方向網架弦桿的結點體肢板B1、B2，或開設聯結X軸方向網架弦桿的結點體槽Cl、C2，在 XY所在平面內的Y正、負方向分別設置聯結Y軸方向網架弦桿的結點體肢板B3、B4或開設聯結Y軸方向網架弦桿的結點體槽C3、C4，在TL 一側G5G6腹桿平面內設置聯結網架腹桿 G5、G6的結點體肢板B5，或開設聯結網架腹桿G5、G6的結點體槽C5，在(_Y) Z 一側G7G8腹桿平面內設置聯結網架腹桿G7、G8的結點體板B6，或開設聯結網架腹桿G7、G8的結點體槽 C6，匯交于該結點A(JA)的網架桿件，與結點體肢板對應的桿端均開有一個桿端口，供結點體肢板植入并用螺栓或鉚栓緊固，與結點體槽對應的桿端部直接植入相應的結點體槽內， 并用螺栓或鉚栓緊固，就得到高次超靜定的安全可靠，結構重量輕，剛度大，整體性能好，抗震能力強，便于設計、制作與安裝的體結點鋁合金網架結構。以上所述的體結點鋁合金網架結構，可以是平面桁架系網架結構，也可以是四角錐體系網架結構，也可以是三角錐體系網架結構。以上所述的結點體均用鋁合金材料制造，結點體厚度等有關尺寸，根據實際工程由設計確定。結點體所設置的肢板厚度及有關尺寸根據實際工程由設計確定，可以同厚度， 也可以不同厚度，肢板可以是實體板，也可以是空腹板，結點體肢板植入與之聯結的桿件的桿端口內，同一個結點體可以全部設置結點體肢板，構成植板式體結點，見圖3、圖4、圖5。以上所述的結點體所開設的結點槽，其槽深、槽壁厚度等相關尺寸，根據實際工程由設計確定。槽壁可以是同厚度，也可以是不同厚度，槽壁可以是實體板，也可以是空腹板， 結點槽供與之聯結的桿件的桿端植入，同一結點體可以全部開設結點槽，構成植桿式體結點，見圖6、圖7、圖8。以上所述的結點體，在同一個結點體上可以部分設置結點肢板，另一部分開設結點槽，構成植板式與植桿式混合體結點，見圖9。以上所述的體結點鋁合金網架結構，在同一網架結構項目中，可以全部用植板式體結點，也可以全部用植桿式體結點，也可以全部用混合式體結點，也可以上述三種體結點在一項目中同時使用。以上所述的體結點鋁合金網架結構的弦桿(如G1、G2、G3、G4)及腹桿(如G5、G6、 G7、G8)均用鋁合金材料制造，桿件長度及截面厚度等相關尺寸，根據實際工程由設計確定。 其斷面形式可以是單孔方管，也可以是多孔方管，方管壁上可以設肋，方管橫斷面各管壁可以等壁厚，也可以不等壁厚，開螺孔而受剪的管壁可以加厚。以上所述的體結點鋁合金網架結構，與結點體肢板對應聯結的桿端開一個桿端口，供結點體肢板植入，開口深度及桿端口兩壁厚等相關尺寸，根據實際工程由設計確定， 桿端口壁可以是實體板，也可以是空腹板。以上所述的體結點鋁合金網架結構，所有桿件與結點體的肢板或結點槽的聯結都用螺栓或鉚栓緊固連接，螺栓或鉚栓用鋁合金材料或不銹鋼材料制造，每處聯結用多少根螺栓或鉚栓及直徑大小，均由設計確定。
以上所述的體結點鋁合金網架結構，在所述結點體XY平面的形心處開設備用螺孔，對于上弦結點體備用螺孔供支承檁條的支托連結固定，對于下弦結點體的備用螺孔供裝修吊頂或照明設備等吊掛使用。以上所述體結點鋁合金網架結構，若是多層網架(如網架塔)時，結點體上在 Y(-z) 一側的腹桿平面內及(-Υ) (-Ζ) 一側的腹桿平面內設置相應結點肢板或開設結點體槽，供與相應腹桿聯結。以上所述體結點鋁合金網架結構，網架結構的結點體與桿件也可以用滿足設計要求的其他金屬或非金屬材料制造。(三)本發明與現有技術相比，其突出的實質性特點和顯著進步1、是“網架結構”，又優于“鋼網架結構”螺栓球結點鋼網架結構與焊接球結點鋼網架結構以其剛度大，受力清晰，結構合理，整體性能好，抗震能力強，方便設計、制作、安裝等特點，被廣泛應用于體育建筑，公共建筑、廠房工程、飛機庫、橋梁及塔型工程等各領域，體結點鋁合金網架結構，是環保的鋁合金材料應用于建筑工程的一種理想載體結構體系，它是“網架結構”，又優越過鋼網架結構， 不但保持了鋼網架結構上述的特點，而且其重量輕(在同項目工程中僅是鋼網架重量的三分之一)，不但減輕了下部結構承受的荷載，還提高了抗震性能；其防腐能力高(是鋼材的 4 6倍)，壽命長，結構幾乎終身不用維護，工程壽命造價較低；鋁合金材料成型性好，鋁合金網架的結點體及桿件比鋼網架的螺栓球結點與焊接球結點，更方便加工制造與施工安裝。2、是“結點體”又優于“連接器”結點設計是鋁合金網架結構的關鍵技術，本發明鋁合金網架的結點體避免了鋁合金焊接難度大技術要求高，焊接鋁合金存在熱影響區材料強度降低及不便于工廠生產與現場施工困難的缺陷，是鋁合金網架結構的一個突破與創新。本發明人認真對照了發明名稱為“空間框架連接節點裝置”(發明人G ·Α ·雷諾、 D-R-哈克斯、G · N ·克提斯，公開號為CN1015^K)27A)所公開的“連接器”若干方案，認為我們所發明的“結點體”與“連接器”有明顯的區別，更優于“連接器”。(1) “連接器”的發明是供用于電磁發射的曲面反射器的可動支承電樞及用于曲面太陽反射器的可動電樞。這些“電樞”與“土木工程”不但領域不同，其承受的荷載量級，其結構剛度、強度及可靠度、安全度都是無法比擬的。就是說“連接器”的發明可能有些地方與土木工程類似，但從實質來說是不能搬用的。本發明鋁合金網架結構的結點體是完全按照土木工程領域承重網架結構而構思、 設計的，是要滿足構造、強度、剛度及變形等要求的。(2)連接器就是要牢固而又方便地連接匯交于結點的桿件，而公開號 (CN101529027A)發明的“連接器”的連接功能存在明顯缺陷。其說明書附圖的圖3與圖4 代表了該發明的基本“連接器”的構造與形體，當35與36之間的中心平面相互夾角是某些角度，而27桿件比37、38桿件斷面較大時(在網架結構中弦桿斷面往往大許多過腹桿斷面)，“連接器”就會出現如本說明附圖10所示的情況為了保證匯交于同一結點的三桿件的截面形心軸線匯交于一點，形成匯交力系，則用于27桿件與其所在槽相連接的剪切銷就可能無法安裝，桿27與“連接器”可能無法連接。“連接器”是存在缺陷的，是受到“夾角”大小及所聯結桿件的斷面尺寸約束的。公開號(CN1015^027A)的說明書附圖的圖6、圖8及圖10又表達了 “連接器”另外幾個方案，也都有一個共同的問題，就是穿過孔72的剪切銷的一個端頭或兩個端頭進入了另外的槽內，這就造成了施工安裝的不便，桿件安裝相互打架干擾，若要調整安裝就更不方便了。本發明體結點鋁合金網架結構的“結點體”，不管是植板式或植桿式，或者混合式結點體都能滿足X、Y、Z三個方向(包括正、負方向)匯交于同一個結點的桿件靈活地各就各位，并且都有足夠的位置用螺栓或鉚栓分別加入緊固，沒有受到“夾角，，與匯交于結點桿件的斷面尺寸的影響，都可以保證匯交于結點的各桿截面形心軸線匯交于一點，形成匯交力系，且保證了每根桿件與結點體的連接各自獨立緊固，互不干擾。(3)讀了 “連接器”說明書的全文，研究了其中全部“連接器”方案，對于土木工程承重結構來說(尤其對于大跨度的網架結構來說)，這些“連接器”槽底間的實體厚度太薄， 連接器的77、79槽壁的剪切銷孔由于連接要求的限制孔位較高，在土木工程結構壓力桿作用下，存在局部屈曲隱患。圖29、圖30與圖31的“連接器”的結點構造造成了“管狀弦構件” 131偏心受力，并且用螺釘連接，對土木工程承重結構來說是不可靠的。為了安裝方便的需要“連接器”不得不用剪切銷及夾持保持件作為緊固件，而這種緊固件在土木工程承重結構同樣是不安全可靠的。可見“連接器”承受土木工程承重結構的結點內力的功能是明顯不足的。本發明體結點鋁合金網架結構的“結點體”，其構造保證了桿件、螺栓及結點體的力傳遞路徑清晰，網架各個受力元件工作內力性質(受拉、受壓或受剪)都一目了然，為結構分析提供了規范的力學模型，專業人員按土木工程相關規范進行桿件與結點體和螺栓的設計，就可以保證網架結構各個受力元件構造要求、強度要求及剛度要求，保證結點與桿件共同工作，保證整個結構體系的可靠與安全。(4) “連接器”的發明，要求一些桿件是通長的，不便于結構的建筑造型設計。其說明書附圖13至附圖23講述了 DLG構造安裝過程與步驟，由此可見其安裝既不規范也不方便。本發明體結點鋁合金網架結構不要求通長桿件，便于建筑造型與排水找坡。“體結點”的構造保證了網架安裝的規范與方便，完全可以根據形成幾何不變空間體系的機動分析，“不共面的三鏈桿固定空間一個點”的數學規律與原理進行安裝施工。3、體結點鋁合金網架結構，其所有桿件及結點體都是充分利用了鋁合金材料成型性好，加工方便的特性，擠壓或沖壓制作的，桿件、結點體都可以規范化、標準化，可以實現工廠大批量生產，然后現場拼裝、安裝，質量更有保證。
四
圖1是體結點鋁合金網架結構實例。圖2是圖1體結點鋁合金網架結構的局部放大。圖3是植板式體結點鋁合金網架結構結點A(JA)X方向大樣圖。圖4是植板式體結點鋁合金網架結構結點A(JA)Z方向大樣圖。圖5是植板式體結點鋁合金網架結構結點A(JA)Y方向大樣圖。
圖6是植桿式體結點鋁合金網架結構結點A(JA)X方向大樣圖。圖7是植桿式體結點鋁合金網架結構結點A(JA)Z方向大樣圖。圖8是植桿式體結點鋁合金網架結構結點A(JA)Y方向大樣圖。圖9是植板、植桿式混合式體結點網架結構結點A(JA)X方向大樣圖。圖10是公開號(CN1015^027A)圖4中的“聯接器”方案出現剪切銷無法安裝的情況。圖中名稱編碼如下JA、是網架結構結點A的編碼。M、是緊固螺栓或鉚栓的編碼。K、是備用螺孔。網架桿件的名稱編碼如下G1、網架結構XY所在平面內X軸正向弦桿；G2、網架結構XY所在平面內X軸負向弦桿；G3、網架結構XY所在平面內Y軸正向弦桿；G4、網架結構XY所在平面內Y軸負向弦桿；G5、網架結構XYZ方向腹桿；G6、網架結構(-XHZ方向腹桿；G7、網架結構(-X) (-Y) Z方向腹桿；G8、網架結構Χ(_Υ)Ζ方向腹桿。結點體肢板名稱編碼如下Bi、網架結構XY所在平面內X正向結點體肢板；Β2、網架結構XY所在平面內X負向結點體肢板；Β3、網架結構XY所在平面內Y正向結點體肢板；Β4、網架結構XY所在平面內Y負向結點體肢板；Β5、網架結構TL 一側G5G6平面內結點體肢板；Β6、網架結構(-Υ)Ζ—側G7G8平面內結點體肢板。結點體槽名稱編碼如下Cl、網架結構XY所在平面內X正向結點體槽；C2、網架結構XY所在平面內X負向結點體槽；C3、網架結構XY所在平面內Y正向結點體槽；C4、網架結構XY所在平面內Y負向結點體槽；C5、網架結構TL 一側G5G6平面內結點體槽；C6、網架結構(-Υ)Ζ—側G7G8平面內結點體槽。
五具體實施例方式以下結合附圖對本發明進一步講述。按網格單元組成方式劃分，網架結構一般分為平面桁架系網架、四角錐體系網架、三角錐體系網架。圖1是體結點鋁合金正交正放四角錐網架結構實例，圖2是該網架結構的局部放大。網架所有弦桿、腹桿及所有結點體，均用鋁合金材料制成。該網架結構的結點構造可以全部用植板式體結點，也可以全部用植桿式體結點，也可以全部用植板、植桿混合式體結點，也可以是上述三種體結點配合使用。網架所有桿件與結點體聯結都用不銹鋼或鋁合金螺栓或鉚栓緊固。桿件、結點體及螺栓都要按照相應規范進行設計，保證結構安全可靠、受力合理、節省材料。從圖3、圖4與圖5中看到結點體A(JA)上，在匯交于該結點的網架桿件Gl、G2、 G3、G4、G5、G6、G7及G8相應方向設置了結點體肢板B1、B2、B3、B4、B5&B6，而相應上述桿件的桿端均開了桿端口，結點體肢板植入相應的桿端口內，并用螺栓或鉚栓M緊固，構成了植板式體結點。從圖6、圖7及圖8中看到結點體A(JA)在匯交于該結點的網架桿件Gl、G2、G3、 G4、G5、G6、G7及G8相應方向開設了結點體槽Cl、C2、C3、C4、C5及C6，供上述桿件的桿端植入，并用螺栓或鉚栓(M)緊固，構成了植桿式體結點。若是多層網架結構，在結點體A(JA)上網架(-Z)方向一側相應再設置兩塊肢板或開設兩道結點體槽，供與G5、G6、G7、G8反向的腹桿G9、G10、G11、G12聯結，即可構成所需的
結點體。網架桿件斷面形式及斷面有關尺寸，結點體厚度及結點體肢板、結點體槽有關尺寸，不銹鋼緊固螺栓或鉚栓M直徑大小及所需數量均按相應規范由設計確定。用鋁合金材料建筑土木工程，可以減輕建筑物荷載，提高抗震能力和耐腐能力，幾乎終身不用維護，成為長命百歲工程，鋁合金結構的壽命造價很低，其建筑美觀亮麗，綜合經濟效益十分明顯。網架結構受力清晰，結構合理，整體性能好，抗震能力強，節省材料，跨度可大可小，廣泛應用于體育場館、公共建筑、工業廠房、橋梁工程及塔形工程等建筑工程領域。研究分析證明，桁架結構與網架結構是鋁合金材料應用于建筑工程的一種理想的載體結構體系。植板式與植桿式網架體結點，避免了焊接鋁合金的缺陷，是鋁合金網架結構的一個創新與突破，為鋁合金結構的使用與推廣創造了更好的條件。
權利要求
1.體結點鋁合金網架結構，包括鋁合金材料制造的體狀的所有網架結點體，及匯交于各結點并與結點體聯結的鋁合金材料制造的網架所有弦桿及腹桿，其特點是每個體狀的結點體上根據聯結桿件的需要，在網架的XY所在平面內的X正、負方向分別設置聯結X軸方向網架弦桿的結點體肢板B1、B2，或開設聯結X軸方向網架弦桿的結點體槽C1、C2，在XY 所在平面內的Y正、負方向分別設置聯結Y軸方向網架弦桿的結點體肢板B3、B4，或開設聯結Y軸方向網架弦桿的結點體槽C3、C4，在TL 一側G5G6腹桿平面內設置聯結網架腹桿G5、 G6的結點體肢板B5，或開設聯結網架腹桿G5、G6的結點體槽C5，在(_Y) Z—側G7G8腹桿平面內設置聯結網架腹桿G7、G8的結點體肢板B6，或開設聯結網架腹桿G7、G8的結點體槽 C6，匯交于該結點A(JA)的網架桿件，與結點體肢板對應的網架桿端均開有一個口，供結點體肢板植入，并用螺栓或鉚栓M緊固，與結點體槽對應的網架桿端部直接植入相應的結點體槽內，并用螺栓或鉚栓M緊固。
2.根據權利要求1所述的體結點鋁合金網架結構，其特征在于所述的網架結構可以是平面桁架系網架結構，也可以是四角錐體系網架結構，也可以是三角錐體系網架結構。
3.根據權利要求1所述的體結點鋁合金網架結構，其特征在于若是多層網架結構，在結點體上，網架(-Z)方向一側相應設置兩塊肢板或開設兩道結點體槽，供與G5、G6、G7、G8 反向腹桿聯結，即可構成所需結點體。
4.根據權利要求1所述的體結點鋁合金網架結構，其特征在于所述的結點體均用鋁合金材料制造，結點體所設置的肢板可以同厚度，也可以不同厚度，肢板可以是實體板也可以是空腹板，結點體肢板植入與之聯結的桿件的桿端口內，同一個結點體可以全部設置結點體肢板，構成植板式體結點(如圖3、圖4、圖5)。
5.根據權利要求1所述的體結點鋁合金網架結構，其特征在于所述的結點體開設的結點槽的槽壁可以同厚度，也可以不同厚度，槽壁可以是實體板，也可以是空腹板，所開設的結點體槽供與之聯結的桿件的網架桿端植入，同一個結點體可全部開設結點體槽，構成植桿式體結點(如圖6、圖7、圖8)。
6.根據權利要求1所述的體結點鋁合金網架結構，其特征在于；所述的結點體，在同一個結點體上可以部份設置結點體肢板，另一部份開設結點體槽，構成植板與植桿混合式體結點(如圖9)。
7.根據權利要求1所述的體結點鋁合金網架結構，其特征在于在同一網架結構項目中，可以全部用植板式體結點，也可以全部用植桿式體結點，也可以全部用混合式體結點， 也可以上述三種體結點同時使用。
8.根據權利要求1所述的體結點鋁合金網架結構，其特征在于所述的網架弦桿(如 G1、G2、G3、G4)及腹桿(如G5、G6、G7、G8)都用鋁合金材料制造，桿件斷面形式可以是單孔方管，也可以是多孔方管，方管壁上可以設肋，方管橫斷面各管壁可以等壁厚，也可以在開螺孔而受剪的管壁上加厚。
9.根據權利要求1所述的體結點鋁合金網架結構，其特征在于所述的網架桿件，與結點體肢板對應聯結的桿端開有一個桿端口，供結點體肢板植入，桿端口壁可以是實體板，也可以是空腹板。
10.根據權利要求1所述的體結點鋁合金網架結構，其特征在于所有桿件與結點體的肢板或結點槽的聯結都用螺栓或鉚栓緊固聯接，螺栓或鉚栓是鋁合金材料或不銹鋼材料制造的，每根桿件用若干根螺栓或鉚栓與結點體緊固。
11.根據權利要求1所述的體結點鋁合金網架結構，其特征在于所述的結點體XY平面的形心處開設備用螺孔，對于上弦結點體備用螺孔供支承檁條的支托聯結固定，對于下弦結點體的備用螺孔供裝修吊頂或照明設備等吊掛使用。
12.根據權利要求1所述的體結點鋁合金網架結構，其特征在于網架結構的結點體與桿件也可以用滿足設計要求的其他金屬或非金屬材料制造。
全文摘要
體結點鋁合金網架結構，包括鋁合金材料制造的體狀的所有網架結點體，及與結點體聯結的鋁合金材料制造的網架所有弦桿及腹桿，其特點是每個體狀的結點體上根據聯結桿件的需要，在網架XY軸所在平面內的X正、負方向，分別設置聯結X軸方向網架弦桿的結點體肢板B1、B2，或開設連結X方向網架弦桿的結點體槽C1、C2，在XY軸所在平面內的Y正、負方向，分別設置聯結Y軸方向網架弦桿的結點體肢板B3、B4，或開設聯結Y軸方向網架弦桿的結點體槽C3、C4，在YZ一側G5G6腹桿平面內設置聯結網架腹桿G5、G6的結點體肢板B5，或開設聯結網架腹桿G5、G6的結點體槽C5，在(-Y)Z一側G7、G8腹桿平面內設置聯結網架腹桿G7、G8的結點體肢板B6，或開設聯結網架腹桿G7、G8的結點體槽C6。匯交于該結點A(JA)的網架桿件，與結點體肢板對應的網架桿端均開有一個口，供結點體肢板植入，與結點槽對應的網架桿端部直接植入相應的結點槽內。桿件與結點體之間聯結都用螺栓或鉚栓M緊固，就得到安全可靠，便于設計、制作與安裝的體結點鋁合金網架結構。
文檔編號E04B1/58GK102304941SQ20111016462
公開日2012年1月4日 申請日期2011年6月20日 優先權日2011年6月20日
發明者林娟, 梁琨 申請人:林娟