专利名称：体结点铝合金网架结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种网架结构，是房屋建筑、桥梁建筑及塔形结构工程领域广泛应用的一种空间网格结构。
背景技术：
平板型网架结构，简称为网架结构，由很多杆件从两个或多个方向有规律地组成高次超静定的空间结构，能承受来自各方面的荷载。网架的结构重量轻，刚度大，整体性能好，抗震能力强，广泛用于大、中、小跨度体育建筑、公共建筑、厂房工程、飞机库、桥梁建筑、 塔形工程等领域中。螺栓球结点钢网架、焊接球结点钢网架是工程上应用广泛的钢网架结构。它们是以焊接手段为主要加工制造工艺。对于铝合金结构来说，焊接存在下列问题(1)铝合金的焊接技术要求高，难度大。(2)焊接铝合金存在热影响区材料强度降低的缺陷。(3)不便于工厂化加工生产，不便于现场施工。结点与杆件的设计是铝合金网架结构的关键技术，公开号为(CN1015^K)27A)，发明人G · A ·雷诺、D · R ·哈克斯、G · N ·克提斯，发明名称“空间框架连接节点装置”公开了在双层栅格类型的空间框架中节点连接器若干方案，供用于电磁发射的曲面反射器的可动支承电枢及曲面太阳反射器可动电枢。这些“节点连接器”方案都不能满足土木工程承重结构的要求，而且联结杆件的功能也存在缺陷，结构安装也不方便。经过科技情报部门检索查新，目前尚未发现有体结点铝合金网架结构。铝合金材料质轻(是钢材的三分之一)，高强(六系列铝材的物理力学性能已接近建筑用钢的Q235)，防腐力高(是钢材的4 6倍)，成型性好(是其他金属不可比)，是可以再生的环保建筑金属，目前已广泛应用于门、窗、幕墙及其他的装修建筑工程领域，本发明植板式、植杆式与混合式网架结点体，解决了铝合金网架的技术关键，成功创造出体结点铝合金网架结构体系。
发明内容
(一)本发明的目的结点及杆件设计是铝合金网架设计、制作、施工及推广应用的关键技术。本发明的目的就是根据铝合金的材料物理力学性能的特点及网架结构的受力特点，创造出一种充分发挥这两个特点的铝合金网架结构，设计出受力合理，结构可靠，便于设计、制作与施工的体结点铝合金网架体系，为土木工程领域推广应用铝合金结构创造更好条件。为了实现本发明的目的，本发明人对铝合金材料的物理力学性能进行了深入的分析，又对网架的杆件与结点的构成，受力特点进行了深入的研究，并与传统的钢网架结构进行了对比分析，创造了植板式、植杆式与混合式体结点网架结构，并对某建筑工程屋盖中网架结构进行了结构分析与设计，其结果是本发明结构可靠、受力合理清晰、构造简单、制作与施工方便。(二)本发明的技术方案体结点铝合金网架结构，包括铝合金材料制造的体状的所有网架结点体，及汇交于各结点并与结点体联结的铝合金材料制造的网架所有弦杆及腹杆，其特点是每个体状的结点体上根据联结杆件的需要，在网架的XY所在平面内的X正、负方向分别设置联结X 轴方向网架弦杆的结点体肢板B1、B2，或开设联结X轴方向网架弦杆的结点体槽Cl、C2，在 XY所在平面内的Y正、负方向分别设置联结Y轴方向网架弦杆的结点体肢板B3、B4或开设联结Y轴方向网架弦杆的结点体槽C3、C4，在TL 一侧G5G6腹杆平面内设置联结网架腹杆 G5、G6的结点体肢板B5，或开设联结网架腹杆G5、G6的结点体槽C5，在(_Y) Z 一侧G7G8腹杆平面内设置联结网架腹杆G7、G8的结点体板B6，或开设联结网架腹杆G7、G8的结点体槽 C6，汇交于该结点A(JA)的网架杆件，与结点体肢板对应的杆端均开有一个杆端口，供结点体肢板植入并用螺栓或铆栓紧固，与结点体槽对应的杆端部直接植入相应的结点体槽内， 并用螺栓或铆栓紧固，就得到高次超静定的安全可靠，结构重量轻，刚度大，整体性能好，抗震能力强，便于设计、制作与安装的体结点铝合金网架结构。以上所述的体结点铝合金网架结构，可以是平面桁架系网架结构，也可以是四角锥体系网架结构，也可以是三角锥体系网架结构。以上所述的结点体均用铝合金材料制造，结点体厚度等有关尺寸，根据实际工程由设计确定。结点体所设置的肢板厚度及有关尺寸根据实际工程由设计确定，可以同厚度， 也可以不同厚度，肢板可以是实体板，也可以是空腹板，结点体肢板植入与之联结的杆件的杆端口内，同一个结点体可以全部设置结点体肢板，构成植板式体结点，见图3、图4、图5。以上所述的结点体所开设的结点槽，其槽深、槽壁厚度等相关尺寸，根据实际工程由设计确定。槽壁可以是同厚度，也可以是不同厚度，槽壁可以是实体板，也可以是空腹板， 结点槽供与之联结的杆件的杆端植入，同一结点体可以全部开设结点槽，构成植杆式体结点，见图6、图7、图8。以上所述的结点体，在同一个结点体上可以部分设置结点肢板，另一部分开设结点槽，构成植板式与植杆式混合体结点，见图9。以上所述的体结点铝合金网架结构，在同一网架结构项目中，可以全部用植板式体结点，也可以全部用植杆式体结点，也可以全部用混合式体结点，也可以上述三种体结点在一项目中同时使用。以上所述的体结点铝合金网架结构的弦杆(如G1、G2、G3、G4)及腹杆(如G5、G6、 G7、G8)均用铝合金材料制造，杆件长度及截面厚度等相关尺寸，根据实际工程由设计确定。 其断面形式可以是单孔方管，也可以是多孔方管，方管壁上可以设肋，方管横断面各管壁可以等壁厚，也可以不等壁厚，开螺孔而受剪的管壁可以加厚。以上所述的体结点铝合金网架结构，与结点体肢板对应联结的杆端开一个杆端口，供结点体肢板植入，开口深度及杆端口两壁厚等相关尺寸，根据实际工程由设计确定， 杆端口壁可以是实体板，也可以是空腹板。以上所述的体结点铝合金网架结构，所有杆件与结点体的肢板或结点槽的联结都用螺栓或铆栓紧固连接，螺栓或铆栓用铝合金材料或不锈钢材料制造，每处联结用多少根螺栓或铆栓及直径大小，均由设计确定。
以上所述的体结点铝合金网架结构，在所述结点体XY平面的形心处开设备用螺孔，对于上弦结点体备用螺孔供支承檩条的支托连结固定，对于下弦结点体的备用螺孔供装修吊顶或照明设备等吊挂使用。以上所述体结点铝合金网架结构，若是多层网架(如网架塔)时，结点体上在 Y(-z) 一侧的腹杆平面内及(-Υ) (-Ζ) 一侧的腹杆平面内设置相应结点肢板或开设结点体槽，供与相应腹杆联结。以上所述体结点铝合金网架结构，网架结构的结点体与杆件也可以用满足设计要求的其他金属或非金属材料制造。(三)本发明与现有技术相比，其突出的实质性特点和显著进步1、是“网架结构”，又优于“钢网架结构”螺栓球结点钢网架结构与焊接球结点钢网架结构以其刚度大，受力清晰，结构合理，整体性能好，抗震能力强，方便设计、制作、安装等特点，被广泛应用于体育建筑，公共建筑、厂房工程、飞机库、桥梁及塔型工程等各领域，体结点铝合金网架结构，是环保的铝合金材料应用于建筑工程的一种理想载体结构体系，它是“网架结构”，又优越过钢网架结构， 不但保持了钢网架结构上述的特点，而且其重量轻(在同项目工程中仅是钢网架重量的三分之一)，不但减轻了下部结构承受的荷载，还提高了抗震性能；其防腐能力高(是钢材的 4 6倍)，寿命长，结构几乎终身不用维护，工程寿命造价较低；铝合金材料成型性好，铝合金网架的结点体及杆件比钢网架的螺栓球结点与焊接球结点，更方便加工制造与施工安装。2、是“结点体”又优于“连接器”结点设计是铝合金网架结构的关键技术，本发明铝合金网架的结点体避免了铝合金焊接难度大技术要求高，焊接铝合金存在热影响区材料强度降低及不便于工厂生产与现场施工困难的缺陷，是铝合金网架结构的一个突破与创新。本发明人认真对照了发明名称为“空间框架连接节点装置”(发明人G ·Α ·雷诺、 D-R-哈克斯、G · N ·克提斯，公开号为CN1015^K)27A)所公开的“连接器”若干方案，认为我们所发明的“结点体”与“连接器”有明显的区别，更优于“连接器”。(1) “连接器”的发明是供用于电磁发射的曲面反射器的可动支承电枢及用于曲面太阳反射器的可动电枢。这些“电枢”与“土木工程”不但领域不同，其承受的荷载量级，其结构刚度、强度及可靠度、安全度都是无法比拟的。就是说“连接器”的发明可能有些地方与土木工程类似，但从实质来说是不能搬用的。本发明铝合金网架结构的结点体是完全按照土木工程领域承重网架结构而构思、 设计的，是要满足构造、强度、刚度及变形等要求的。(2)连接器就是要牢固而又方便地连接汇交于结点的杆件，而公开号 (CN101529027A)发明的“连接器”的连接功能存在明显缺陷。其说明书附图的图3与图4 代表了该发明的基本“连接器”的构造与形体，当35与36之间的中心平面相互夹角是某些角度，而27杆件比37、38杆件断面较大时(在网架结构中弦杆断面往往大许多过腹杆断面)，“连接器”就会出现如本说明附图10所示的情况为了保证汇交于同一结点的三杆件的截面形心轴线汇交于一点，形成汇交力系，则用于27杆件与其所在槽相连接的剪切销就可能无法安装，杆27与“连接器”可能无法连接。“连接器”是存在缺陷的，是受到“夹角”大小及所联结杆件的断面尺寸约束的。公开号(CN1015^027A)的说明书附图的图6、图8及图10又表达了 “连接器”另外几个方案，也都有一个共同的问题，就是穿过孔72的剪切销的一个端头或两个端头进入了另外的槽内，这就造成了施工安装的不便，杆件安装相互打架干扰，若要调整安装就更不方便了。本发明体结点铝合金网架结构的“结点体”，不管是植板式或植杆式，或者混合式结点体都能满足X、Y、Z三个方向(包括正、负方向)汇交于同一个结点的杆件灵活地各就各位，并且都有足够的位置用螺栓或铆栓分别加入紧固，没有受到“夹角，，与汇交于结点杆件的断面尺寸的影响，都可以保证汇交于结点的各杆截面形心轴线汇交于一点，形成汇交力系，且保证了每根杆件与结点体的连接各自独立紧固，互不干扰。(3)读了 “连接器”说明书的全文，研究了其中全部“连接器”方案，对于土木工程承重结构来说(尤其对于大跨度的网架结构来说)，这些“连接器”槽底间的实体厚度太薄， 连接器的77、79槽壁的剪切销孔由于连接要求的限制孔位较高，在土木工程结构压力杆作用下，存在局部屈曲隐患。图29、图30与图31的“连接器”的结点构造造成了“管状弦构件” 131偏心受力，并且用螺钉连接，对土木工程承重结构来说是不可靠的。为了安装方便的需要“连接器”不得不用剪切销及夹持保持件作为紧固件，而这种紧固件在土木工程承重结构同样是不安全可靠的。可见“连接器”承受土木工程承重结构的结点内力的功能是明显不足的。本发明体结点铝合金网架结构的“结点体”，其构造保证了杆件、螺栓及结点体的力传递路径清晰，网架各个受力元件工作内力性质(受拉、受压或受剪)都一目了然，为结构分析提供了规范的力学模型，专业人员按土木工程相关规范进行杆件与结点体和螺栓的设计，就可以保证网架结构各个受力元件构造要求、强度要求及刚度要求，保证结点与杆件共同工作，保证整个结构体系的可靠与安全。(4) “连接器”的发明，要求一些杆件是通长的，不便于结构的建筑造型设计。其说明书附图13至附图23讲述了 DLG构造安装过程与步骤，由此可见其安装既不规范也不方便。本发明体结点铝合金网架结构不要求通长杆件，便于建筑造型与排水找坡。“体结点”的构造保证了网架安装的规范与方便，完全可以根据形成几何不变空间体系的机动分析，“不共面的三链杆固定空间一个点”的数学规律与原理进行安装施工。3、体结点铝合金网架结构，其所有杆件及结点体都是充分利用了铝合金材料成型性好，加工方便的特性，挤压或冲压制作的，杆件、结点体都可以规范化、标准化，可以实现工厂大批量生产，然后现场拼装、安装，质量更有保证。
四
图1是体结点铝合金网架结构实例。图2是图1体结点铝合金网架结构的局部放大。图3是植板式体结点铝合金网架结构结点A(JA)X方向大样图。图4是植板式体结点铝合金网架结构结点A(JA)Z方向大样图。图5是植板式体结点铝合金网架结构结点A(JA)Y方向大样图。
图6是植杆式体结点铝合金网架结构结点A(JA)X方向大样图。图7是植杆式体结点铝合金网架结构结点A(JA)Z方向大样图。图8是植杆式体结点铝合金网架结构结点A(JA)Y方向大样图。图9是植板、植杆式混合式体结点网架结构结点A(JA)X方向大样图。图10是公开号(CN1015^027A)图4中的“联接器”方案出现剪切销无法安装的情况。图中名称编码如下JA、是网架结构结点A的编码。M、是紧固螺栓或铆栓的编码。K、是备用螺孔。网架杆件的名称编码如下G1、网架结构XY所在平面内X轴正向弦杆；G2、网架结构XY所在平面内X轴负向弦杆；G3、网架结构XY所在平面内Y轴正向弦杆；G4、网架结构XY所在平面内Y轴负向弦杆；G5、网架结构XYZ方向腹杆；G6、网架结构(-XHZ方向腹杆；G7、网架结构(-X) (-Y) Z方向腹杆；G8、网架结构Χ(_Υ)Ζ方向腹杆。结点体肢板名称编码如下Bi、网架结构XY所在平面内X正向结点体肢板；Β2、网架结构XY所在平面内X负向结点体肢板；Β3、网架结构XY所在平面内Y正向结点体肢板；Β4、网架结构XY所在平面内Y负向结点体肢板；Β5、网架结构TL 一侧G5G6平面内结点体肢板；Β6、网架结构(-Υ)Ζ—侧G7G8平面内结点体肢板。结点体槽名称编码如下Cl、网架结构XY所在平面内X正向结点体槽；C2、网架结构XY所在平面内X负向结点体槽；C3、网架结构XY所在平面内Y正向结点体槽；C4、网架结构XY所在平面内Y负向结点体槽；C5、网架结构TL 一侧G5G6平面内结点体槽；C6、网架结构(-Υ)Ζ—侧G7G8平面内结点体槽。
五具体实施例方式以下结合附图对本发明进一步讲述。按网格单元组成方式划分，网架结构一般分为平面桁架系网架、四角锥体系网架、三角锥体系网架。图1是体结点铝合金正交正放四角锥网架结构实例，图2是该网架结构的局部放大。网架所有弦杆、腹杆及所有结点体，均用铝合金材料制成。该网架结构的结点构造可以全部用植板式体结点，也可以全部用植杆式体结点，也可以全部用植板、植杆混合式体结点，也可以是上述三种体结点配合使用。网架所有杆件与结点体联结都用不锈钢或铝合金螺栓或铆栓紧固。杆件、结点体及螺栓都要按照相应规范进行设计，保证结构安全可靠、受力合理、节省材料。从图3、图4与图5中看到结点体A(JA)上，在汇交于该结点的网架杆件Gl、G2、 G3、G4、G5、G6、G7及G8相应方向设置了结点体肢板B1、B2、B3、B4、B5&B6，而相应上述杆件的杆端均开了杆端口，结点体肢板植入相应的杆端口内，并用螺栓或铆栓M紧固，构成了植板式体结点。从图6、图7及图8中看到结点体A(JA)在汇交于该结点的网架杆件Gl、G2、G3、 G4、G5、G6、G7及G8相应方向开设了结点体槽Cl、C2、C3、C4、C5及C6，供上述杆件的杆端植入，并用螺栓或铆栓(M)紧固，构成了植杆式体结点。若是多层网架结构，在结点体A(JA)上网架(-Z)方向一侧相应再设置两块肢板或开设两道结点体槽，供与G5、G6、G7、G8反向的腹杆G9、G10、G11、G12联结，即可构成所需的
结点体。网架杆件断面形式及断面有关尺寸，结点体厚度及结点体肢板、结点体槽有关尺寸，不锈钢紧固螺栓或铆栓M直径大小及所需数量均按相应规范由设计确定。用铝合金材料建筑土木工程，可以减轻建筑物荷载，提高抗震能力和耐腐能力，几乎终身不用维护，成为长命百岁工程，铝合金结构的寿命造价很低，其建筑美观亮丽，综合经济效益十分明显。网架结构受力清晰，结构合理，整体性能好，抗震能力强，节省材料，跨度可大可小，广泛应用于体育场馆、公共建筑、工业厂房、桥梁工程及塔形工程等建筑工程领域。研究分析证明，桁架结构与网架结构是铝合金材料应用于建筑工程的一种理想的载体结构体系。植板式与植杆式网架体结点，避免了焊接铝合金的缺陷，是铝合金网架结构的一个创新与突破，为铝合金结构的使用与推广创造了更好的条件。
权利要求
1.体结点铝合金网架结构，包括铝合金材料制造的体状的所有网架结点体，及汇交于各结点并与结点体联结的铝合金材料制造的网架所有弦杆及腹杆，其特点是每个体状的结点体上根据联结杆件的需要，在网架的XY所在平面内的X正、负方向分别设置联结X轴方向网架弦杆的结点体肢板B1、B2，或开设联结X轴方向网架弦杆的结点体槽C1、C2，在XY 所在平面内的Y正、负方向分别设置联结Y轴方向网架弦杆的结点体肢板B3、B4，或开设联结Y轴方向网架弦杆的结点体槽C3、C4，在TL 一侧G5G6腹杆平面内设置联结网架腹杆G5、 G6的结点体肢板B5，或开设联结网架腹杆G5、G6的结点体槽C5，在(_Y) Z—侧G7G8腹杆平面内设置联结网架腹杆G7、G8的结点体肢板B6，或开设联结网架腹杆G7、G8的结点体槽 C6，汇交于该结点A(JA)的网架杆件，与结点体肢板对应的网架杆端均开有一个口，供结点体肢板植入，并用螺栓或铆栓M紧固，与结点体槽对应的网架杆端部直接植入相应的结点体槽内，并用螺栓或铆栓M紧固。
2.根据权利要求1所述的体结点铝合金网架结构，其特征在于所述的网架结构可以是平面桁架系网架结构，也可以是四角锥体系网架结构，也可以是三角锥体系网架结构。
3.根据权利要求1所述的体结点铝合金网架结构，其特征在于若是多层网架结构，在结点体上，网架(-Z)方向一侧相应设置两块肢板或开设两道结点体槽，供与G5、G6、G7、G8 反向腹杆联结，即可构成所需结点体。
4.根据权利要求1所述的体结点铝合金网架结构，其特征在于所述的结点体均用铝合金材料制造，结点体所设置的肢板可以同厚度，也可以不同厚度，肢板可以是实体板也可以是空腹板，结点体肢板植入与之联结的杆件的杆端口内，同一个结点体可以全部设置结点体肢板，构成植板式体结点(如图3、图4、图5)。
5.根据权利要求1所述的体结点铝合金网架结构，其特征在于所述的结点体开设的结点槽的槽壁可以同厚度，也可以不同厚度，槽壁可以是实体板，也可以是空腹板，所开设的结点体槽供与之联结的杆件的网架杆端植入，同一个结点体可全部开设结点体槽，构成植杆式体结点(如图6、图7、图8)。
6.根据权利要求1所述的体结点铝合金网架结构，其特征在于；所述的结点体，在同一个结点体上可以部份设置结点体肢板，另一部份开设结点体槽，构成植板与植杆混合式体结点(如图9)。
7.根据权利要求1所述的体结点铝合金网架结构，其特征在于在同一网架结构项目中，可以全部用植板式体结点，也可以全部用植杆式体结点，也可以全部用混合式体结点， 也可以上述三种体结点同时使用。
8.根据权利要求1所述的体结点铝合金网架结构，其特征在于所述的网架弦杆(如 G1、G2、G3、G4)及腹杆(如G5、G6、G7、G8)都用铝合金材料制造，杆件断面形式可以是单孔方管，也可以是多孔方管，方管壁上可以设肋，方管横断面各管壁可以等壁厚，也可以在开螺孔而受剪的管壁上加厚。
9.根据权利要求1所述的体结点铝合金网架结构，其特征在于所述的网架杆件，与结点体肢板对应联结的杆端开有一个杆端口，供结点体肢板植入，杆端口壁可以是实体板，也可以是空腹板。
10.根据权利要求1所述的体结点铝合金网架结构，其特征在于所有杆件与结点体的肢板或结点槽的联结都用螺栓或铆栓紧固联接，螺栓或铆栓是铝合金材料或不锈钢材料制造的，每根杆件用若干根螺栓或铆栓与结点体紧固。
11.根据权利要求1所述的体结点铝合金网架结构，其特征在于所述的结点体XY平面的形心处开设备用螺孔，对于上弦结点体备用螺孔供支承檩条的支托联结固定，对于下弦结点体的备用螺孔供装修吊顶或照明设备等吊挂使用。
12.根据权利要求1所述的体结点铝合金网架结构，其特征在于网架结构的结点体与杆件也可以用满足设计要求的其他金属或非金属材料制造。
全文摘要
体结点铝合金网架结构，包括铝合金材料制造的体状的所有网架结点体，及与结点体联结的铝合金材料制造的网架所有弦杆及腹杆，其特点是每个体状的结点体上根据联结杆件的需要，在网架XY轴所在平面内的X正、负方向，分别设置联结X轴方向网架弦杆的结点体肢板B1、B2，或开设连结X方向网架弦杆的结点体槽C1、C2，在XY轴所在平面内的Y正、负方向，分别设置联结Y轴方向网架弦杆的结点体肢板B3、B4，或开设联结Y轴方向网架弦杆的结点体槽C3、C4，在YZ一侧G5G6腹杆平面内设置联结网架腹杆G5、G6的结点体肢板B5，或开设联结网架腹杆G5、G6的结点体槽C5，在(-Y)Z一侧G7、G8腹杆平面内设置联结网架腹杆G7、G8的结点体肢板B6，或开设联结网架腹杆G7、G8的结点体槽C6。汇交于该结点A(JA)的网架杆件，与结点体肢板对应的网架杆端均开有一个口，供结点体肢板植入，与结点槽对应的网架杆端部直接植入相应的结点槽内。杆件与结点体之间联结都用螺栓或铆栓M紧固，就得到安全可靠，便于设计、制作与安装的体结点铝合金网架结构。
文档编号E04B1/58GK102304941SQ20111016462
公开日2012年1月4日 申请日期2011年6月20日 优先权日2011年6月20日
发明者林娟, 梁琨 申请人:林娟