监控和增强结构稳定性的多功能节点锁扣装置的制作方法

本发明涉及结构健康监测及稳定控制领域，尤其是涉及一种监控和增强结构稳定性的多功能节点锁扣装置。

背景技术：

结构健康监测指的是对结构构件进行实时监测并对结构损伤进行识别，其观测值是结构维护的重要依据。并且，在目前钢结构的设计使用中，稳定性成为了控制因素，尤其是钢结构的施工和安装阶段还未形成完整结构，稳定性与承载力都未达到设计值，最容易发生安全事故，因此钢结构失稳监测得到了国内外学者的重视，并取得一定的进展。作为结构健康监测的分支，钢结构失稳监测是以构件或节点的变形位移作为监测对象，从而监测其稳定状态。目前，可适用于结构失稳健康监测的装置只考虑发出预警，而不能进一步限制失稳的发生从而实现控制。

目前钢结构失稳监测装置主要有以下几种，1997年过静珺在《工程勘察》中发表的“利用gps监测高大建筑物动态位移法研究”、1999年葛茂荣在《解放军测绘学院学报》中发表的“gps工程结构监测系统的建立及应用”及1999年岑敏仪在《西南交通大学学报》中发表的“虎门大桥墩、塔、锚gps施工测量”等指出可利用gps监测系统对高大建筑物变形进行检测，该方法精度较高，量程较大，但是易受到周围随机信号的干扰。2009年钱佳茹在《土木工程学报》中发表的“北京大学体育馆钢屋盖施工模拟与监测”、2012年王秀丽在《空间结构》中发布的“大跨钢结构施工加载健康监测及模拟分析”、2012年李惠在《土木工程学报》发表的“国家游泳中心钢结构施工卸载过程及运营期间应变健康监测及计算模拟分析”等均为在大跨度钢屋架中合理布置应变传感器监测结构施工加载过程及运营阶段进行结构健康监测，为以后同类工程的测点布置提供参考和借鉴；进一步有学者提出通过声发射装置等通过监测网壳结构或者焊接空心节点球的失稳变形，但是测量可能存在一定的难度。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种监控和增强结构稳定性的多功能节点锁扣装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明首先提供一种监控和增强结构稳定性的多功能节点锁扣装置，在两根杆件汇交连接形成的节点区域，增设套筒、传感器和配套支承元件，

所述套筒两端用支承元件锁扣在平面节点两侧的两根杆件上，从而实现杆件和套筒共同受力，所述杆件穿过套筒的端部支承元件，所述支承元件与所述杆件之间的连接为滑动接触连接，允许套筒的端部支承元件沿所述杆件轴向滑动，

所述套筒内设有传感器，所述传感器位于节点下方，当结构开始发生失稳时，引发节点变形迅速增大，变形超过一定范围后，节点与传感器接触，发出预警信号；同时，节点与套筒整体受力，发生内力重分布，从而达到防止或延缓结构失稳的目的。

进一步地，所述支承元件采用定位螺栓，通过定位螺栓将套筒与杆件固定，所述定位螺栓穿过套筒上的螺孔，光滑的螺栓端部与杆件之间为滑动接触连接，所述定位螺栓允许杆件与套筒发生杆件轴向相对位移，但限制杆件发生侧向位移，从而实现杆件和套筒共同受力。

进一步地，所述配套支承元件采用限位盘、挡板和连接螺栓，所述杆件穿过所述限位盘，所述挡板与套筒端部内侧面焊接，所述限位盘与所述挡板通过连接螺栓固定；所述限位盘与所述杆件之间的连接为滑动接触连接，所述限位盘允许杆件与套筒发生杆件轴向相对位移，但限制杆件发生侧向位移，从而实现杆件和套筒共同受力。

进一步地，所述套筒采用椭圆管、圆管、矩形管或方形管等空心截面构件。

进一步地，所述套筒采用装配式、格构式构件，所述套筒由两段截面相同的槽钢通过耳板或角钢与连接螺栓固定，其中，所述耳板与槽钢之间焊接连接，形成焊缝，所述角钢与槽钢之间通过定位螺栓连接。

进一步地，所述套筒设有两个，在节点两侧各设置一独立套筒，两根杆件分别穿过一个套筒，两个套筒之间用型钢连接件连接形成整体协同受力。

基于所述监控和增强结构稳定性的多功能节点锁扣装置向三维空间节点的推广应用，本发明还提供另一种监控和增强结构稳定性的多功能节点锁扣装置，在多根杆件汇交连接形成的空间节点区域，增设套盘、传感器和配套支承元件，所述套盘周边用支承元件锁扣在空间节点周边的所有杆件上，从而实现杆件和套盘共同受力，所述杆件穿过套盘的周边支承元件，所述支承元件与所述杆件之间的连接为滑动接触连接，允许套盘的周边支承元件沿所述杆件轴向滑动，所述套盘内设有传感器，所述传感器位于节点下方，当结构开始发生失稳时，引发节点变形迅速增大，变形超过一定范围后，节点与传感器接触，发出预警信号；同时，节点与套盘整体受力，发生内力重分布，从而达到防止或延缓结构失稳的目的。

上述监控和增强结构稳定性的多功能节点锁扣装置为扁网壳结构空间节点，因此，本发明多功能锁扣装置可引申为应用于扁网壳结构空间节点塌陷及扁壳跳跃失稳监控中。

进一步地，所述支承元件采用限位盘和连接螺栓，所述杆件穿过所述限位盘，所述限位盘与套盘侧壁板通过连接螺栓固定；所述限位盘与所述杆件之间的连接为滑动接触连接，所述限位盘允许杆件与套盘发生杆件轴向相对位移，但限制杆件发生侧向位移，从而实现杆件和套盘共同受力，

所述套盘侧壁板和底板可适当开孔，既便于直接观察杆件和节点变形，也方便安装、维护、检修。

进一步地，所述杆件、套筒或套盘可采用延性好、韧性好的金属材料或合金材料，例如建筑结构钢材或铝合金材料，套筒或套盘亦可采用强度高、韧性好、透明性好的材料，如帕姆聚碳酸酯板、环氧树脂基玻璃纤维增强复合材料等，以方便观察杆件和节点变形状态。

进一步地，在所述节点处设置限位杆，以更加有效地限制节点变形、及时触发传感器预警信号。一方面可以减小节点位移限值，避免发生跳跃失稳发生在传感器预警之前，另一方面限位杆底部与套筒或套盘接触后可提高结构承载力和刚度，进一步限制节点变形。

进一步，所述杆件可以为工字型截面，通过减小节点下方传感器和杆件间的空隙，可以在节点锁作用区段内提供较大刚度，提高节点的平面外抗弯刚度，从而增加节点平面外稳定性。

本发明的工作原理为：

本发明专利监控和增强结构稳定性的多功能节点锁扣装置中，主要由承担荷载的节点与杆件、约束节点变形的套筒或套盘、传感器及配套支承元件组成。传感器装置设置于节点下方，当结构开始发生失稳时，引发节点变形迅速增大，变形超过一定范围后，节点与套筒或套盘部件中传感器接触，发出预警信号；同时，节点与套筒或套盘部件整体受力，发生内力重分布，达到防止或延缓结构失稳的目的。并且可以通过在节点处与传感器之间设置一限位杆，一方面可以减小节点位移限值，另一方面限位杆底部与套筒或套盘接触后可提高结构承载力和刚度，进一步限制节点变形。不仅如此，套筒或套盘可采用装配式、格构式构件，利用多功能节点锁扣易安装、可拆卸的特性，既便于在新建结构中安装，也适于在加固结构中增设，还可用于施工中临时增强结构平面内或平面外稳定性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、功能强大独特：不仅对钢结构节点变形进行健康监测，还能限制节点变形的发展，提高承载力，实现控制。

2、应用范围广：在门式刚架或轻型屋架中，不仅可应用于屋脊节点，还可应用于梁-柱节点、梁-梁拼接节点；在单层网格结构中，不仅可应用于顶部节点，也可应用于其他关键的或相对薄弱的节点。

3、既便于在新建结构中安装，也适于在加固结构中增设，还可用于施工中临时增强结构平面内或平面外稳定性。

4、安全可靠：结构构造简单，易于制作，不易损坏，可以长期使用。

本发明既可发出预警信号，又可提供约束使节点变形限定在一定范围内，提高结构稳定承载力。利用多功能节点锁扣可拆卸的特性，既便于在新建结构中安装，也适于在加固结构中增设，还可用于施工中临时增强结构稳定性。

附图说明

图1为实施例1中能监测并实现控制的多功能节点锁扣装置主视结构示意图；

图2为实施例1中能监测并实现控制的多功能节点锁扣装置俯视结构示意图；

图3为实施例1中能监测并实现控制的多功能节点锁扣装置侧视结构示意图；

图4为实施例2中能监测并实现控制的多功能节点锁扣装置侧视结构示意图；

图5为实施例3中能监测并实现控制的多功能节点锁扣装置侧视结构示意图；

图6为实施例4中为约束工字型或h型截面杆件发生平面外失稳并实现监测的示意图；

图7为实施例5中节点处与传感器之间设置限位杆的示意图；

图8为实施例6中能监测并实现控制的多功能节点锁扣装置主视结构示意图；

图9为实施例6中能监测并实现控制的多功能节点锁扣装置俯视结构示意图；

图10为图9中a-a面剖视结构示意图；

图11为实施例7中能监测并实现控制的多功能节点锁扣装置主视结构示意图；

图12为实施例7中能监测并实现控制的多功能节点锁扣装置俯视结构示意图。

1、节点，2、杆件，3、套筒，3b、套盘，4、传感器，5、定位螺栓，6、限位盘，7、挡板，8、连接螺栓，9、焊缝，10、耳板，11、角钢，12、限位杆，13、连接板，14、型钢连接件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

参考图1、图2、图3。

一种监控和增强结构稳定性的多功能节点锁扣装置，在两根杆件2汇交连接形成的节点1区域，增设套筒3、传感器4和配套支承元件，

所述套筒3两端用支承元件锁扣在平面节点1两侧的两根杆件2上，从而实现杆件2和套筒3共同受力，所述杆件2穿过套筒3的端部支承元件，所述支承元件与所述杆件2之间的连接为滑动接触连接，允许套筒3的端部支承元件沿所述杆件2轴向滑动，

所述套筒3内设有传感器4，所述传感器4位于节点1下方，当结构开始发生失稳时，引发节点1变形迅速增大，变形超过一定范围后，节点1与传感器4接触，发出预警信号；同时，节点1与套筒3整体受力，发生内力重分布，从而达到防止或延缓结构失稳的目的。

所述节点主要承担竖向荷载，所述套筒提供约束使节点变形保持在一定范围内，从而使节点受力变形后可以发生内力重分布，提高其承载能力，以实现防止或抑制结构失稳；

本实施例中，所述支承元件采用定位螺栓5，通过定位螺栓5将套筒3与杆件2固定，所述定位螺栓5穿过套筒3上的螺孔，光滑的螺栓端部与杆件2之间为滑动接触连接，所述定位螺栓5允许杆件2与套筒3发生杆件2轴向相对位移，但限制杆件2发生侧向位移，从而实现杆件2和套筒3共同受力。

本实施例中，所述套筒3采用椭圆管、圆管、矩形管或方形管等空心截面构件。

本实施例中，所述杆件2为圆管、方管或矩形管杆件。

实施例2

参考图1、图2、图4。

一种监控和增强结构稳定性的多功能节点锁扣装置，在两根杆件2汇交连接形成的节点1区域，增设套筒3、传感器4和配套支承元件，

所述套筒3两端用支承元件锁扣在平面节点1两侧的两根杆件2上，从而实现杆件2和套筒3共同受力，所述杆件2穿过套筒3的端部支承元件，所述支承元件与所述杆件2之间的连接为滑动接触连接，允许套筒3的端部支承元件沿所述杆件2轴向滑动，所述套筒3内设有传感器4，所述传感器4位于节点1下方，当结构开始发生失稳时，引发节点1变形迅速增大，变形超过一定范围后，节点1与传感器4接触，发出预警信号；同时，节点1与套筒3整体受力，发生内力重分布，从而达到防止或延缓结构失稳的目的。

本实施例中，所述支承元件采用限位盘6、挡板7和连接螺栓8，所述杆件2穿过所述限位盘6，所述挡板7与套筒3端部内侧面焊接，所述限位盘6与所述挡板7通过连接螺栓8固定；所述限位盘6与所述杆件2之间的连接为滑动接触连接，所述限位盘6允许杆件2与套筒3发生杆件2轴向相对位移，但限制杆件2发生侧向位移，从而实现杆件2和套筒3共同受力。

本实施例中，所述套筒3为矩形管截面或方形管截面。杆件2与套筒3的间隙为上下间隙较大、左右间隙较小，便于施工安装。

本实施例中，所述杆件2为圆管、方管或矩形管杆件。

实施例3

参考图1、图2、图5。

一种监控和增强结构稳定性的多功能节点锁扣装置，在两根杆件2汇交连接形成的节点1区域，增设套筒3、传感器4和配套支承元件，所述套筒3两端用支承元件锁扣在平面节点1两侧的两根杆件2上，从而实现杆件2和套筒3共同受力，所述杆件2穿过套筒3的端部支承元件，所述支承元件与所述杆件2之间的连接为滑动接触连接，允许套筒3的端部支承元件沿所述杆件2轴向滑动，所述套筒3内设有传感器4，所述传感器4位于节点1下方，当结构开始发生失稳时，引发节点1变形迅速增大，变形超过一定范围后，节点1与传感器4接触，发出预警信号；同时，节点1与套筒3整体受力，发生内力重分布，从而达到防止或延缓结构失稳的目的。

在安装使用上，考虑到某些结构在施工阶段需要额外加固，某些结构可能因后期使用需求需要局部加固，可以将节点锁扣设计成为可拆卸更换的形式。

因此，本实施例中，所述套筒3采用装配式、格构式构件，所述套筒3由两段截面相同的槽钢通过耳板10与连接螺栓8固定，实现易安装、可拆卸，其中，所述耳板10与槽钢之间焊接连接，形成焊缝9。

本实施例中，所述杆件2为圆管、方管或矩形管杆件。

实施例4

参考图1、图2、图6。

一种监控和增强结构稳定性的多功能节点锁扣装置，在两根杆件2汇交连接形成的节点1区域，增设套筒3、传感器4和配套支承元件，所述套筒3两端用支承元件锁扣在平面节点1两侧的两根杆件2上，从而实现杆件2和套筒3共同受力，所述杆件2穿过套筒3的端部支承元件，所述支承元件与所述杆件2之间的连接为滑动接触连接，允许套筒3的端部支承元件沿所述杆件2轴向滑动，所述套筒3内设有传感器4，所述传感器4位于节点1下方，当结构开始发生失稳时，引发节点1变形迅速增大，变形超过一定范围后，节点1与传感器4接触，发出预警信号；同时，节点1与套筒3整体受力，发生内力重分布，从而达到防止或延缓结构失稳的目的。

本实施例中，所述套筒3采用装配式、格构式构件，所述套筒3由两段截面相同的槽钢通过角钢11与连接螺栓8固定，实现易安装、可拆卸，其中，所述角钢11与槽钢之间通过定位螺栓5连接。

本实施例中，所述杆件2为工字型或h型截面，通过减小节点下方传感器和杆件间的空隙，可以在节点锁作用区段内提供较大刚度，提高节点区域的平面外抗弯刚度，从而增加结构平面外稳定性。

实施例5

参考图7。

在实施例1-4中任意一个的基础上，可以在所述节点1处设置限位杆12，以更加有效地限制节点变形、及时触发传感器预警信号。一方面可以减小节点位移限值，避免发生跳跃失稳发生在传感器预警之前，另一方面限位杆底部与套筒或套盘接触后可提高结构承载力和刚度，进一步限制节点变形。

实施例6

参考图8、图9、图10。

一种监控和增强结构稳定性的多功能节点锁扣装置，在多根杆件2汇交连接形成的空间节点1区域，增设套盘3b、传感器4和配套支承元件，所述套盘3b周边用支承元件锁扣在空间节点1周边的所有杆件2上，从而实现杆件2和套盘3b共同受力，所述杆件2穿过套盘3b的周边支承元件，所述支承元件与所述杆件2之间的连接为滑动接触连接，允许套盘3b的周边支承元件沿所述杆件2轴向滑动，所述套盘3b内设有传感器4，所述传感器4位于节点1下方，当结构开始发生失稳时，引发节点1变形迅速增大，变形超过一定范围后，节点1与传感器4接触，发出预警信号；同时，节点1与套盘3b整体受力，发生内力重分布，从而达到防止或延缓结构失稳的目的。

本实施例中，所述支承元件采用限位盘6和连接螺栓8，所述杆件2穿过所述限位盘6，所述限位盘6与套盘3b侧壁板通过连接螺栓8固定；所述限位盘6与所述杆件2之间的连接为滑动接触连接，所述限位盘6允许杆件2与套盘3b发生杆件2轴向相对位移，但限制杆件2发生侧向位移，从而实现杆件2和套盘3b共同受力，

所述套盘3b侧壁板和底板可适当开孔，既便于直接观察杆件和节点变形，也方便安装、维护、检修。

本实施例为扁网壳结构空间节点，因此，本发明多功能锁扣装置可引申为应用于扁网壳结构空间节点塌陷及扁壳跳跃失稳监控中。

实施例7

参考图11与图12。

本实施例中，所述杆件2为工字型截面，两根杆件2分别与连接板13焊接，两个连接板13通过连接螺栓8连接，在连接板13的下方设置传感器4。

本实施例中，连接板13相当于上面实施例中的结点。本实施例中，所述套筒3可以设有两个，在节点两侧构件各设置一独立套筒3，两根杆件分别穿过一个套筒3，两个套筒3之间用型钢连接件14连接形成整体协同受力，实现易安装、可拆卸。

以上实施例中，所述杆件2、套筒3或套盘3b可采用延性好、韧性好的金属材料或合金材料，例如建筑结构钢材或铝合金材料，套筒3或套盘3b亦可采用强度高、韧性好、透明性好的材料，如帕姆聚碳酸酯板、环氧树脂基玻璃纤维增强复合材料等，以方便观察杆件和节点变形状态。

以上实施例中的工作原理为：

本发明监控和增强结构稳定性的多功能节点锁扣装置中，主要由承担荷载的节点与杆件、约束节点变形的套筒或套盘、传感器及配套支承元件组成。传感器设置于节点下方，当结构开始发生失稳时，引发节点变形迅速增大，变形超过一定范围后，触发设置于节点下方的传感器，发出预警信号；同时，节点与套筒或套盘整体受力，发生内力重分布，达到防止或延缓结构失稳的目的。并且可以通过在节点与传感器之间设置一限位杆，一方面可以减小节点位移限值，另一方面限位杆底部与套筒或套盘接触后可提高结构承载力和刚度，进一步限制节点变形。不仅如此，套筒或套盘可采用装配式、格构式构件，利用多功能节点锁扣易安装、可拆卸的特性，既便于在新建结构中安装，也适于在加固结构中增设，还可用于施工中临时增强结构平面内或平面外稳定性。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。