CN112302159A - 一种网格结构新型装配式铸钢节点 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型装配式铸钢节点，属于空间网格结构节点创新领域。新型装配式铸钢球节点内部为空腔，外接分管与钢球连接为一个整体，分管与钢球之间的连接通过倒圆角使得结构光滑，分管沿钢球的周向分布，上半球四根钢管斜向外伸，中半球四根钢管沿轴向向外伸，且钢管与钢球之间的连接部分中间为空心，球内部斜向杆件由拓扑优化得到，与外部球壳为一个整体。钢球表面具有以分管数量、分管位置、分管直径为参数的经拓扑优化计算得出的与所承载钢杆受力相匹配的曲面形状。对球节点进行拓扑优化分析，使装配式铸钢球节点在满足各项力学性能的同时极大减轻了自重。
Description
技术领域
本发明属于空间网格结构节点创新领域，具体涉及到一种网格结构新型装配式铸钢节点，其主要应用在机场航站楼、高铁站、大型体育馆等网格、网架楼盖的结构中。
背景技术
当前，网格结构因其受力较为合理、自重较轻、造价较低而广泛应用于机场航站楼、高铁站、世博馆、大型体育场等。节点作为连接网格结构杆件的构件，其重量往往能占到结构总用钢量的20%-50%。因此，合理的节点往往能大大降低建筑的造价和提高安全性。
网格结构常用有焊接球节点、螺栓球节点和铸钢球节点，随着人们对建筑要求的不断提高，装配式结构以其设计多样化、施工进度快、节能、环保等优点得到普遍应用。铸钢球节点相较于焊接球节点，其残余应力较小，施工方便，大大减少了高空作业的工作量，使建筑成本降低，整体工程质量提高，同时，高空作业对施工人员带来的危害也大大的降低了。因此，装配式建筑中最常使用的是铸钢球节点。传统的铸钢球节点一般由工厂预制完成，再运输至施工现场进行现场焊接，施工进度缓慢，其球节点一般为空心球，常规的铸钢空心球节点的缺陷是不能完全反应结构的传力路径，使得很多材料未能完全受力，这就导致了节点在结构中占有大量的比重。
因此，制造一种新型的铸钢球节点是很有必要的，也是现阶段工程上急需的。实现新型铸钢节点的制造的关键技术有三点，一是需要满足轻量化的设计目标，这也是设计的重点；二是造型优美，新型节点一般应用于标志性建筑，其不仅仅只是为了减少造价，更需要让人感受优美；三是如何制造新型节点，传统机床很难满足制造要求，需要新的办法解决其制造问题。
发明内容
本发明相比于原有的铸钢球节点，是一种新的节点形式，对实心球节点通过拓扑优化研究，在满足各项力学性能的基础上，设计出一种新的节点，在满足轻量化的目标上降低工程造价。
本发明创造采用如下技术方案：一种新型铸钢节点，其球节点的特征为，钢球与外伸9根分管相连，分管均为空心管，分管与所诉钢球连接部分贯通，具有高度一体性。
所述分管为8根次管，1根主管，下半球区域外伸1根主管，球中心区域外伸4根次管，上半球区域斜向外伸4根次管，且次管半径小于主管半径。
所述分管外端部预留螺栓孔
钢球内部为空心结构，曲线光滑，其形式满足拓扑优化计算得到的合理的形态。
所述钢球内部有4根斜向支撑，均为实心，支撑与内球壁一体，支撑从跨中内球面沿斜向到上方四根次管中心区域，该支撑满足力传递时的路径。
所述钢球不是正圆结构，其具有明显的曲线化。
根据所述模型的特殊性，提供一种模型制作方法
（1）根据钢球直径、分管直径，预留螺栓孔直径为参数，利用拓扑优化方法设计出新型铸钢球节点的三维结构；
（2）根据拓扑优化的结果设计出新型铸钢球节点的三维模型，根据三维模型分别铸造出泡沫三维模型和砂模三维模型；
（3）根据泡沫三维模型做出实心泡沫模型；
（4）根据砂模三维模型进行木模造芯；
（5）将没有空腔的泡沫模样涂刷厚度大于2 mm的醇基涂料，填入一定配比的有机酯水玻璃砂开始造型；
（6）砂型振动紧实并硬化完全后，将砂型中的泡沫以破坏方式取出形成空腔；
（7）将木模制作的砂芯下入钢球空腔，并在木模表面涂刷醇基涂料后进行合箱浇注；
（8）开箱后的铸件经热处理、化学成分检测、探伤及尺寸测量等工序后，合格即可交付使用。
本发明的有益效果如下：新型装配式铸钢球节点是空心球节点，极大的减小了节点的自重，节约材料，有效的降低了施工难度，钢球的形状和结构通过拓扑优化设计而得到，使整个铸钢球节点的结构得到了改善，铸钢球节点形式简洁、美观，连接方便、安装精度高，且使铸钢球节点的使用性能得到了优化，铸钢球节点传力路线明确，受力形式合理，安全稳定性高。
所述沉孔为螺栓孔，待连接的钢杆的端部具有螺栓，钢杆端部螺栓与所述分管内的螺栓孔固定连接，从而实现钢杆与本铸钢球节点的固定连接。本发明主要利用拓扑优化的原理对铸钢球进行优化分析，得到一种新型铸钢球节点，能够在满足节点承载性能的基础上极大的减小钢球的自重。本发明铸钢球节点采用适合复杂异型铸件生产的消失模一砂芯型复合铸造工艺进行铸造，复合工艺不仅利用了消失模泡沫模样设计的高自由度、泡沫加工容易且价格低廉的优势，避免了变形、增碳的问题，而且保留了砂型铸造充型平稳，铸件成分、尺寸稳定的优点。
附图说明:
图1为本发明装配式节点的前视图；
图2为本发明装配式节点的轴向剖切图；
图3为本发明装配式节点的俯视图；
图4为本发明装配式节点的仰视图；
图中
1、中轴外伸管；
2、上轴外伸管；
3、次管外端预留螺栓孔；
4、球内部与内球壁一体支撑；
5、球内空腔；
6、钢球与外伸管的连接区域，设有倒角；
7、主管外端预留螺栓孔；
8、新型装配式节点主体。
9、主管
具体实施方式:
为了使本发明的技术目的、技术手段和有益效果更加清楚，以下结合说明书附图对本发明的具体实施方式做出进一步说明。
如图1-4所示，中间钢球有9根外伸管，上部斜向外伸4根次管，中部水平外伸4根次管，下部有一根外伸主管，球体与外伸管一体而成，外伸次管的外半径为60mm，内半径为40mm，外伸主管的外半径为80mm，内半径为60mm。外伸管与球连接内部为空心。
图1为本发明装配式节点的前视图，图2为本发明装配式节点的轴向剖切图，图3为本发明装配式节点的俯视图，图4为本发明装配式节点的仰视图。
次管1沿球轴向外伸，且沿周向均布分布，外伸长度伸出球体90mm，与球体一体化，倒角6为60度倒角。次管2沿斜向均匀分布，共4根，外伸长度为90mm，其连接方式同次管1。
所述钢球8与分管1、分管2、主管9一体成型，且钢球与分管和主管之间设有倒角，保证外伸管与铸钢节点平滑过度。避免了传统节点过渡区域应力集中现象，提高了承载力
所述次管1、次管2外端均有预留螺栓孔，保证其装配式连接时能在安装现场方便安装。
所述球内部斜向一体支撑从相邻两根中轴次管中间斜向向上，起点与梁相邻管间隔都为45度，斜向支撑顶部在上轴外伸管中心部分，斜向支撑与球内腔一体成型，且钢球内腔与斜向支撑之间有平滑过渡的曲面倒角。
具体的，为比较本发明经拓扑优化设计的新型装配式铸钢节点与传统节点的不
同，应用大型分析软件Ansys对其力学性能进行分析比较，控制荷载相同的条件下，可得力
学性能比较如下表：
| 类型 | 节点质量（t） | 最大位移（mm） | Mises应力（Mpa） |
| 新型装配式铸钢节点 | 94.9 | 0.109 | 176.0 |
| 传统铸钢球节点 | 97.7 | 0.186 | 312.3 |
比较表中的两种节点，相对于新型装配式铸钢节点，传统空心铸钢球节点在质量增加了2.95%的情况下，最大位移增加了70.64%，最大Mises应力增加了77.44%。
结果表明，新型装配式铸钢节点抵抗荷载的能力远优于传统铸钢球节点，且其受到相同荷载时最大位移远小于传统铸钢其球节点。从算例可见，本发明新型装配式铸钢球节点是切实可行的，具有较好的应用价值。
新型装配式铸钢节点整体浇注成型使得节点的整体结构刚性较大，针对铸造工艺中存在的问题，结合工厂实际生产的经验，本发明螺栓球节点采用适合复杂异型铸件生产的消失模一砂芯复合铸造工艺进行铸造，复合工艺不仅利用了消失模泡沫模样设计的高自由度、泡沫加工容易且价格低廉的优势，避免了变形、增碳的问题，而且保留了砂型铸造充型平稳，铸件成分、尺寸稳定的优点。
采用消失模一砂型复合铸造工艺进行铸造，包括以下步骤：
（1）根据钢球直径、分管直径，预留螺栓孔直径为参数，利用拓扑优化方法设计出新型铸钢球节点的三维结构；
（2）根据拓扑优化的结果设计出新型铸钢球节点的三维模型，根据三维模型采用3D打印技术分别铸造出泡沫三维模型和砂模三维模型；
（3）根据泡沫三维模型做出实心泡沫模型；
（4）根据砂模三维模型进行木模造芯；
（5）将没有空腔的泡沫模样涂刷厚度大于2 mm的醇基涂料，填入一定配比的有机酯水玻璃砂开始造型；
（6）砂型振动紧实并硬化完全后，将砂型中的泡沫以破坏方式取出形成空腔；
（7）将木模制作的砂芯下入钢球空腔，并在木模表面涂刷醇基涂料后进行合箱浇注；
（8）开箱后的铸件经热处理、化学成分检测、探伤及尺寸测量等工序后，合格即可交付使用。
由于节点形状复杂，为避免泡沫在造型过程中发生变形，影响铸件的尺寸精度，因此考虑只使用消失模制作节点的外部轮廓，而空心腔体和螺纹孔则另外用木模制砂芯来形成。相对其他砂型，水玻璃砂成本低廉、容易操作，较树脂砂退让性好，没有、等有害元素，其硬化过程采用有机醋硬化，硬化过程方便，铸件气孔、裂纹较少，表面光洁，尺寸精度提高。开箱后的铸件经热处理、化学成分检测、探伤及尺寸测量等工序后，在车床上精加工螺栓沉孔，合格即可交付工程使用
本发明的有益效果如下：
1、新型装配式铸钢球节点是空心球节点，极大的减小了节点的自重，节约材料。
2、有效的降低了施工难度，外伸管预留螺栓孔使得铸钢球节点形式简洁、美观，连接方便、安装精度高。
3、钢球的形状和结构通过拓扑优化设计而得到，使整个铸钢球节点的结构得到了改善，且使铸钢球节点的使用性能得到了优化，铸钢球节点传力路线明确，受力形式合理，安全稳定性高。
4、有效降低了传统铸钢球节点的应力集中现象以及质量太大的问题。
5、本发明装配式铸钢球节点采用传统消失模一砂芯复合铸造工艺相结合进行铸造，使设计的自由度高，成本极大降低低，钢球节点表面较为光滑，精度高，适用于工厂化生产。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为保护范围。
Claims (6)
1.一种新型装配式铸钢球节点，其特征在于，包括：铸钢球空腔内部的斜向支撑，所述球内部斜向支撑从相邻两根中轴次管中间斜向向上，起点与梁相邻管间隔都为45度，斜向支撑顶部在上轴外伸管中心部分，斜向支撑与球内腔一体成型，且钢球内腔与斜向支撑是经优化得到的统一整体。
2.所述钢球表面具有以分管数量、分管位置、分管直径、沉孔直径为参数的经拓扑优化计算得出的与所承载钢杆受力相匹配的曲面形状。
3.根据权利1、2要求所述的一种新型螺栓球节点,其特征在于,所述分管包括多组分管,所述多组分管的分布,每组分管均分别沿钢球的周向均匀分布，及所述分管与钢球轴线的夹角。
4.根据权利1、2、3要求或所述的一种新型装配式铸钢节点,其特征在于,所述分管的底部与空腔结构连通。
5.根据权利4要求所述的一种新型装配式铸钢球节点,其特征在于,外伸管的外部预留螺栓孔。
6.根据权利5要求所述的一种新型装配式铸钢球节点，其特征在于，分管与钢球的节点平滑过度，采取倒圆角的方式。
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