【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及空间网格结构领域，具体为一种应用于自由曲面单层木网壳的钢木组合节点及其安装施工方法。
技术介绍
1、木材由于其比强度高、低碳环保、可再生等突出优势，在大跨空间网格结构中得到了广泛的应用。作为其中的一种重要结构形式，单层网壳是通过节点连接具有不同位置关系杆件而形成的一种空间受力体系，由构件组成丰富多变的曲面造型及网格拓扑可满足建筑艺术性要求，为城市增添灵动色彩。不同于钢网壳可对杆件进行焊接，木杆件需要通过装配式节点连接。应用于木网壳的节点既要有足够的强度和刚度来满足结构受力要求，又要有灵活的几何适应性，可以适应结构空间曲率和网格拓扑的变化，实现对任意位置关系杆件的连接。
2、目前常见单层木网壳多通过加工木构件形状来适应结构空间曲率变化，构件在节点处不断开，但此类方式只可实现特定形态和网格拓扑。木网壳多采用钢材进行节点连接，一方面，钢材的密度远大于木材，造成木网壳质量分布不均匀，节点处的质量集中会增强结构的缺陷敏感性，故轻质高强的节点连接十分必要；另一方面，钢材与木材的力学性能差异使其变形难以协调，采用合理的构造措施保证节点协同受力尤为关键。自由曲面网壳空间曲率和网格拓扑变化使杆件空间位置关系多种多样，增加了节点的制造成本和施工难度。因此，有必要提出轻质高强、连接可靠、具有良好几何适应性的钢木组合节点，以满足自由曲面木网壳的结构需求。
技术实现思路
1、技术问题：针对自由曲面木网壳力学性能对节点协同受力、可靠连接的要求，以及结构曲面形态和网格拓扑变化对节点几何
2、技术方案：本专利技术提出了应用于自由曲面单层木网壳的新型钢木组合节点及其施工方法。该新型节点通过轻质高强连接器，平面内角度调节机制，平面外角度调节机制及钢木连接部位等构造措施，结合两阶段施工方法，实现了对任意空间位置关系木杆件的可靠连接。
3、所述轻质高强连接器设计，是考虑钢材与木材密度差异，防止连接器过重造成木网壳质量分布不均，影响结构受力。以提升连接器材料利用率为目标，通过拓扑优化手段进行设计。
4、以连接器刚度为优化目标，材料体积分数为约束条件，对其进行拓扑优化设计，优化的数学模型可以表述为：
5、cm(ρe)＝ftum(ρeen)，m＝1，2，…，m (1)
6、设置边界条件如下式：
7、v(ρe)≤αv0(0≤ρe≤1，e＝1，2，…，n) (2)
8、f＝kmum (3)
9、其中，ρe为单元密度，v(ρe)为优化后体积，v0为初始设计域体积，α为材料体积分数，cm，um和km分别为节点的应变能指标，总位移矩阵和总刚度矩阵。利用优化程序求解公式(1)的最小值，获得钢连接器体积分数为α时，具有最大刚度的结构拓扑。
10、所述平面内任意角度调节机制，是为适应自由曲面木网壳网格拓扑变化提出。根据木杆件数量将连接器均匀分段，各段分别与一块连接板焊接后通过转轴螺杆拼接，连接器及连接板可绕转轴螺杆转动，实现对节点平面内角度的任意调节。
11、所述平面外任意角度调节机制，是为适应自由曲面木网壳空间造型曲率变化提出。连接板与耳板间通过夹环连接，耳板可绕夹环转动来满足杆件在垂直方向的角度要求。
12、所述钢木连接部位，是为解决钢材与木材间属性差异对二者协同工作性能的影响，保证节点可靠连接而采取的构造措施。钢木连接构造包括钢套筒、钢夹板、对拉螺栓和木杆件，钢套筒包裹于木杆件外部，其约束作用可防止木材发生撕裂破坏；钢套筒、钢夹板与木杆件之间通过结构胶粘接，并通过对拉螺栓连接，实现共同受力避免应力集中。利用式(4)建立各结构参数与节点力学性能间的关系方程，分析其对节点性能的影响机理。根据木杆件截面高度、节点受力状态等因素确定钢夹板数量及间距、螺栓数量等参数指标。
13、y＝σ(w·x-b) (4)
14、式中，y为节点性能矩阵，x为节点构造参数取值矩阵，w和b分别为权重矩阵和偏置矩阵。
15、所述两阶段施工方法，是为保证节点灵活几何适应性同时，提高其力学性能。第一阶段根据木杆件空间位置关系调整节点的平面内/外夹角，通过拧紧转轴螺杆及压入铆轴进行固定；第二阶段在木网壳成型后，在连接器与连接板，连接板与耳板间分别施焊，提高节点的力学性能。
16、有益效果：与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
17、1)本专利技术采用拓扑优化手段实现节点轻质高强设计，提高连接器的材料利用率。对于木网壳而言，由于钢材与木材的密度存在较大差异，会导致结构质量分布不均，增强缺陷敏感性，连接器拓扑设计可有效改善上述问题。
18、2)本专利技术钢木组合节点具有灵活的平面内及平面外夹角调节机制，将连接器分段后通过中部转轴螺杆拼接，连接板绕转轴螺杆可发生任意转动来适应杆件平面内夹角变化；连接器与耳板间通过夹环连接，耳板可绕夹环发生任意角度转动以实现杆件平面外夹角调节。
19、3)本专利技术钢木连接部位的协同工作性能好，钢套筒、钢夹板与木杆件通过结构胶和对拉螺栓连接，钢套筒包裹于木杆件外部，其约束作用可有效防止木材撕裂破坏，钢夹板和对拉螺栓可保证荷载的可靠、分散传递，避免应力集中。
20、4)本专利技术钢木组合节点采用两阶段施工技术来保证其工程实用性。第一阶段，调整节点平面内夹角，通过拧紧转轴螺杆固定；调整节点平面外夹角并利用铆轴固定。第二阶段，木网壳成型后，对连接板和连接器，连接板和耳板间分别施焊，提升节点的力学性能。
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1.一种适用于自由曲面单层木网壳的新型钢木组合节点，其特征在于：对连接器(1)的轻质高强性能进行拓扑优化设计；利用节点平面内及平面外角度调节机制适应任意空间位置关系木杆件(9)的连接需求；通过结构胶和对拉螺栓(8)实现钢套筒(7)和钢夹板(10)与木杆件(9)间的可靠连接。
2.根据权利要求1所述对连接器(1)拓扑结构进行优化，其特征在于：利用拓扑优化手段，以连接器(1)材料体积分数为约束条件，最大刚度为优化目标，分析其在不同荷载工况下的最优拓扑结构，给出连接器(1)材料利用率高、力学性能好的结构分布模式。
3.根据权利要求1所述节点平面内角度调节机制，其特征在于：连接器(1)被划分为数段，划分段数等于节点连接木杆件(9)数，且分别与一块连接板(3)焊接；各段连接器(1)通过转轴螺杆(2)拼接，可绕转轴螺杆(2)改变任意角度，拧紧转轴螺杆(2)可固定其平面内位置。
4.根据权利要求1所述节点平面外角度调节机制，其特征在于：连接板(3)与耳板(4)通过夹环(6)连接，耳板(4)可绕夹环(6)发生任意角度转动；压入铆轴(5)可固定连接板(3)与耳板
5.根据权利要求1所述钢木连接部位，其特征在于：钢套筒(7)中设置有钢夹板(10)，通过结构胶将钢套筒(7)、钢夹板(10)与木杆件(9)进行粘结，同时拧紧对拉螺栓(8)进行机械固定。
6.根据权利要求2所述连接器(1)拓扑结构，其特征在于：连接6根木杆件的连接器包含三类孔洞，记为孔洞四(16)、孔洞五(17)和孔洞六(18)；孔洞四(16)沿连接器外周均匀分布，共有6个，孔洞五(17)沿连接器内周均匀分布，共有6个；所述孔洞边界可视为由直线和圆弧线构成，孔洞四(16)为等腰三角形形状，中轴线与等腰三角形的中垂线对齐，孔洞五(17)为等腰梯形形状，中轴线与等腰梯形的中垂线对齐，且两类孔洞均由外接多边形进行倒角和线条处理得到；连接器(1)拓扑结构与其连接木杆件(9)数量有关。
7.根据权利要求3和权利要求4所述节点角度调节机制，其特征在于：节点施工包含两个阶段，阶段一调节节点平面内/外夹角适应木杆件(9)连接需求，通过拧紧转轴螺杆(2)和压入铆轴(5)进行固定；阶段二在木网壳曲面形态及网格拓扑成型后，对连接板(3)与连接器(2)、连接板(3)与耳板(4)间进行焊接，提升节点的力学性能。
8.根据权利要求5所述钢木连接构造，其特征在于：钢夹板(10)焊接于钢套筒(7)中，钢套筒(7)包裹于木杆件(9)外表面，钢夹板(10)插入木杆件(9)内部，钢套筒(7)和钢夹板(10)与木杆件(9)通过结构胶和对拉螺栓(8)连接；钢夹板(10)和对拉螺栓(8)的数量根据节点受力状态、木杆件(9)尺寸等因素确定。
...【技术特征摘要】
1.一种适用于自由曲面单层木网壳的新型钢木组合节点，其特征在于：对连接器(1)的轻质高强性能进行拓扑优化设计；利用节点平面内及平面外角度调节机制适应任意空间位置关系木杆件(9)的连接需求；通过结构胶和对拉螺栓(8)实现钢套筒(7)和钢夹板(10)与木杆件(9)间的可靠连接。
2.根据权利要求1所述对连接器(1)拓扑结构进行优化，其特征在于：利用拓扑优化手段，以连接器(1)材料体积分数为约束条件，最大刚度为优化目标，分析其在不同荷载工况下的最优拓扑结构，给出连接器(1)材料利用率高、力学性能好的结构分布模式。
3.根据权利要求1所述节点平面内角度调节机制，其特征在于：连接器(1)被划分为数段，划分段数等于节点连接木杆件(9)数，且分别与一块连接板(3)焊接；各段连接器(1)通过转轴螺杆(2)拼接，可绕转轴螺杆(2)改变任意角度，拧紧转轴螺杆(2)可固定其平面内位置。
4.根据权利要求1所述节点平面外角度调节机制，其特征在于：连接板(3)与耳板(4)通过夹环(6)连接，耳板(4)可绕夹环(6)发生任意角度转动；压入铆轴(5)可固定连接板(3)与耳板(4)的平面外相对位置。
5.根据权利要求1所述钢木连接部位，其特征在于：钢套筒(7)中设置有钢夹板(10)，通过结构胶将钢套筒(7)、钢夹板(10)与木杆件(9)进行粘结，同时拧紧对拉...
【专利技术属性】
技术研发人员：张志杰，魏洋，陈桥生，陈国，刘峰成，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：
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