[发明专利]一种新型螺栓球节点及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于螺栓球节点设计的技术领域，具体涉及一种新型螺栓球节点及其制备方法。

背景技术

目前，网架结构以其受力合理、用料经济、造型美观，能覆盖较大空间等优点而成为符合当今大跨空间结构追求更大跨度，更加优美的外形的发展趋势，在建筑工程中应用广泛。节点作为网架结构的关键组成部分,占整个结构用钢量的20％～50％。因此合理的节点构造，对结构的安全度、制造安装、工程进度、用钢指标以及工程造价都有直接影响。

网架结构节点主要有焊接球节点和螺栓球节点。其中螺栓球节点一般在工厂定型成批生成，现场拼装无需焊接，装拆方便适用于现场工期紧、施工条件、用电量受制约，网架形状复杂、杆件定位困难的异形结构。螺栓球节点是由螺栓、钢球、销子(或螺钉)、套筒和锥头或封板等零件组成，其中钢球是实心的。由于实心钢球的重量大，因此直径超过300mm时目前工程实践中都采用了焊接球或者铸钢节点，这二者的一个突出缺陷是现场焊接工作量大，施工速度慢，质量难以保证，尤其是随着建筑技术的发展，装配式建筑已经成为发展的趋势，要求施工现场尽量采用螺栓球节点。但由于结构向更高、跨度更大方向的发展，原有的小直径螺栓球已不能满足工程实践的需求，例如《钢网架螺栓球节点JG/T10—2009》中螺栓球的规格中最大直径仅为300mm，而当前工程实践中通常需要根据杆件的角度，以及节点承受和传递较大的荷载要求，对螺栓球进行设计，需要的螺栓球很大。

因此，建立大直径螺栓球的生产技术是十分必要的，也是工程实践急需的。实现大直径螺栓球的关键技术有两点，一是实心球会导致节点单重较大，引起结构自重较大，影响结构的安全稳定性，同时也增加了现场的安装难度，如何保证承载性能的同时大幅降低自重是急需解决和突破的关键技术之一，二是大直径螺栓球节点的生产制造问题，传统的机床加工方法无法生产大直径螺栓球。

发明内容

本发明针对现有技术中螺栓球节点单重较大，影响结构安全稳定性的问题，提供一种基于拓扑优化的新型大直径螺栓球节点及其制备方法，对直径大于300mm的螺栓球进行优化分析，能够在满足螺栓球节点承载性能的基础上极大的减小螺栓球节点的自重，提高了螺栓球节点的使用性能和安全性能。

本发明采用如下技术方案：一种新型螺栓球节点，其特征在于，包括内部为空腔结构的钢球和设置在所述钢球上、用于连接和承载钢杆的分管，所述钢球与分管一体成型，所述钢球为部分被切除的球冠状，且球冠的高大于钢球的半径，分管沿钢球的法线方向向外设置，且分管沿钢球的周向均匀分布，所述分管为实心结构，分管上具有沿着法线方向设置的沉孔，所述钢球的表面上设置有使相邻分管间平滑连贯过渡的曲面倒圆角，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。

所述分管包括多组分管，所述钢球上被切除的面为钢球的底面，所述多组分管从钢球顶面到底面依次分布，且每组分管均分别沿钢球的周向均匀分布。

所述分管的底部与空腔结构不连通。

所述沉孔为螺栓孔。

所述钢球的直径大于300mm。

所述钢球的直径为350～500mm。

同时建立一种制备螺栓球节点的方法，采用消失模—砂型复合铸造工艺进行铸造，包括以下步骤：

(1)以分管数量、分管位置、分管直径、沉孔直径为参数，利用拓扑优化方法设计出螺栓球节点的三维结构；

(2)根据拓扑优化设计的结果设计螺栓球节点三维模型，根据所述三维模型分别做出泡沫三维模型和砂芯三维模型；

(3)根据泡沫三维模型制作出没有空腔的泡沫模样，根据砂芯三维模型进行木模造芯；

(4)将没有空腔的泡沫模样涂刷厚度大于2mm的醇基涂料；

(5)将涂刷过醇基涂料的泡沫模样填入一定配比的有机酯水玻璃砂开始造型，并将砂型硬化处理；

(6)将砂型中的泡沫以破坏方式取出，形成所述空腔和所述螺栓孔；

(7)将木模制作的砂芯下入所述空腔和所述螺栓孔，并在木模表面涂刷醇基涂料；

(8)合箱浇铸；

(9)落砂清理、热处理、质量检验；

(10)在车床上精加工螺栓沉孔。