CN101949170A - 植杆式板结点铝合金桁架结构 - Google Patents

Abstract

一种植杆式板结点铝合金桁架结构，包括结点板和与之连接的铝合金桁架腹杆和弦杆，其特点是：结点板上开有两道槽，其中一道槽供弦杆植入并连接，另一道槽供腹杆植入并连接。弦杆通过螺栓或铆钉与结点板连接，腹杆也通过螺栓或铆钉与结点板连接，使得结点板在横、竖、斜的几个方向均连接铝合金杆件，得到受力合理，结构可靠，便于设计、制作与施工的铝合金桁架体系。本发明的铝合金桁架结构连接可靠、结构简单，制作与施工方便。

Description

植杆式板结点铝合金桁架结构

技术领域

本发明涉及一种桁架(truss)，是土木工程、房屋工程、桥梁工程建筑领域常用的一种结构体系。

背景技术

桁架(truss)，又称桁架结构(Truss structure)，指的是桁架梁，是格构化的一种梁式结构，桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中。我们经常所见的桁架有钢桁架、钢筋混凝土桁架、预应力混凝土桁架、木桁架、钢与木组合桁架、钢与混凝土组合桁架。桁架按外形分有三角形桁架、梯形桁架、多边形桁架、平行弦桁架，拱形桁架及空腹桁架。在选择桁架形式时，应综合考虑桁架的用途、材料、支承方式和施工条件，在满足使用要求的前提下，力求制造和安装所用的材料和劳动量为最小。传统的用钢材做成的桁架，其结点大多是焊接点或铆接点，钢网架结构有螺栓球结点与焊接球结点，强度一般没有受到影响，但是如果采用铝合金做成桁架时，铝合金焊接不容易，然而据我们所知的铝合金桁架结构，联结杆件的结点也都是仿钢桁架结构的焊接结点处理方法。对于铝合金桁架结构来说，焊接结点存在下列问题：

(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。

为了解决铝合金桁架存在的问题，有人进行了一些研究，如中国专利，名称：铝合金结构架连接结构，申请(专利)号：CN200720169866.0，申请(专利权)人，朱贵州，地址：北京市海淀区德胜门西大街15号远洋风景7号楼1单元501，发明(设计)人：朱贵州，摘要：一种用于搭建展览、商业展卖和会议舞台等领域的铝合金结构架连接结构，它包括：连接头，连接钢片，桁架端头，贯穿桁架端头的阶梯通孔的阶梯轴，阶梯轴的粗端具有外螺纹，阶梯轴的细端伸出于桁架端头的阶梯通孔的小孔与一手柄固定连接，阶梯轴的细端上套设有弹簧，弹簧的两端分别顶持着阶梯轴的粗端侧壁和桁架端头的阶梯通孔的小孔侧壁；杆件；四根杆件和两个桁架端头通过螺钉连接成一个桁架；六件连接头通过连接钢片和销钉相连接构成结构架的结点，桁架的桁架端头与结点的连接头相对并通过阶梯轴相连接。

北京市市政工程研究院、北京市路政局的吴宝玲、方平、张爱江在“某全铝合金人行天桥的计算和荷载分析”【市政技术.2009，27(2).-112-115】通过对某全铝合金结构人行天桥进行力学模型和边界条件的简化和假定，建立有限元模型并对其进行力学计算和理论分析；在与试验数据进行对比后，提出验算和试验校验结论以及在正常使用极限状态下均匀温度场对该类桥的影响等结论。并就桥梁选材合理性和结构适用性进行了简单的探讨。文中根据对设计图纸和桥梁实体结构的分析，该天桥主桥桁架结构的传力路径为走道板横向桁片一纵向主桁片一支座。天桥组成杆件均通过节点板用螺栓相互连接，节点按固接设计。节点试验也表明杆件变形远大于节点变形，试验过程中，平面内杆件与节点板夹角基本无变化。因此。计算时节点按固接考虑。由于天桥的东西两座副桥以及与主桥连接的电梯、步梯等均有各自独立的支承体系，与主桥连接处均用伸缩缝断开。故建立模型时不考虑副桥对主桥的影响，认为主桥为一个独立的结构。

上述公开的铝合金结构架主要用于展览、会议舞台，其结构不能用于大型的土木工程、房屋工程、桥梁工程，同时存在的不足之处是结构较复杂，如文献1提出桁架端头需要阶梯轴，阶梯轴需要设外螺纹和弹簧，接头处要连接钢片，制作与施工都十分困难，这样就增加了制造成本。文献2提到通过节点板用螺栓相互连接，但是节点板的结构未公开。

发明内容

本发明的目的是提供一种连接可靠、结构简单、制作与施工方便的铝合金桁架。

为了实现本发明的目的，本发明人对桁架结构受力进行分析，设计并试验了多种桁架结点，最终确定了植杆式板结点铝合金桁架结构，并试用于某建筑的屋盖结构，半年来经受了大风和暴雨的考验。

本发明的技术方案如下：

植杆式板结点铝合金桁架结构包括结点板和与之连接的桁架斜腹杆、竖腹杆和弦杆，斜腹杆与竖腹杆统称腹杆。其特点是：结点板上开有两道槽，其中一道槽供弦杆植入并连接，称为弦杆槽；另一道槽供腹杆植入并连接，称为腹杆槽。弦杆通过螺栓或铆钉(栓)与结点板紧固，腹杆也通过螺栓或铆钉(栓)与结点板紧固。

所述的结点板(1)的两道槽弦杆槽与腹杆槽平行或者不平行，也就是说，汇交于一个结点的桁架腹杆和弦杆其方向角度是由桁架设计方案确定的，但不论杆件任何方向角度均可方便地植入相应槽内并加以紧固。杆件与结点板紧固后，槽内空隙用填充料填满。

以上所述的结点板为均一厚度的金属板，或者是一边厚一边薄的异形金属板，一边厚一边薄的异形金属板主要是考虑建造大型土木构件的体育馆、桥梁、机场时，可以减轻构件重量并节省部分材料。所述的金属板或异形金属板是铝合金板、钢板、铁合金板、铜合金板或强度足够的非金属板例如：铝塑板、塑料等，因为整体桁架结构是铝合金，所以结点板优选铝合金板。

以上所述的螺栓或铆钉是不锈钢螺栓或铆钉或铝合金螺栓或铆钉，腹杆和弦杆可以用若干根螺栓或铆钉固定。

所述的填充料采用塑料、木板、泡沫或其他填充料填满，例如聚苯乙烯泡沫，酚醛泡沫防火板、高温泡沫海绵等，主要填充满槽内空隙即可。

本发明所述的植杆式板结点铝合金桁架结构可以直接由基础支承，或者用柱子或者梁等其他构件支承。支承的构件可以是钢结构、钢筋混凝土结构、铝合金结构或其他混合结构。

本发明与现有技术相比，其突出的实质性特点和显著的进步是：

1、本发明的铝合金桁架由结点板、腹杆和弦杆构成，采用植杆式结构，即：弦杆插入结点板的弦杆槽内，并用螺栓或铆钉与结点板紧固；腹杆植入结点板的腹杆槽内，也用螺栓或铆钉与结点板紧固，使得结点板在横、竖、斜的几个方向均连接铝合金杆件，得到受力合理，结构可靠，便于设计、制作与施工的铝合金桁架体系。

2、铝合金材料质轻(是钢材的三分之一)，高强(六系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(是其它金属不可比)，是可以再生的环保建筑金属。

3、桁架结构受力清晰，结构合理，节省材料，跨度可大可小，广泛应用于体育场馆、工业厂房、桥梁工程等建筑工程领域。研究分析证明，桁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。植杆式的桁架板结点，避免了焊接铝合金的缺陷，是铝合金桁架结构的一个创新与突破，必将使铝合金结构的使用与推广成为可能。

4、植杆式板结点铝合金桁架结构，其所有杆件及板结点都是充分利用了铝合金成型性好，加工方便的特性，挤压或冲压制作的，杆件、板结点都可以规范化、标准化，可以实现工厂大批量生产，然后现场拼装。制作与施工都十分方便，质量也有保证。

5、植杆式板结点铝合金桁架方便计算机程序进行内力分析与结构设计，直到CAD出加工图及安装图。

6、植杆式板结点解决了铝合金桁架的结点处理难题，同时又使铝合金桁架结构设计程序化，杆件与结点标准化，制作工厂化，施工拼装化。更好的提高了工程质量。

附图说明

图1是植杆式板结点铝合金桁架结构的整体结构实施图。

图2是结点板与斜腹杆、竖腹杆和弦杆连接的结构示意图。

图3是图2的A向视图。

图4是实施例1(仓库三角形桁架)的结构实示意图。

图5是实施例2(厂房24米跨梯形桁架)的结构实示意图。

图中部件序号和名称：1、结点板；2、螺栓或铆钉；3、斜腹杆；4、竖腹杆；5、弦杆

以下结合附图对本发明进一步描述：

从图1中看到，桁架所有杆件及结点均用铝合金材料制作，做成的桁架可以用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑。

从图2和图3中看到，铝合金材料结点板1上开有两道槽，供铝合金桁架的杆件植入。斜腹杆3、竖腹杆4和弦杆5用不锈钢或者铝合金螺栓2将杆件与结点板1紧固。桁架杆件断面大小及长度尺寸，板结点的厚度及不锈钢或者铝合金螺栓的直径等，均由专业设计人员进行桁架内力分析及结构设计决定。

从图3中看到，结点板1是一边厚一边薄的异形金属板，弦杆5用螺栓或铆钉2与异形金属结点板1厚的一边连接，薄的一边用螺栓或铆钉2与斜腹杆3、竖腹杆4连接。

以下是本发明的实施例：

实施例一：南方沿海某原料仓库三角形桁架，跨度24m，矢高2.8m(见图4)。

方案1：原设计为Q235B的钢管焊接桁架，每榀用钢量为713kg，按每吨5000元计，每榀桁架造价为3565元。

方案2：改用6系铝合金材料制造，植杆式板结点铝合金桁架，每榀用料269kg，按每吨22000元计，每榀造价5918元。

实施例二：某厂房24米跨梯形桁架，矢高2.80m(见图5)。

方案1：Q235B型钢焊接桁架，每榀用钢量为879kg，按每吨5000元计，每榀造价为4395元。

方案2：改用六系铝合金材料制造，植杆式板结点铝合金桁架，每榀用料300kg，按每吨22000元计，每榀造价6600元。

从以上实施例看出，铝合金桁架每榀造价虽然比钢桁架高，然而其每榀重量仅为钢桁架的30％左右。大大减轻了建筑物的自重，对支承桁架的柱子及基础节约材料，降低工程造价十分有利，同时也进一步提高了结构的抗震性能。

铝合金材料防腐性、耐久性是钢材等其它金属无法比拟的。有关部门做过检测，铝材每年因腐蚀而损失的厚度为0.5微米，经过100年的大气腐蚀后损失50微米，即0.05mm，是微不足道的。铝合金材料几乎终身不用维护，是长命百岁工程。上述实例，按每年造价计算钢桁架结构(按25年使用年限)平均每年造价175.8元，且每年还要投入一笔不小的维修保养费。而铝合金桁架结构(按60年使用年限)平均每年造价110元，不用再投入维护费用，综合经济效益也是十分明显的。

铝合金结构工程美观亮丽，大大提高了建筑物的品位，改善了人们居住与工作环境。

铝合金桁架的结点构造是解决铝合金桁架设计、制作、施工及推广应用的关键技术，本发明的目的就是要根据铝合金的材料质轻高强、外形美观、不易腐蚀及成型性好等特点及桁架结构的受力特点，创造一种充分发挥这两个特点的铝合金桁架结点，得到受力合理，结构可靠，便于设计、制作与施工的铝合金桁架体系，为土木工程领域推广应用铝合金结构创造条件。

Claims (5)

1.植杆式板结点铝合金桁架结构，包括结点板和与之连接的铝合金桁架腹杆和弦杆，其特征在于：结点板(1)上开有两道槽，其中一道槽供弦杆(5)植入并连接，称为弦杆槽；另一道槽供腹杆(3)、(4)植入并连接，称为腹杆槽；弦杆(5)通过螺栓或铆钉(2)与结点板(1)连接，腹杆(3)、(4)也通过螺栓或铆钉(2)与结点板(1)连接。

2.根据权利要求1所述的植杆式板结点铝合金桁架结构，其特征在于：所述的结点板(1)的两道槽弦杆槽与腹杆槽平行或者不平行，而汇交于该结点的杆件不论其方向角度如何都能够方便地植入相应槽内并加以固定，杆件与结点板紧固后，槽内空隙用填充料填满。

3.根据权利要求1所述的植杆式板结点铝合金桁架结构，其特征在于：所述的结点板(1)为均一厚度的金属板，或者是一边厚一边薄的异形金属板；所述的金属板是铝合金板、钢板、铁合金板、铜合金板或强度足够的非金属板。

4.根据权利要求1所述的植杆式板结点铝合金桁架结构，其特征在于：螺栓或铆钉是不锈钢螺栓或铆钉或铝合金螺栓或铆钉，腹杆和弦杆用若干根螺栓或铆钉与结点板固定。

5.根据权利要求1所述的植杆式板结点铝合金桁架结构，其特征在于：所述的植杆式板结点铝合金桁架结构直接由基础支承，或者用柱子或梁等其他构件支承，支承的构件是钢结构、钢筋混凝土结构、铝合金结构或其他混合结构。

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