CN102071742A - 一种木结构矩形平板网架 - Google Patents

Abstract

一种木结构矩形平板网架。其包括多根上弦杆、多根下弦杆、多根斜腹杆、多个木杆连接件、多个螺栓球节点、若干个滑动铰支座和若干个固定铰支座；其中每根上弦杆、下弦杆和斜腹杆的两端分别安装有一个木杆连接件；带有木杆连接件的多根上弦杆、多根下弦杆和多根斜腹杆利用多个螺栓球节点连接成传统形状的矩形平板网架主体；若干个固定铰支座的上端相隔距离安装在网架主体的一侧上弦螺栓球节点；若干个滑动铰支座的上端相隔距离安装在网架主体的其余三侧上弦螺栓球节点。本发明提供的木结构矩形平板网架具有抗震性能好、便于施工、安全性高及绿色环保、经济性好等优点。

Description

一种木结构矩形平板网架

技术领域

本发明属于建筑结构技术领域，特别是涉及一种大跨度木结构矩形平板网架。

背景技术

随着大跨度空间结构的发展，网架结构得到了广泛应用，如机场航站楼、会展中心、收费站、大跨度煤棚等建筑，均出现了网架结构的应用实例。网架结构受力合理、刚度强、重量轻，能够充分发挥材料的拉压性能，减小弯矩和剪力对材料的不利影响，且造型多变，并可根据建筑使用要求调整网格尺寸，以满足不同的使用需要。目前这种结构的选材主要为钢材，其它材料用于网架结构的实例或研究尚未见报道。

木材是一种资源丰富的可再生材料，其主干天然形状接近圆形，经简单加工后就可能成为受力性能良好的材料，如能将其应用于网架结构，将会极大地拓宽木结构的应用领域并能推动绿色环保建筑发展。木材的成长周期短，具有较好的抗拉、压强度，是一种天然环保的绿色建材，在我国古代就已获得应用。但是，木材自然生长过程中形成的生理弯曲及横纹和竖纹的受力性能差异在一定程度上影响了其力学性能，从而限制了其使用范围。但随着科学技术的发展，现有设备已经能够保证简单加工后木杆件的外形准确度，然而未能推动木结构应用的进一步拓展。木结构常见的节点连接方式为绑扎、粘结、榫卯、螺栓连接、钉连接、齿连接等，如今较多地应用于景观建筑或经过粉碎加工后与其它材料混合后制成新型建筑板材，而直接使用木材作为大跨度空间结构的案例并不多见。随着低碳环保的绿色建筑理念深入人心，研究并拓宽木结构的应用领域，意义非常重大。

如何既能提高木结构连接节点的强度，以提高节点连接的可靠性，又能充分发挥木材顺纹抗拉压性能好的力学性能特点、便于精确分析计算，已成为推广木结构应用的关键问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种抗震性能好、便于施工、安全性高且绿色环保的木结构矩形平板网架。

为了达到上述目的，本发明提供的木结构矩形平板网架包括多根上弦杆、多根下弦杆、多根斜腹杆、多个木杆连接件、多个螺栓球节点、若干个滑动铰支座和若干个固定铰支座；其中每根上弦杆、下弦杆和斜腹杆的两端分别安装有一个木杆连接件；带有木杆连接件的多根上弦杆、多根下弦杆和多根斜腹杆利用多个螺栓球节点连接成传统形状的矩形平板网架主体；所述的木杆连接件包括钢套箍、端板、锥头和箍筋；其中钢套箍套装在上弦杆、下弦杆及斜腹杆的端部外圆周面上；端板安装在钢套箍的外端面上；锥头为空心圆台结构，其上底面中部形成有一个圆孔，下底面呈开口状，并且下底面边缘连接在端板的外端边缘上；箍筋缠绕在钢套箍的外圆周面上，用于将钢套箍和上弦杆、下弦杆或斜腹杆箍紧；每个螺栓球节点包括多个高强螺栓、多个封板、多个套筒、多个销钉和一个钢球；其中高强螺栓上的螺杆贯穿设置在锥头上的圆孔内，并且螺栓头位于锥头的内部，同时螺杆的中部外圆周面上沿径向形成有一个盲孔；封板安装在锥头的上底面外部，并且中心部位形成有一个螺杆孔；套筒套在高强螺栓上位于封板外侧的螺杆上，并且套筒的圆周面上贯穿形成有一个销钉孔；销钉的前端穿过套筒上的销钉孔后插入在高强螺栓上的盲孔内；钢球上形成有多个圆孔，用于插入多个高强螺栓上螺杆的前端；若干个固定铰支座的上端相隔距离安装在网架主体的一侧上弦螺栓球节点，下端固定在结构柱顶部；若干个滑动铰支座的上端相隔距离安装在网架主体的其余三侧上弦螺栓球节点，下端以可移动的方式设置在结构柱顶部。

所述的上弦杆、下弦杆和斜腹杆的两端外圆周面上沿其圆周方向相隔距离形成有多道凹槽，而钢套箍的内圆周面上沿其圆周方向突出形成有多圈能够分别嵌入在上述多道凹槽内的凸缘。

所述的钢球上圆孔的数量为5-8个。

本发明提供的木结构矩形平板网架具有如下优点1)抗震性能好：经通用有限元分析软件ANSYS计算后发现，大跨度空间木结构单根木构件受力和结构静、动力变形均能满足使用要求，且表现出较好的抗震性能。2)便于施工：由于木材密度小，杆件拼接由单个工人即可完成，因此能够降低工人的劳动强度和工作面上人员密度，利于提高施工质量和加快施工速度。3)安全性高：经计算后发现，地震作用下木结构矩形平板网架竖向位移小于同截面面积的钢结构网架，表明地震作用下木结构矩形平板网架对屋面材料的破坏较小，安全性高。4)绿色环保、经济性好：由于我国木材资源丰富，选材便利且绿色环保，木材价格低且属于可再生资源，因此使用木结构矩形平板网架的经济优势和环保优势都非常突出。

附图说明

图1为本发明提供的木结构矩形平板网架结构平面图。

图2为图1中A-A向剖视图。

图3为本发明提供的木结构矩形平板网架中连接在上弦杆、下弦杆或斜腹杆端部的木杆连接件结构示意图。

图4为本发明提供的木结构矩形平板网架中螺栓球节点部位结构示意图。

图5为本发明提供的木结构矩形平板网架与钢结构矩形平板网架自振频率曲线图。

图6为本发明提供的木结构矩形平板网架与钢结构矩形平板网架竖向位移曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的木结构矩形平板网架进行详细说明。

如图1-图4所示，本发明提供的木结构矩形平板网架包括多根上弦杆1、多根下弦杆2、多根斜腹杆3、多个木杆连接件4、多个螺栓球节点5、若干个滑动铰支座6和若干个固定铰支座7；其中每根上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3的两端分别安装有一个木杆连接件4；带有木杆连接件4的多根上弦杆1、多根下弦杆2和多根斜腹杆3利用多个螺栓球节点5连接成传统形状的矩形平板网架主体；所述的木杆连接件4包括钢套箍8、端板9、锥头10和箍筋11；其中钢套箍8套装在上弦杆1、下弦杆2及斜腹杆3的端部外圆周面上；端板9安装在钢套箍8的外端面上；锥头10为空心圆台结构，其上底面中部形成有一个圆孔12，下底面呈开口状，并且下底面边缘连接在端板9的外端边缘上；箍筋11缠绕在钢套箍8的外圆周面上，用于将钢套箍8和上弦杆1、下弦杆2或斜腹杆3箍紧；每个螺栓球节点5包括多个高强螺栓13、多个封板14、多个套筒15、多个销钉16和一个钢球17；其中高强螺栓13上的螺杆贯穿设置在锥头10上的圆孔12内，并且螺栓头位于锥头10的内部，同时螺杆的中部外圆周面上沿径向形成有一个盲孔；封板14安装在锥头10的上底面外部，并且中心部位形成有一个螺杆孔；套筒15套在高强螺栓13上位于封板14外侧的螺杆上，并且套筒15的圆周面上贯穿形成有一个销钉孔；销钉16的前端穿过套筒15上的销钉孔后插入在高强螺栓13上的盲孔内；钢球17上形成有多个圆孔，用于插入多个高强螺栓13上螺杆的前端；若干个固定铰支座7的上端相隔距离安装在网架主体的一侧上弦螺栓球节点，下端固定在结构柱顶部；若干个滑动铰支座6的上端相隔距离安装在网架主体的其余三侧上弦螺栓球节点，下端以可移动的方式设置在结构柱顶部。

所述的上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3的两端外圆周面上沿其圆周方向相隔距离形成有多道凹槽，而钢套箍8的内圆周面上沿其圆周方向突出形成有多圈能够分别嵌入在上述多道凹槽内的凸缘。

所述的钢球17上圆孔的数量为5-8个。

本发明提供的木结构矩形平板网架组装过程如下：首先将高强螺栓13上的螺杆从锥头10的内部贯穿过圆孔12，然后将钢套箍8安装在上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3的外端圆周面上，并使上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3上的凹槽与钢套箍8上的凸缘对齐并卡紧，之后将端板9焊接在钢套箍8的外端面上，然后将装有高强螺栓13的锥头10下底面边缘焊接在端板9的外端圆周上。之后将封板14上的螺杆孔贯穿高强螺栓13上的螺杆而放置在锥头10的上底面外部，然后在螺杆上套上套筒15，最后将螺杆的前端插入在钢球17上的一个圆孔内，并用销钉16贯穿套筒15上销钉孔及高强螺栓13上盲孔的方法而将上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3通过钢球17连接在一起，五个或八个不同空间角度的木杆连接件4连接于一个螺栓球节点5上，依次连成网架主体。再将若干个固定铰支座7和滑动铰支座6的上端分别相隔距离安装在网架主体的周边螺栓球节点，然后将上述固定铰支座7和滑动铰支座6的下端分别设置在结构柱顶部，由此形成木结构矩形平板网架。

为了分析本发明提供的木结构矩形平板网架的抗震性能，本申请人用有限元软件ANSYS比较了相同外观尺寸和截面面积的木结构和钢结构矩形平板网架的前8阶自振频率，以及其在水平地震EL-Centro(1940)波作用下8s内的竖向位移变化情况，结果见图5、图6。由图5可见，二者前三阶自振频率值较接近，说明木结构矩形平板网架和钢结构矩形平板网架动力特性接近。由图6可见，木结构矩形平板网架在地震作用下的位移变化幅值小于钢结构矩形平板网架，这是由结构自身重量轻而造成的，这就意味着地震作用下木结构矩形平板网架对屋面材料破坏较小。通过上述计算及分析可见，本发明提供的木结构矩形平板网架抗震性能好，安全可靠。

Claims (3)

1.一种木结构矩形平板网架，其特征在于：所述的木结构矩形平板网架包括多根上弦杆(1)、多根下弦杆(2)、多根斜腹杆(3)、多个木杆连接件(4)、多个螺栓球节点(5)、若干个滑动铰支座(6)和若干个固定铰支座(7)；其中每根上弦杆(1)、下弦杆(2)和斜腹杆(3)的两端分别安装有一个木杆连接件(4)；带有木杆连接件(4)的多根上弦杆(1)、多根下弦杆(2)和多根斜腹杆(3)利用多个螺栓球节点(5)连接成传统形状的矩形平板网架主体；所述的木杆连接件(4)包括钢套箍(8)、端板(9)、锥头(10)和箍筋(11)；其中钢套箍(8)套装在上弦杆(1)、下弦杆(2)及斜腹杆(3)的端部外圆周面上；端板(9)安装在钢套箍(8)的外端面上；锥头(10)为空心圆台结构，其上底面中部形成有一个圆孔(12)，下底面呈开口状，并且下底面边缘连接在端板(9)的外端边缘上；箍筋(11)缠绕在钢套箍(8)的外圆周面上，用于将钢套箍(8)和上弦杆(1)、下弦杆(2)或斜腹杆(3)箍紧；每个螺栓球节点(5)包括多个高强螺栓(13)、多个封板(14)、多个套筒(15)、多个销钉(16)和一个钢球(17)；其中高强螺栓(13)上的螺杆贯穿设置在锥头(10)上的圆孔(12)内，并且螺栓头位于锥头(10)的内部，同时螺杆的中部外圆周面上沿径向形成有一个盲孔；封板(14)安装在锥头(10)的上底面外部，并且中心部位形成有一个螺杆孔；套筒(15)套在高强螺栓(13)上位于封板(14)外侧的螺杆上，并且套筒(15)的圆周面上贯穿形成有一个销钉孔；销钉(16)的前端穿过套筒(15)上的销钉孔后插入在高强螺栓(13)上的盲孔内；钢球(17)上形成有多个圆孔，用于插入多个高强螺栓(13)上螺杆的前端；若干个固定铰支座(7)的上端相隔距离安装在网架主体的一侧上弦螺栓球节点，下端固定在结构柱顶部；若干个滑动铰支座(6)的上端相隔距离安装在网架主体的其余三侧上弦螺栓球节点，下端以可移动的方式设置结构柱顶部。

2.根据权利要求1所述的木结构矩形平板网架，其特征在于：所述的上弦杆(1)、下弦杆(2)和斜腹杆(3)的两端外圆周面上沿其圆周方向相隔距离形成有多道凹槽，而钢套箍(8)的内圆周面上沿其圆周方向突出形成有多圈能够分别嵌入在上述多道凹槽内的凸缘。

3.根据权利要求1所述的木结构矩形平板网架，其特征在于：所述的钢球(17)上圆孔的数量为5-8个。

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