CN105544733B - 用于支撑建筑物的结构框架系统和装配其的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明，即开孔腹板式剪切连接件组合梁结构，公开了一种用于支撑建筑物的结构框架系统和装配其的方法。所述系统可以包括多个竖直构件和基梁构件。所述基梁构件可以水平支撑在多个竖直构件之间，并且可包括连接到其上的开孔腹板式剪切连接件。所述框架系统还可以包括由所述基梁的两侧所支撑，并垂直横跨基梁的多个混凝土板构件。所述多个混凝土板构件可以成对装配。所述系统还可以包括浇注于所述开孔腹板式剪切连接件和混凝土板构件的水泥浆材料以填充装配件中的间隙从而提供一个整体框架系统。

Description

用于支撑建筑物的结构框架系统和装配其的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求申请号为No.14/526,009、标题为“开孔腹板式剪切连接件结构”、2014年10月28日提交的美国专利申请的权利，其通过全部引用结合于此，如同在下面做了充分阐述一样。
技术领域
本技术实施例涉及多层建筑物的建造，更特别地，涉及用于建造这类建筑的改进的结构框架系统和相关方法。该系统包括复合混凝土和钢组件，该结构体系由一条或多条钢梁加上一块或多块混凝土预制板组成，使整体形成一个可共同作用的组合结构以大幅度提高结构强度。
背景技术
在建造多层建筑物时，框架系统通常是支撑建筑物的承重结构。例如，商用建筑框架结构通常由立柱及架于立柱之间的横梁组成。每层楼板通常用混凝土楼板构成，并由横梁支撑。这种楼板可以是连接到框架梁或浇注在框架梁周围的钢筋混凝土楼板。框架结构通常承受所有楼面和屋顶纵向荷载，同时承受水平荷载，例如风荷载和地震荷载。楼板则将水平荷载传到横向受力结构系统，例如钢框架、支撑框架以及剪力墙系统，以满足结构设计规范的最低设计要求。
近年来，国家和国际建筑规范标准的修订案增加了对抗震设计标准的横向荷载要求，特别是对多层建筑物的建造要求。因此，未来的多层建筑结构的框架系统需要抵抗比现有相同结构更高的设计荷载。此外，由于对设计抗震荷载要求的提高以及降低建造成本的诉求，出现了多种新型结构体系以满足对现有结构承载能力要求，并且满足业主对经济和成本的诉求。建筑施工领域中的一个新发展是使用预制结构构件，例如预制混凝土楼板和墙板、钢结构和其他可在工厂中生产的预制构件。这些预制混凝土板构件广泛使用于现代建筑施工中。这些预制构件可以方便快捷地在现场架设及安装以大幅削减成本、现场工作和建筑工期。专利号为No.4505087，标题为“混凝土层板与加腋支撑梁的建造方法”的美国专利公布了一种混凝土楼板的建造方法，其通过将混凝土浇注在预制构件上方来形成整体结构。而这种由预制混凝土板构件建造的结构所需要解决的一个问题是结构整体性问题。专利号为No.4081935A，标题为“预制混凝土板构件在楼房结构系统中的应用”的美国专利公布了一种通过在预制混凝土楼板和梁上方浇注混凝土来改善这类结构的结构整体性的建造方法。然而，还有其它结构整体性问题没有解决。例如，在一些情况下，结构钢和预制混凝土板构件需要在建造建筑物时一起使用。当下，将这两种类型的材料结合的技术并不完善，因此，不可避免地会阻碍基于这些类型的材料的建造。
最近的一个美国专利(专利号No.6442908)提出一个改善方案，其中提出使用一种非对称横梁与立柱构成的框架结构。横梁由立柱支撑，立柱由基础支撑。非对称横梁包括一块狭窄且较厚的上翼缘、一块较宽较薄的下翼缘以及一块开有梯形孔的腹板。常规预制混凝土板的空心楼板垂直架立于非对称横梁之间。一对空心楼板对称地放置于横梁的下翼缘之上，并与腹板垂直，其端面与腹板平行。并将预制混凝土板的空心楼板的孔洞填满以形成一次灌注成型的劲性混凝土组合结构，这改善了钢梁和混凝土板之间所产生的共同作用和机械咬合作用，并减少了由于水泥浆从梁的任一侧分离而造成的强度损失。
同时，早期测试表明上述专利中的框架系统增加了结构承载力，测试还表明该框架系统的共同作用还有待提高。针对以上结果，本发明提出了一种开孔腹板式剪切连接件构成的组合梁体系，其体系结合了传统蜂窝梁和组合梁的一些优点。在这种结构中，预制梁可以与钢梁一起作用，并可以大幅提升梁的抗弯强度。开孔腹板式剪切连接件也可以与基梁一起共同作用，以进一步增强系统的抗弯强度。吊装预制混凝土板十分方便，并且剪切连接件不会对吊装过程造成阻碍。所述复合剪切连接件的开孔腹板能够使预制混凝土层板与钢梁结合以提供必需的共同作用。该系统可以加入钢筋以增强结构的抗剪强度、延展性性和韧性。结构延性的改善和增强能够大大提高结构的抗震性能。如果使用金属丝式预制混凝土板(precast concrete filigree panel)，这种改善还可以进一步的增强。
所述系统还可适用于多种不同跨度的结构。所述系统的结构承载能力可在大范围内变化使得结构可以满足但不局限于民用建筑、工业建筑和商业建筑要求。预制混凝土板的使用可以明显缩短施工工期。预制板的使用还可以最大限度的减少由于天气影响而造成的工期拖延。预制混凝土板可在工厂的可控生产条件下生产，然后运到工地施工。进而使工程进度不受不利于混凝土浇注，成型和养护的天气因素，诸如湿度、降水、温度等的影响。
发明内容
本发明实施例旨在提供一种用于多层建筑物的结构框架系统。所述框架系统可包括多跟竖直构件。所述系统还可以包括由多个竖直构件支撑的基梁构件，该基梁构件处于竖直构件之间，所述基梁构件连接到开孔腹板式剪切连接件。所述框架系统还可包括垂直横跨于基梁的两侧并且被所述基梁的两侧支撑的多个混凝土板构件。在一些实施例中，所述多个混凝土板构件可以成对安装于基梁构件两侧。在一些实施例中，所述框架系统还可以包括水泥浆材料，该水泥浆浇注于例如但不限于剪切连接件和混凝土板构件以填充装配件中的间隙(cavity)，并为框架系统增加强度。
本发明的一个要素涉及一种用于支撑建筑物的结构框架系统，所述系统可以包括多个竖直构件。所述竖直构件可以支撑基梁构件。可以以直线方式布置成对的混凝土板构件，其中成对的混凝土板构件垂直并对称的安装在基梁的腹板两侧并置于基梁翼缘之上。每一混凝土板构件都设计有孔洞或通道。开孔腹板式剪切连接件可以设置在基梁构件之上并位于成对的混凝土板构件之间。所述剪切连接件的孔洞或通道与所述混凝土板构件的孔洞或通道相对应。加强筋置于所述剪切连接件的孔洞内并可延伸至混凝土板构件的孔洞或通道中。所述剪切连接件和混凝土板构件之间可设计预留间隙(cavity)，粘合材料可填充在间隙(cavity)间。
本发明实施例还旨在提供一种建造结构框架系统的方法。所述方法可以包括架设多个立柱以来支撑多条装有开孔腹板式剪切连接件的横梁。所述方法还可以包括安装多个混凝土板构件并安装在所述开孔腹板式剪切连接件的两侧。在一些实施例中，所述多个混凝土板构件可以成对安装。另外，所述方法还可包括使用胶凝材料到板构件和开孔腹板式剪切连接件之间的间隙中，使两者借助机械咬合力连接成体。
本发明还涉及一种装配结构框架系统的方法。所述方法可以包括架设多个竖直构件。可将基梁构件固定在多个竖直构件上。可以以直线方式布置成对的混凝土板构件，其中成对的混凝土板构件垂直并对称的安装在基梁的腹板两侧并置于基梁翼缘之上。每一混凝土板构件都设计有孔洞或通道。开孔腹板式剪切连接件可以设置在基梁构件之上并位于成对的混凝土板构件之间。所述剪切连接件的孔洞或通道与所述混凝土板构件的孔洞或通道相对应。加强筋置于所述剪切连接件的孔洞内并可延伸至混凝土板构件的孔洞或通道中。所述剪切连接件和混凝土板构件之间可设计预留间隙(cavity)，粘合材料可填充在间隙(cavity)间。本发明所公开的方法还包括在所述间隙中填充粘合材料。
在结合附图阅读下面的说明书时本发明的这些和其他目的、特征以及优点将变得更明显。
附图说明
图1A和图1B是根据本发明一些实施例的不完整的组装结构框架系统的立体图；
图2A和图2B是根据本发明一些实施例的对应于图1A和图1B的组装结构框架系统的截面图；
图3是根据本发明一些实施例的组装结构框架系统的第二实施例的截面图；
图4是根据本发明一些实施例的组装结构框架系统的第三实施例的截面图；
图5是根据本发明一些实施例的组装结构框架系统的第四实施例的截面图；
图6是根据本发明一些实施例的组装结构框架系统的第五实施例的截面图；
图7是根据本发明一些实施例的组装结构框架系统的第六实施例的截面图；
图8是根据本发明一些实施例所采用的以连续切割模式来制造开孔腹板式剪切连接件的图示。
具体实施方式
图1A中展示了根据本发明一些实施例的典型的结构框架系统10A。框架系统10A可以包括与基梁14连接的竖直构件12。这个连接可以使用例如扣角连接件(有时也被称为网角钢夹板或网支架)16。网支架16可以使用例如螺栓连接、铆接或焊接连接到竖直构件12和基梁14上。这种连接可以为基梁14和所有的楼板荷载提供纵向支撑。这种连接还可以提供横向支撑来抵抗由风荷载或其他类似荷载所产生的楼层剪力。
基梁14可以是但不限于标准轧钢梁构件、板材或者焊接板梁。基梁14可以具有一个或多个槽。在一些实施例中，基梁14可以是圆孔蜂窝梁或者蜂窝梁。多种预制混凝土板构件18A可以设置在基梁14的翼缘20的顶部。基于上述应用，基梁14的翼缘20可以是多种形状和尺寸的。例如，在基梁14构件是平板钢材的情况下，平板钢材的上表面可以作为翼缘20。
预制混凝土板构件18A可以是传统的预应力混凝土板构件。当然，也可以考虑应用其它已知的在建造过程中应用的混凝土板构件。在一些实施例中，预制混凝土板构件18A可以有沟槽或通道22(也被称为空芯)以使得加强筋24、管线、管道以及其它构件能够穿过。在一些实施例中，两个预制混凝土板构件18A可以对称安装，各自孔洞一一对应以便将加强筋置放于预制混凝土板构件18A的孔洞或通道22之中。
在一些实施例中，在一些实施例中，开孔腹板式剪切连接件26可以应用于由基梁组成的结构体系中，以加强基梁的结构强度。在一些实施例中，开孔腹板式剪切连接件26可以根据图8将工字梁切割成两半而制成。在其它实施例中，开孔腹板式剪切连接件26可以使用其它适合的方法制造，包括使用板材、浇筑、数控加工(CNC machined)或本领域已知的其它方法制作。开孔腹板式剪切连接件26可以在节点28处连接到基梁14。节点28处，可以用多种方式将两种构件连接，包括但不限于焊接、铆接、螺栓连接或者其它已知的连接方式。
图1B示出了框架系统10B。类似于框架系统10A，框架系统10B可以包括与基梁14连接的竖直构件12。同样与系统10A相似，多块预制混凝土板构件18B可安装在基梁构件14的翼缘20上。预制混凝土板构件18B可以是通过加强筋31加固的预应力混凝土板。加强筋丝27可以置放在预制混凝土板构件18B的顶部，还可以使用横向加强筋29和纵向加强筋33排列。如图1A所示，加强筋24可以穿过开孔腹板式剪切连接件26的开口，加强筋24也可以在开孔腹板式剪切连接件26之上穿过。
当预制混凝土板构件18A或18B、加强筋24和开孔腹板式剪切连接件26安装在基梁14上，高强度的水泥浆或混凝土可以浇注到预制混凝土板构件18A或18B上。这种材料可以填充框架系统10A或10B中的通道22以及其它空隙，从而形成一个整体、复合的框架系统10A或10B。
如图1A和图1B所示，开孔腹板式剪切连接件26的长度超过预制混凝土板构件18A或18B的宽度。开孔腹板式剪切连接件26的长度可至少等于预制混凝土板构件18A或18B的宽度。
图2A展示了图1A所示的整体结构框架系统10A的截面图。在一些实施例中，现浇的混凝土，水硬水泥，或者水泥浆30可以填充到系统10A的空隙中，并可以将通道22中的加强筋24封住。在本公开的一些应用中，可以利用隔板32来防止预制混凝土板构件18A中的通道22被水泥浆30填充。这种方法使得在施工过程中减少混凝土的用量，从而节省施工时间、重量和材料成本。另一种方式则是可以填充整个通道22。
图2B示出了图1B所示整体结构框架系统10B的截面图。在一些实施例中，现浇混凝土，水硬水泥，或者水泥浆可以填充系统10B的空隙，并可以封住加强筋24、加强筋丝27、横向加强筋29和纵向加强筋33。所得到的结构可以是一整体混凝土板构件或者类似构件。加强筋24、加强筋丝27、横向加强筋29和/或纵向加强筋33加固了整体结构。
一旦灌注水泥浆30形成一个整体系统，可以灌注或设置混凝土后浇层34。混凝土后浇层34可用于提供平整表面以便于安装地板、地毯或者其它类型地板，或者可以将其抛光打磨以用作地板使用。在一些实施例中，混凝土后浇层34可以用作后浇层以及水泥浆30。混凝土后浇层34可以增加楼板系统的纵向和横向强度，并且改善建筑系统的结构的整体性。
图3示出了结构框架系统310的第二实施例的截面图。在一些实施例中，基梁构件314可以为钢板或类似构件。其它构造部分可以与系统10A相似，包括混凝土板构件318、通道322、加强筋324、混凝土填充物330、隔板332以及混凝土后浇层334。节点328可以与上面讨论的节点28相似，并用于将开孔腹板式剪切连接件326与钢板314连接。
图4展示了结构框架系统410的第三实施例的截面图。在一些实施例中，基梁构件414可以包括一个或多个槽钢(steel channel)，并可通过焊接或其他连接方式连接到剪切连接件426的任一侧。在这种配置中，其它构造部分可以与系统10A相似，包括混凝土板构件418、通道422、加强筋424、混凝土填充物430、隔板432以及混凝土后浇层434。节点428可以与之前讨论的节点28相似，并用于将剪切连接件426与梁构件414连接。
图5示出了结构框架系统510的第四实施例的截面图。在这个配置中，基梁构件514可以包括一个或多个槽钢，其通过螺栓536螺栓连接到开孔腹板式剪切连接件526的任一侧，或者通过铆接、焊接，以及其它可行的连接方式连接到开孔腹板式剪切连接件526的任一侧。其它构造部分可以与系统10A相似，包括混凝土板构件518、通道522、加强筋524、混凝土填充物530、隔板532以及混凝土后浇层534。
图6示出了结构框架系统610的第五实施例的截面图。在一些实施例中，基梁构件614可以包括一个或多个钢管，可通过焊接或其它方式连接到开孔腹板式剪切连接件626的任一侧。在这种配置中，其它构造部分可以与系统10A相似，包括混凝土板构件618、通道622、加强筋624、混凝土填充物630、隔板632以及混凝土后浇层634。节点628可以与之前讨论的节点28相似，用于将开孔腹板式剪切连接件626与钢管614连接。在不增加结构质量的前提下，基梁构件614可以用于提高结构刚度和抗扭强度(例如将上述系统应用在大跨楼盖中)。
类似地，图7示出了结构框架系统710的第六实施例的截面图。在一些实施例中，基梁构件714可以包括水平放置的槽钢，其可通过焊接或其它方式连接到开孔腹板式剪切连接件726的任一侧。在这种配置中，其它结构部分可以与系统10A相似，包括混凝土板构件718、通道722和混凝土填充物730。
图8示出了制造开孔腹板式剪切连接件826的典型切割图式。连接梁40可以是例如宽翼缘构件、工字构件、S构件，槽钢或其它形状的梁。在一些实施例中，连接梁40可以沿切割线42切割以形成两个开孔腹板式剪切连接件826。如果考虑切割线42被选择用来生产对称的开孔腹板式剪切连接件826，那么所得到的构件可以用于同一基梁构件中。此外，根据不同的荷载或设计要求，选择使用不同的切割线，从而生产出不对称的开孔腹板式剪切连接件826。在这种配置中，所形成的构件可以用于例如建造建筑物的不同部分或者用于不同建筑物的建造，从而减少材料浪费。
对于本领域技术人员来说在没有脱离本发明范围的情况下可以对本发明公开的结构框架系统做各种改进和变化是明显的。例如，上述描述的系统可以焊接，螺栓连接或铆接在一起。然而，本领域技术人员将会认识到存在其它适合的连接构件的方法。在在此公开的建筑系统的说明和实施方式的基础上，其他实施例对本领域技术人员会是显而易见的。意图是说明书和实施例仅为示例性的，本发明真正的范围由权利要求及其等同、后续的相关非临时专利申请表示。

Claims (35)

1.一种用于支撑建筑物的结构框架系统，包括：
多个竖直构件；
由多个竖直构件支撑的基梁构件，所述基梁构件包括顶翼缘、底翼缘和位于所述顶翼缘和底翼缘之间的至少一个竖壁，所述至少一个竖壁通过连接件固定到至少一个所述竖直构件；
成对的混凝土板构件，其以直线方式布置，所述成对的混凝土板构件设置在所述基梁构件上并且与所述基梁构件垂直，每个混凝土板构件都具有一定宽度，所述混凝土板构件被直接支承在所述基梁构件的所述顶翼缘上；
开孔腹板式剪切连接件，其设置在所述基梁构件上并且位于所述成对的混凝土板构件之间，所述开孔腹板式剪切连接件的长度至少等于所述混凝土板构件的宽度；以及，
填充在由所述开孔腹板式剪切连接件和所述混凝土板构件限定的间隙中的粘合材料。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述建筑物是多层建筑物。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基梁构件为钢梁。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基梁构件为焊接板梁或蜂窝梁。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基梁构件为圆形蜂窝梁。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基梁构件为至少一个槽钢。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述槽钢通过接合连接与所述开孔腹板式剪切连接件连接。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基梁构件为至少一个钢管。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述钢管通过接合连接与所述开孔腹板式剪切连接件连接。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述混凝土板构件中的至少一个包括预应力混凝土板构件。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开孔腹板式剪切连接件是将宽翼缘构件、工字型构件、S型构件或者槽钢形状的梁经过沿特定切割线切割形成的。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开孔腹板式剪切连接件能够使其与所述基梁构件共同作用。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开孔腹板式剪切连接件通过焊接、铆接或螺栓连接连接至所述基梁构件。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
放置在所述混凝土板构件顶部的加强筋丝。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述加强筋丝包括多个横向加强筋和多个纵向加强筋。
16.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
位于所述混凝土板构件的至少一个中的隔板。
17.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述粘合材料包括高强度水泥浆、混凝土或者水硬水泥。
18.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括设置在所述混凝土板构件之上的后浇层。
19.一种装配结构框架系统的方法，包括：
架设多个竖直构件；
将基梁构件固定至所述多个竖直构件上，所述基梁构件包括顶翼缘、底翼缘和位于所述顶翼缘和底翼缘之间的至少一个竖壁，所述至少一个竖壁通过连接件固定到至少一个所述竖直构件；
将成对的混凝土板构件以直线方式垂直安装于基梁构件上，每个混凝土板构件都具有一定宽度，所述混凝土板构件被直接支承在所述基梁构件的所述顶翼缘上；
在基梁构件之上且位于成对的混凝土板构件之间设置开孔腹板式剪切连接件，所述开孔腹板式剪切连接件的长度至少等于所述混凝土板构件的宽度；以及
在由所述开孔腹板式剪切连接件和所述混凝土板构件限定的间隙中填充粘合材料。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述基梁构件为钢梁。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述基梁构件为焊接板梁或蜂窝梁。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述基梁构件为圆形蜂窝梁。
23.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述基梁构件为至少一个槽钢。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括通过螺栓连接、铆接或焊接将所述槽钢与所述开孔腹板式剪切连接件连接。
25.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述基梁构件还包括至少一个钢管。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括通过焊接将所述钢管与所述开孔腹板式剪切连接件连接。
27.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述混凝土板构件中的至少一个包括预应力混凝土板构件。
28.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述开孔腹板式剪切连接件是将宽翼缘构件、工字型构件、S型构件或者槽钢形状的梁经过沿特定切割线切割形成的。
29.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述开孔腹板式剪切连接件能够使其与所述基梁构件共同作用。
30.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括通过焊接、铆接或螺栓连接将所述开孔腹板式剪切连接件与所述基梁构件连接。
31.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括在所述混凝土板构件的顶部置放加强筋丝。
32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述加强筋丝包括多个横向加强筋和多个纵向加强筋。
33.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括在所述混凝土板构件的至少一个中布置隔板。
34.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述粘合材料包括高强度水泥浆，混凝土或者水硬水泥。
35.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括在所述混凝土板构件之上设置后浇层。
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