CN108978871A - 一种大跨度屋盖结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大跨度屋盖结构，包括两根呈十字交叉布置的桁架、以及连接在各桁架的端部的立柱，桁架包括一根沿直线分布的T型梁、以及两根并排布置在T型梁上方的L型梁；两根L型梁之间垂直设置有多根上弦杆，各上弦杆的两端与T型梁之间分别设置有直腹杆，上弦杆与相应的两根直腹杆构成等腰三角结构；立柱包括三根沿直线分布的柱脚，各柱脚的顶部构成呈等边三角结构分布的顶面，各柱脚的底部构成呈等边三角结构分布的底面，底面的面积大于所述顶面的面积。本发明的大跨度屋盖结构，具有优良的承载能力和稳定性，且可同时实现大跨度，造型优美。
Description
技术领域
本发明属于建筑工程技术领域，具体涉及一种大跨度屋盖结构。
背景技术
随着科技的日益发展，房屋等建筑的形式和功能都起到了翻天覆地的变化。大跨结构成为了当今全世界发展最快的结构类型。大跨结构区别于传统结构的重要特征是其跨度很大，有的甚至达到几百米，这时为了满足要求，就需要结构有受力性能更好、更合理的空间体系。此外，大跨度建筑的经济合理，整体刚度大，外形优美等优点都得到了人们的青睐。
但同时由于过大的跨度，给大跨结构的承重能力带来了一定的影响，如何实现大跨结构跨度大并同时满足承重需求，成为了大跨结构发展的重要因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大跨度屋盖结构，具有优良的承载能力和稳定性，且可同时实现大跨度，造型优美。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种大跨度屋盖结构，包括两根呈十字交叉布置的桁架、以及连接在各桁架的端部的立柱，
所述桁架包括一根沿直线分布的T型梁、以及两根并排布置在T型梁上方的L型梁；
所述两根L型梁之间垂直设置有多根上弦杆，各上弦杆的两端与T型梁之间分别设置有直腹杆，所述上弦杆与相应的两根直腹杆构成等腰三角结构；
所述立柱包括三根沿直线分布的柱脚，各柱脚的顶部构成呈等边三角结构分布的顶面，各柱脚的底部构成呈等边三角结构分布的底面，所述底面的面积大于所述顶面的面积。
T型梁指该梁的截面为“T”型，T型梁的结构强度较高；L型梁指该梁的截面为“L”型，L型梁便于部件组装。
在桁架的结构中，选用等腰三角结构作为最小受力体系，端点两两相连，形成稳定的空间结构，受力均匀，方便加载，可有效提高整体结构的承载能力与稳定性。
不仅如此，桁架采用三部分受拉部件组成，可实现屋面结构的大跨度设计，且加上等腰三角结构的配合，既可避免L型梁出现中部失稳破坏的情况，又可将屋面荷载传递给T型梁，由强度最大的T型梁作为主受拉部件，从而提高整体结构的稳定性。
立柱采用等边三角结构，受力体系稳定，且立柱采用变截面形式，使得立柱传力明确，且刚度大。
进一步地，两根桁架的端部两两连接有至少四根侧拉索。
两两连接指在两根桁架的四个端部中，相邻的两个端部之间连接有侧拉索。
进一步地，所述L型梁为拱形结构。
拱形结构在增加设计优美度的同时，提高L型梁的结构刚度。
进一步地，位于同侧的直腹杆中，两根相邻的直腹杆的斜向相对的端部连接有斜腹杆，且位于同侧的斜腹杆首尾相连。
进一步地，所述立柱的三根柱脚之间连接有多个等边三角机构，所述等边三角机构包括三根水平杆，各水平杆首尾相连且分别连接在相邻的两根柱脚之间。
等边三角机构提高了三根梁之间的整体性，且等边三角机构的受力均匀，可将立柱所承受的力均匀地分配至各柱脚，避免柱脚出现应力集中现象，提高柱脚支撑的稳定性。
进一步地，相邻两个等边三角机构之间的距离由柱脚的顶部至柱脚的底部递减。
进一步地，所述相邻的两个等边三角机构之间连接有加强组件；
所述加强组件包括三根加强杆，各加强杆分别位于由相邻的两个等边三角机构构成的三个垂直面内，且各加强杆连接在同一垂直内面斜向相对的两个顶角之间。
进一步地，同一加强组件中的三根加强杆的倾斜方向相同。
进一步地，相邻的两组加强组件中的加强杆的倾斜方向相反。
本发明提供的大跨度屋盖结构选用等腰三角结构作为最小受力体系，端点两两相连，形成稳定的空间结构，受力均匀，方便加载，可有效提高整体结构的承载能力与稳定性。桁架采用三部分受拉部件组成，可实现屋面结构的大跨度设计，且采用等腰三角结构配合使用，既可避免L型梁出现中部失稳破坏的情况，又可将屋面荷载传递给T型梁，由强度最大的T型梁作为主受拉部件，从而提高整体结构的稳定性。立柱采用等边三角结构，受力体系稳定，且立柱采用变截面形式，使得立柱传力明确，且刚度大。
附图说明
图1为本发明的大跨度屋盖结构的结构示意图；
图2为本发明的L型梁和T型梁的结构示意图；
图3为本发明的桁架的局部结构示意图；
图4为本发明的上弦杆与直腹杆的连接示意图；
图5为本发明的立柱的等边三角结构的俯视图；
图6为本发明的立柱的结构示意图；
图7为本发明的等边三角机构和加强组件的连接示意图；
图8为实施例1中L型梁和T型梁的尺寸结构示意图。
图示中：
1、桁架；11、L型梁；12、T型梁；13、上弦杆；14、直腹杆；15、斜腹杆；2、立柱；21、顶面；22、底面；23、柱脚；24、等边三角机构；241、上水平杆；242、中水平杆；243、下水平杆；25、加强组件；251、上加强杆；252、下加强杆；3、侧拉索。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。
如图1所示，本实施例提供一种大跨度屋盖结构，包括两根呈十字交叉布置的桁架1、以及连接在各桁架1的端部的立柱2，且两根桁架1的端部两两连接有至少四根侧拉索3，侧拉索3的数量根据结构整体所需的承载力而定，本实施例中以四根侧拉索3为例，每根侧拉索3连接在两根桁架1的相邻的两个端部。
在其他实施例中，两根桁架1的相邻一端的所夹区域内可连接有多根侧拉索，各侧拉索的两端与两根桁架1分别连接。优选地，同一所夹区域内的多根侧拉索为平行设置，且不同所夹区域内的侧拉索的数量相等、连接位置相对应。即侧拉索的连接方式还可以是以本实施例中的四根侧拉索的连接为基础组，向两根桁架1交叉点靠近连接有多组长度小于基础组的侧拉索。
如图2所示，所述桁架1包括一根沿直线分布的T型梁12、以及两根并排布置在T型梁12上方的L型梁11，所述L型梁11为拱形结构，且两根L型梁11分布在T型梁12的左右两侧。
如图3、图4所示，所述两根L型梁11之间垂直设置有多根上弦杆13，各上弦杆13的两端与T型梁12之间分别设置有直腹杆14，需要说明的是，此处所指的直腹杆14并非限定直腹杆14为沿竖直方向延伸的杆件，而是指直腹杆14本身沿直线延伸，且直腹杆14的延伸方向和T型梁12的延伸方向相互垂直。
与同一根上弦杆13连接的两根直腹杆14的另一端分别连接在T型梁12的左右两侧，且上弦杆13与相应的两根直腹杆14构成等腰三角结构。
位于同侧的直腹杆14中，两根相邻的直腹杆14的斜向相对的端部连接有斜腹杆15，且位于同侧的斜腹杆15首尾相连。斜腹杆15在结构连接中与直腹杆14的侧边相抵，使得相应的各个杆件的连接汇聚于一点，明确力的传递途径。为了避免在杆件的连接部位出现应力集中现象，在杆件的切口、孔洞、沟槽等位置采用圆滑角进行过渡。
如图5所示，所述立柱2包括三根沿直线分布的柱脚23，各柱脚23的顶部构成呈等边三角结构分布的顶面21，各柱脚23的底部构成呈等边三角结构分布的底面22，所述底面22的面积大于所述顶面21的面积。
如图6、图7所示，所述立柱2的三根柱脚23之间连接有多个等边三角机构24，所述等边三角机构24包括三根水平杆，各水平杆首尾相连且分别连接在相邻的两根柱脚23之间。
为保证等边三角机构24对柱脚23的作用效果，相邻两个等边三角机构24之间的距离优选小于柱脚23长度的三分之一。且相邻两个等边三角机构24之间的距离由柱脚23的顶部至柱脚23的底部递减，以提高立柱2下部的结构强度，实现立柱2的稳定支撑。
所述相邻的两个等边三角机构24之间连接有加强组件25；所述加强组件25包括三根加强杆，各加强杆分别位于由相邻的两个等边三角机构24构成的三个垂直面内，且各加强杆连接在同一垂直内面斜向相对的两个顶角之间。
同一加强组件25中的三根加强杆的倾斜方向相同，相邻的两组加强组件中的加强杆的倾斜方向相反。结合图7所示，对加强杆与水平杆之间的连接关系进一步说明：图中的中水平杆242为同一部件，为方便表示，故将其进行拆分。如图7上部分所示，对于各上加强杆251而言，以上加强杆251与上水平杆241的连接点为第一参考点，上加强杆251相对于第一参考点向右倾斜，倾斜角度由上水平杆241与中水平杆242的两个相应端部确定；如图7下部分所示，对于各下加强杆252而言，以下加强杆252与中水平杆242的连接点为第二参考点，下加强杆252相对于第二参考点向左倾斜，倾斜角度由中水平杆242与下水平杆243的两个相应端部确定。
本实施例的大跨度屋盖结构具有较高的承载能力以及稳定性，适用于屋架结构的施工，也适用于屋架结构加载试验的模型搭建。
本技术方案，通过如下具体的加载试验对大跨度屋盖结构进行受力分析以及验证。
实施例1：加载试验
模型结构制作中，T型梁采用图8中左侧所示尺寸的“T”型竹杆进行制作；L型梁采用图8中右侧所示尺寸的“L”字型竹杆进行制作，图8中所示尺寸的单位为毫米，侧拉索采用截面尺寸为1mm*1mm的矩形竹杆进行制作；直腹杆、斜腹杆、柱脚采用截面尺寸为2mm*2mm的矩形竹杆进行制作；上弦杆、水平杆、加强杆采用截面尺寸为1mm*6mm的矩形竹杆进行制作，且竹杆采用密度为0.789g/cm3、顺纹抗拉强度为150MPa、抗压强度为65MPa、弹性模量为10GPa的集成竹杆。
除侧拉索外的各部件之间的连接采用502胶水进行粘接，为了消除剪力对侧拉索承载力的影响，侧拉索将直接胶水粘结改为竹纤维套索连接。
模型结构中，在部件节点的接缝处采用竹片粘贴，并且在部件的缺口、孔洞、沟槽等截面形状急剧变化的位置采用圆滑角进行过渡处理，较粗杆件端部进行打磨处理，使连接更加紧密可靠。
制作完成的模型结构中立柱的顶面为2*2厘米、底面5*5厘米，且模型的自重为115±5g。
对上述模型结构进行承载力计算：
轴心受压构件的承载能力，由规范可知，应按下列公式验算：
1、按稳定验算：
式中fc——木材顺纹抗压强度设计值(N/mm2)；
N——轴心受压构件压力设计值(N)；
An——受压构件的净截面面积(mm2)；
A0——受压构件截面的计算面积(mm2)，(无缺口时，取A0＝An)
——轴心受压构件稳定系数(经验算，结构内杆件均λ≤91)
当λ≤91时：
当λ>91时：
其中，λ为构件的长细比，则：
A＝bh；由此可得：
由上述推导可得：
2、按强度验算：
式中：ft——木材顺纹抗拉强度设计值(N/mm2)；
N——轴心受拉构件拉力设计值(N)；
An——受拉构件的净截面面积(mm2)，计算An时应扣除分布在150mm长度上的缺孔投影面积。
由上述公式可得：N≤ftAn。
受弯构件的抗剪承载能力，由规范可知，应按下式验算：
杆件抗剪验算：
式中：fv——木材顺纹抗剪强度设计值(N/mm2)；
V——受弯构件剪力设计值(N)，按规范第5.2.3条确定；
I——构件的全截面惯性矩(mm4)；
b——构件的截面宽度(mm)；
S——剪切面以上的截面面积对中性轴的面积矩(mm3)
由上述公式推导可得：
根据上述公式，结合结构模型的形式，以T型梁强度控制结构强度，对中部的下弦杆进行计算，其中，木条抗压强度按65MPa，抗拉强度按照150Mpa计算，承载能力估算为240N～480N。
在模型结构计算过程中，假定杆件为轴心受压，且模型对称，不考虑偏心现象，杆件计算时采用钢结构计算模式。并通过midas Gen软件建立计算模型，所得的内力和位移作为构件设计的依据。
模型计算最大拉应力为124.59Mpa，最大压应力51.52Mpa，分别小于竹条顺纹抗拉强度160Mpa和抗压强度65Mpa，且模型结构能承载最大40kg竖向荷载，且竖向最大挠度估算为3.66cm。故本实施例的大跨度屋盖结构具有优良的承载能力和稳定性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种大跨度屋盖结构，包括两根呈十字交叉布置的桁架、以及连接在各桁架的端部的立柱，其特征在于，
所述桁架包括一根沿直线分布的T型梁、以及两根并排布置在T型梁上方的L型梁；
所述两根L型梁之间垂直设置有多根上弦杆，各上弦杆的两端与T型梁之间分别设置有直腹杆，所述上弦杆与相应的两根直腹杆构成等腰三角结构；
所述立柱包括三根沿直线分布的柱脚，各柱脚的顶部构成呈等边三角结构分布的顶面，各柱脚的底部构成呈等边三角结构分布的底面，所述底面的面积大于所述顶面的面积。
2.如权利要求1所述的大跨度屋盖结构，其特征在于，两根桁架的端部两两连接有至少四根侧拉索。
3.如权利要求1所述的大跨度屋盖结构，其特征在于，所述L型梁为拱形结构。
4.如权利要求1所述的大跨度屋盖结构，其特征在于，位于同侧的直腹杆中，两根相邻的直腹杆的斜向相对的端部连接有斜腹杆，且位于同侧的斜腹杆首尾相连。
5.如权利要求1所述的大跨度屋盖结构，其特征在于，所述立柱的三根柱脚之间连接有多个等边三角机构，所述等边三角机构包括三根水平杆，各水平杆首尾相连且分别连接在相邻的两根柱脚之间。
6.如权利要求5所述的大跨度屋盖结构，其特征在于，相邻两个等边三角机构之间的距离由柱脚的顶部至柱脚的底部递减。
7.如权利要求5所述的大跨度屋盖结构，其特征在于，所述相邻的两个等边三角机构之间连接有加强组件；
所述加强组件包括三根加强杆，各加强杆分别位于由相邻的两个等边三角机构构成的三个垂直面内，且各加强杆连接在同一垂直内面斜向相对的两个顶角之间。
8.如权利要求7所述的大跨度屋盖结构，其特征在于，同一加强组件中的三根加强杆的倾斜方向相同。
9.如权利要求7所述的大跨度屋盖结构，其特征在于，相邻的两组加强组件中的加强杆的倾斜方向相反。
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