CN112443043A - 一种内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构，包括竖向支撑悬挑桁架、悬挑屋面正交向小桁架、悬挑楼面大跨钢梁和过渡区钢框架；所述竖向支撑悬挑桁架位于多层通高大空间的两侧端部，由两榀延伸至过渡区的X形穿层悬挑桁架组成；所述悬挑屋面正交向小桁架位于大空间屋盖顶部，并正交于竖向支撑悬挑桁架布置，悬挑屋面正交向小桁架由多榀大跨度小桁架组成，悬挑屋面正交向小桁架与竖向支撑悬挑桁架共同构成中心支撑构架。本发明的有益效果是：本发明提供的内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构，其结构体系构造合理，可以实现高位大悬挑区域多层通高大空间建筑功能及造型的复杂钢结构体系设计及承载。

Description

一种内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构及 应用

技术领域

本发明属于结构工程技术领域，尤其涉及一种内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构。

背景技术

桁架结构体系是由弦杆、竖杆和斜腹杆组成的网格状梁式结构，主要作为大跨度、大悬挑等建筑功能及特殊造型的结构支撑构架，具有自重轻、刚度大、跨度大和悬挑大等优点，广泛应用于存在大跨度、大悬挑建筑功能及高位转换需求的大型复杂公共建筑中。

对于同时存在大悬挑和大跨度功能的建筑，结合悬挑桁架和大跨桁架的整体体系受力模式是一种合理有效的解决方案。当以大跨为主、悬挑为辅时，通过双向多层大桁架结构形式来实现；当以悬挑为主、大跨为辅时，通过在悬挑桁架区域内部设置大跨度小桁架形式来实现。桁架形式及桁架边界则通过适当处理以适用于复杂建筑边界造型及功能。

悬挑区域的多层通高大空间是一种典型的悬挑为主、大跨为辅的建筑功能空间，一般考虑两端多榀竖向支撑悬挑桁架作为竖向支撑核心构架。由于悬挑范围大，竖向承载重，对竖向支撑悬挑桁架的刚度、承载性能均提出了较高的要求，因而采用多层通高的竖向悬挑桁架形式是一种较为合理有效的解决方案。

多层通高大空间的屋顶大跨度由于重设备或覆土绿化等重荷载的作用，引入内嵌正交向屋顶小桁架结构进行承载；楼面大跨度则由于荷载相对较轻，引入预起拱设置的大跨度钢梁进行承载，并通过侧向支撑钢梁以提供面外稳定支撑。因而合理有效的正交向屋顶小桁架、大跨钢梁形式设计及布置方案是保证其承载性能和实施可行性的一个重要因素。

曲面边界造型可通过桁架悬挑段的设置结合幕墙网格式龙骨焊接来处理，屋顶坡度造型则通过桁架变高度调整上弦标高来实现。悬挑桁架根部落地支撑框柱受力较大，通过钢管砼柱或型钢砼柱来充分发挥混凝土的抗压性能。

此外，多层通高大空间悬挑桁架结构存在节点连接构造复杂、部件拼装复杂、结构受力性能复杂以及大跨度、大悬挑区域的抗震和舒适度处理等问题，合理有效的内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构体系形式设计及拼装方案也是保证其承载性能和正常使用的一个重要因素。

综上所述，研究一种内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构体系的形式及设计方法，以适用于高位大悬挑区域多层通高大空间建筑功能及造型的复杂钢结构体系及承载是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构，可以实现高位大悬挑区域多层通高大空间建筑功能及造型的复杂钢结构体系设计及承载。

这种内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构，包括竖向支撑悬挑桁架、悬挑屋面正交向小桁架、悬挑楼面大跨钢梁和过渡区钢框架；所述竖向支撑悬挑桁架位于多层通高大空间的两侧端部，由两榀延伸至过渡区的X形穿层悬挑桁架组成；所述悬挑屋面正交向小桁架位于大空间屋盖顶部，并正交于竖向支撑悬挑桁架布置，悬挑屋面正交向小桁架由多榀大跨度小桁架组成，悬挑屋面正交向小桁架与竖向支撑悬挑桁架共同构成中心支撑构架；所述悬挑楼面大跨钢梁位于大空间楼面底部，并正交于竖向支撑悬挑桁架布置，悬挑楼面大跨钢梁由多根大跨度钢梁组成，设置预起拱以保证挠度变形控制要求；所述过渡区钢框架位于竖向支撑悬挑桁架的过渡区一跨，用以实现竖向悬挑区至常规框架区的过渡转换。

作为优选：所述竖向支撑悬挑桁架包括以竖向支撑悬挑桁架的落地框柱为界的悬挑区桁架和过渡区桁架；悬挑区桁架主要由竖向支撑悬挑桁架的落地框柱、竖向支撑悬挑桁架的桁架竖柱、竖向支撑悬挑桁架的上弦悬挑梁、竖向支撑悬挑桁架的中弦悬挑梁、竖向支撑悬挑桁架的下弦悬挑梁和竖向支撑悬挑桁架的悬挑区斜支撑组成，竖向支撑悬挑桁架的落地框柱为通高贯通设置，竖向支撑悬挑桁架的桁架竖柱呈竖向连接竖向支撑悬挑桁架的上弦悬挑梁、竖向支撑悬挑桁架的中弦悬挑梁和竖向支撑悬挑桁架的下弦悬挑梁，竖向支撑悬挑桁架的悬挑区斜支撑呈X形连接在竖向支撑悬挑桁架的上弦悬挑梁、竖向支撑悬挑桁架的中弦悬挑梁和竖向支撑悬挑桁架的下弦悬挑梁之间；过渡区桁架主要由竖向支撑悬挑桁架的过渡区楼面弦杆梁、竖向支撑悬挑桁架的过渡区屋面斜坡弦杆梁和竖向支撑悬挑桁架的过渡区斜支撑组成，竖向支撑悬挑桁架的过渡区屋面斜坡弦杆梁位于竖向支撑悬挑桁架的过渡区楼面弦杆梁上方，竖向支撑悬挑桁架的过渡区屋面斜坡弦杆梁与竖向支撑悬挑桁架的过渡区楼面弦杆梁之间通过呈x形的竖向支撑悬挑桁架的过渡区斜支撑连接；悬挑区桁架部分位于大悬挑区域，悬挑区桁架的楼屋面荷载传递至落地框柱进行承载，并进而将竖向荷载转移至基础或地下结构；过渡区桁架的作用是提高悬挑桁架的承载性能，同时适当平衡落地框柱两侧的结构刚度差异。

作为优选：所述竖向支撑悬挑桁架为双层桁架结构，采用X形穿层交叉斜支撑形式，桁架斜支撑与桁架弦杆的夹角为30°-60°；此处双层仅为结构层概念，每个单层相当于多个楼层实际高度。

作为优选：悬挑桁架屋顶根据坡度为斜坡变标高形式，相应斜支撑结构形式不变，长度有所变化；竖向支撑悬挑桁架的落地框柱为通高贯通设置，竖向支撑悬挑桁架的上弦悬挑梁、竖向支撑悬挑桁架的中弦悬挑梁、竖向支撑悬挑桁架的下弦悬挑梁、竖向支撑悬挑桁架的过渡区楼面弦杆梁、竖向支撑悬挑桁架的过渡区屋面斜坡弦杆梁均为贯通形式，并连接在竖向支撑悬挑桁架的落地框柱上；竖向支撑悬挑桁架的落地框柱是竖向承载主体构件，采用钢管砼或型钢砼截面以充分发挥混凝土的抗压性能，截面尺寸为1000mm×1000mm；竖向支撑悬挑桁架的上弦悬挑梁、竖向支撑悬挑桁架的中弦悬挑梁、竖向支撑悬挑桁架的下弦悬挑梁、竖向支撑悬挑桁架的过渡区楼面弦杆梁、竖向支撑悬挑桁架的过渡区屋面斜坡弦杆梁是受弯承载主体构件，截面尺寸为300mm×800mm。

作为优选：所述悬挑屋面正交向小桁架位于悬挑区屋顶，正交于竖向支撑悬挑桁架且平行布置多榀，悬挑屋面正交向小桁架包括悬挑屋面正交向小桁架的中部大跨段和悬挑屋面正交小桁架的两端悬挑段；悬挑屋面正交向小桁架的中部大跨段主要由悬挑屋面正交向小桁架的上弦杆、悬挑屋面正交向小桁架的下弦杆、悬挑屋面正交向小桁架的斜腹杆和悬挑屋面正交向小桁架的两端交界处竖柱组成，悬挑屋面正交小桁架的两端悬挑段主要由悬挑屋面正交向小桁架的上弦杆、悬挑屋面正交向小桁架的下弦杆、悬挑屋面正交向小桁架的斜腹杆和悬挑屋面正交向小桁架的两端封边处竖柱组成，悬挑屋面正交向小桁架的斜腹杆采用V形斜腹杆形式，构成高度较小的梁式小桁架结构，以承载屋顶大跨度区域的重设备或覆土荷载等作用；悬挑屋面正交向小桁架的斜腹杆位于悬挑屋面正交向小桁架的上弦杆与悬挑屋面正交向小桁架的下弦杆之间，悬挑屋面正交向小桁架的两端交界处竖柱位于悬挑屋面正交向小桁架的中部大跨段与悬挑屋面正交小桁架的两端悬挑段交界处，悬挑屋面正交向小桁架的两端封边处竖柱位于悬挑屋面正交小桁架的两端悬挑段外端部。

作为优选：悬挑屋面正交小桁架的两端悬挑段设置悬挑屋面正交向小桁架的上弦侧向支撑钢梁和悬挑屋面正交向小桁架的下弦侧向支撑钢梁，以提供侧向稳定支撑；悬挑屋面正交向小桁架的中部大跨段仅设置上弦侧向支撑钢梁，以提供侧向稳定支撑；悬挑屋面正交向小桁架的上弦侧向支撑钢梁与悬挑屋面正交向小桁架的上弦杆连接，悬挑屋面正交向小桁架的下弦侧向支撑钢梁与悬挑屋面正交向小桁架的下弦杆连接；悬挑屋面正交小桁架两侧为悬挑桁架形式，两端悬挑长度为2m-4m，上弦侧向支撑钢梁和下弦侧向支撑钢梁采用H型截面，截面高度为300mm-400mm；竖向支撑悬挑桁架和悬挑屋面正交向小桁架共同组成中心支撑构架。

作为优选：悬挑屋面正交小桁架采用H型截面钢构件，桁架高度为1.5m-2.5m，桁架布置间距为2m-4m；小桁架采用整体吊装抬升、高空焊接拼装。

作为优选：所述悬挑楼面大跨钢梁位于悬挑区底部楼面，并正交于竖向支撑悬挑桁架且平行布置多根，悬挑楼面大跨钢梁包括悬挑楼面大跨钢梁的中部大跨段和悬挑楼面大跨钢梁的两端悬挑段；悬挑楼面大跨钢梁的中部大跨段设置预起拱以保证挠度变形控制要求，同时承载大空间室内建筑功能，大跨钢梁预起拱为跨度的1/1000-3/1000，以保证挠度控制要求；悬挑楼面大跨钢梁的两端悬挑段为悬挑钢梁形式，悬挑长度为2m-4m；钢梁采用H型截面型钢构件，钢梁高度为0.7m-1.0m，钢梁布置间距为2m-4m。

作为优选：所述悬挑楼面大跨钢梁设置悬挑楼面大跨钢梁的侧向支撑钢梁和悬挑楼面大跨钢梁的两端封边钢梁，采用H型截面型钢构件，以提供侧向面外稳定支撑；竖向支撑悬挑桁架的下弦悬挑梁位于悬挑楼面大跨钢梁上。

作为优选：悬挑区域楼面板采用钢筋桁架楼承板，方便施工并加快工期。

作为优选：所述过渡区钢框架位于竖向支撑悬挑桁架的过渡区一跨范围内，主要由过渡区局部落地框柱、过渡区次大跨框梁和过渡区普通框梁组成，过渡区次大跨框梁和过渡区普通框梁连接，过渡区局部落地框柱连接各层框梁；过渡区钢框架可为钢梁、钢柱形式以适应整体钢结构体系，也可为钢筋混凝土梁、型钢砼柱混合形式以适应从悬挑区钢结构至常规区钢筋混凝土结构的过渡转换；竖向支撑悬挑桁架的过渡区楼面弦杆梁和竖向支撑悬挑桁架的过渡区屋面斜坡弦杆梁位于过渡区框架上。过渡区框架屋顶结构根据建筑造型和功能需要可采用斜坡形式。

作为优选：竖向支撑悬挑桁架的落地框柱为型钢砼柱构件时，在其与竖向支撑悬挑桁架的弦杆悬挑梁连接处设置有型钢砼柱的箱型过渡转换接头，接头节点区域设置型钢砼柱转换区加劲板进行节点加强；竖向支撑悬挑桁架和悬挑屋面正交向小桁架的斜支撑节点，采用桁架节点加劲板进行加强，桁架节点加劲板的厚度不小于对应构件壁厚。

作为优选：竖向支撑悬挑桁架结构形式、边界定位以及屋顶坡面板的设置均可根据建筑造型要求、功能空间、悬挑和跨度、以及边界要求进行适当调整，并不会影响本发明内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构的各部件组成和拼装方式。

这种内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构的拼装方法，包括以下步骤：

S1、竖向支撑悬挑桁架的上弦悬挑梁、竖向支撑悬挑桁架的中弦悬挑梁、竖向支撑悬挑桁架的下弦悬挑梁、竖向支撑悬挑桁架的过渡区楼面弦杆梁和竖向支撑悬挑桁架的过渡区屋面斜坡弦杆梁构成弦杆部分，进而与竖向支撑悬挑桁架的悬挑区斜支撑、竖向支撑悬挑桁架的过渡区斜支撑、竖向支撑悬挑桁架的落地框柱和竖向支撑悬挑桁架的桁架竖柱共同组成单榀竖向支撑悬挑桁架基本单元；

S2、竖向支撑悬挑桁架的竖向荷载通过型钢砼柱的箱型过渡转换接头，转移至竖向支撑悬挑桁架的落地框柱进行承载，竖向支撑悬挑桁架节点处设置桁架节点加劲板和型钢砼柱转换区加劲板进行节点加强；

S3、悬挑区域多层通高大空间的屋顶设置多榀悬挑屋面正交向小桁架，由悬挑屋面正交向小桁架的上弦杆、悬挑屋面正交向小桁架的下弦杆和悬挑屋面正交向小桁架的斜腹杆组成，构成悬挑屋面正交向小桁架的中部大跨段和悬挑屋面正交小桁架的两端悬挑段；

S4、悬挑屋面正交向小桁架侧向设置悬挑屋面正交向小桁架的上弦侧向支撑钢梁和悬挑屋面正交向小桁架的下弦侧向支撑钢梁，以进行侧向稳定支撑，并通过悬挑屋面正交向小桁架的两端交界处竖柱和悬挑屋面正交向小桁架的两端封边处竖柱与竖向支撑悬挑桁架内嵌正交向连接，构成整体受力体系；

S5、悬挑区域多层通高大空间的楼面设置多根大跨钢梁，由悬挑楼面大跨钢梁的中部大跨段和悬挑楼面大跨钢梁的两端悬挑段构成；

S6、大跨钢梁侧向设置悬挑楼面大跨钢梁的侧向支撑钢梁和悬挑楼面大跨钢梁的两端封边钢梁，以进行侧向稳定支撑，并与竖向支撑悬挑桁架连接，构成整体受力体系；

S7、过渡区钢框架位于竖向支撑悬挑桁架的过渡区一跨范围内，由过渡区局部落地框柱、过渡区次大跨框梁和过渡区普通框梁所组成，以实现竖向悬挑区至常规框架区的过渡转换。

这种内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构在高位大悬挑区域多层通高大空间建筑功能及造型的复杂钢结构体系设计及承载中的应用，所述悬挑大空间为悬挑不小于10米、跨度不小于20米的大跨建筑功能空间。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构，其结构体系构造合理，可以实现高位大悬挑区域多层通高大空间建筑功能及造型的复杂钢结构体系设计及承载，充分发挥内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构体系的大悬挑、大跨度复杂造型及高承载、高刚度性能优点。

2、本发明的结构体系以竖向支撑悬挑桁架和悬挑屋面正交向小桁架结合为中心支撑构架，并通过楼面大跨钢梁实现大空间建筑功能而形成整体受力模式，可达到在控制承载性能和抗侧刚度的前提下，实现高位大悬挑区域多层通高大空间建筑功能及造型。

3、基于极限承载性能分析，本发明的结构便于通过整体刚度(变形值控制)、承载力(应力比控制)等指标控制，来进一步保障整体结构体系的合理有效。

4、本发明的结构体系的构件组成模块明确，传力清晰，整体体系悬挑大、跨度大、承载力高、造型独特，在高位大悬挑区域多层通高大空间建筑功能及造型的复杂钢结构体系中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1a-1e分别是本发明内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构实施例的整体结构示意图、竖向支撑悬挑桁架示意图、悬挑屋面正交向小桁架示意图、悬挑楼面大跨钢梁示意图、过渡区钢框架示意图。

图2是本发明大空间悬挑桁架结构实施例的俯视平面图，即图1a中A-A剖切示意图；

图3是本发明大空间悬挑桁架结构实施例的剖切正视图，即图1a中B-B剖切示意图；

图4是本发明大空间悬挑桁架结构实施例的剖切左视图，即图1a中C-C剖切示意图；

图5a、5b分别是图2中单榀竖向支撑悬挑桁架的D-D、E-E剖切示意图；

图6a、6b分别是图2中单榀正交向小桁架及大跨钢梁的F-F、G-G剖切示意图；

图7a是图1b中竖向支撑悬挑桁架或图1中正交向小桁架的交叉支撑节点构造一示意图；

图7b是图1b中竖向支撑悬挑桁架或图1中正交向小桁架的交叉支撑节点构造二示意图；

图8是图1b中型钢砼竖向支撑柱的楼层转换连接节点构造示意图；

图9是大空间悬挑桁架结构实施例的部件拼装流程图。

附图标记说明：1.竖向支撑悬挑桁架的落地框柱；2.竖向支撑悬挑桁架的桁架竖柱；3.竖向支撑悬挑桁架的上弦悬挑梁；4.竖向支撑悬挑桁架的中弦悬挑梁；5.竖向支撑悬挑桁架的下弦悬挑梁；6.竖向支撑悬挑桁架的过渡区楼面弦杆梁；7.竖向支撑悬挑桁架的过渡区屋面斜坡弦杆梁；8.竖向支撑悬挑桁架的悬挑区斜支撑；9.竖向支撑悬挑桁架的过渡区斜支撑；10.悬挑屋面正交向小桁架的上弦杆；11.悬挑屋面正交向小桁架的下弦杆；12.悬挑屋面正交向小桁架的斜腹杆；13.悬挑屋面正交向小桁架的两端交界处竖柱；14.悬挑屋面正交向小桁架的两端封边处竖柱；15.悬挑屋面正交向小桁架的中部大跨段；16.悬挑屋面正交小桁架的两端悬挑段；17.悬挑屋面正交向小桁架的上弦侧向支撑钢梁；18.悬挑屋面正交向小桁架的下弦侧向支撑钢梁；19.悬挑楼面大跨钢梁的中部大跨段；20.悬挑楼面大跨钢梁的两端悬挑段；21.悬挑楼面大跨钢梁的侧向支撑钢梁；22.悬挑楼面大跨钢梁的两端封边钢梁；23.过渡区局部落地框柱；24.过渡区次大跨框梁；25.过渡区普通框梁；26.型钢砼柱的箱型过渡转换接头；27.桁架节点加劲板；28.型钢砼柱转换区加劲板。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

本发明内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构体系构件组成模块明确，传力清晰，有效符合整体受力及承载模式的设计原则，充分发挥整体结构体系的较大刚度和承载性能，基于竖向支撑悬挑桁架和悬挑屋面正交向小桁架结合的中心支撑构架，并通过楼面大跨钢梁实现大空间建筑功能的结构体系构成方案，实现高位大悬挑区域多层通高大空间建筑功能及造型。

本发明的设计思路基于竖向支撑悬挑桁架和悬挑屋面正交向小桁架结合的中心支撑构架，并通过楼面大跨钢梁实现大空间建筑功能的多层通高大空间悬挑桁架整体受力模式：首先，以竖向支撑悬挑桁架为竖向抗侧力支撑核心，结合位于高位悬挑区域屋顶的大空间悬挑屋面正交向小桁架，构成具有大跨度、大悬挑和较大整体刚度的中心支撑构架；其次，通过悬挑楼面大跨钢梁实现大空间室内建筑功能；然后，设置过渡区钢框架，实现竖向悬挑大空间至常规框架区的过渡转换；最后，通过极限承载性能分析，并控制体系变形、构件应力等，保障结构体系的整体受力承载性能。

实施例一

如图1a-1e以及图2-图4所示，所述的内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构包括竖向支撑悬挑桁架、悬挑屋面正交向小桁架、悬挑楼面大跨钢梁、过渡区钢框架。所述竖向支撑悬挑桁架(图1b)位于多层通高大空间的两侧端部，由两榀延伸至过渡区的“X形”穿层斜撑构成的悬挑桁架组成，为竖向支撑和抗侧力核心构架；所述悬挑屋面正交向小桁架(图1c)位于大空间的屋盖顶部，正交于竖向支撑悬挑桁架并间隔一定距离排列布置，由多榀大跨度小桁架所组成，与竖向支撑悬挑桁架共同构成中心支撑构架；所述悬挑楼面大跨钢梁(图1d)位于大空间区域的楼面底部，正交于竖向支撑悬挑桁架并间隔一定距离排列布置，由多根大跨度钢梁所组成，并通过设置预起拱以保证钢梁挠度变形的控制限值要求；所述过渡区钢框架(图1e)位于竖向支撑悬挑桁架的过渡区一跨区域，由局部落地支撑框柱、次大跨框梁和普通框梁所组成，用以实现竖向悬挑区至常规框架区的框架过渡转换。

如图1b、图5a-图5b所示，所述竖向支撑悬挑桁架包括悬挑区桁架和过渡区桁架两部分，由竖向支撑悬挑桁架的落地框柱、桁架竖柱、桁架弦杆(3-7)和桁架斜支撑(8、9)构件所组成。悬挑区桁架部分位于大悬挑区域，悬挑楼屋面荷载通过悬挑区根部的落地框柱进行支撑承载，并进而将竖向荷载转移至基础或地下结构；过渡区桁架部分的设置是为了提高悬挑桁架的承载性能，同时适当平衡落地框柱两侧的结构刚度差异。

如图1b、图5-图5b所示，桁架弦杆(3-7)包括竖向支撑悬挑桁架的上弦悬挑梁3、竖向支撑悬挑桁架的中弦悬挑梁4、竖向支撑悬挑桁架的下弦悬挑梁5和竖向支撑悬挑桁架的过渡区楼面弦杆梁6、竖向支撑悬挑桁架的过渡区屋面斜坡弦杆梁7，桁架斜支撑(8、9)由竖向支撑悬挑桁架的悬挑区斜支撑8、竖向支撑悬挑桁架的过渡区斜支撑9组成X形斜支撑的桁架结构形式。

如图1b、图5-图5b所示，竖向支撑悬挑桁架为双层桁架结构，采用X形的穿层交叉斜支撑形式，桁架斜支撑(8、9)与桁架弦杆(3-7)的夹角为30°-60°；此处双层仅为结构层概念，实际单层可相当于多个楼层高度。本实施例中悬挑区、过渡区分别设置了2个、1个X形的穿层斜支撑桁架结构形式。

如图3-图4、图5a-图5b所示，竖向支撑悬挑桁架的屋顶可根据坡度需要设置为斜坡变标高形式，相应桁架斜支撑(8、9)结构形式不变，长度有所变化。竖向支撑悬挑桁架的落地框柱1、弦杆(3-7)均采用贯通形式，其中相交处为框柱贯通。为加强竖向支撑悬挑桁架的落地框柱1的抗侧刚度且便于与地下结构的转换，落地框柱可采用型钢混凝土柱构件进行加强。

如图1b、图5a-图5b所示，竖向支撑悬挑桁架的落地框柱1是竖向受力主体构件，一般按钢管混凝土截面或型钢砼柱构件考虑，截面尺寸为1000mm×1000mm；桁架弦杆(3-7)是受弯承载主体构件，截面尺寸为300mm×800mm；为便于焊接连接和刚度保证，斜支撑(8-9)也采用箱型构件，截面尺寸为300mm×600mm。

如图1c、图6a-图6b所示，所述悬挑屋面正交向小桁架位于悬挑区屋顶，正交于竖向支撑悬挑桁架且间隔一定距离近似平行布置，包括悬挑屋面正交向小桁架的中部大跨段15、悬挑屋面正交小桁架的两端悬挑段16；单榀悬挑屋面正交向小桁架由正交向小桁架的上弦杆、下弦杆、斜腹杆12、交界处竖杆和两端封边竖柱组成，斜腹杆采用V形斜杆支撑形式，构成高度较小的梁式构件受力的小桁架结构，以承载屋顶大跨度区域的重设备或覆土荷载等作用。

如图1c、图2、图6a-图6b所示，悬挑屋面正交小桁架的两端悬挑段16的边界处及其与竖向支撑悬挑桁架相交处分别设置悬挑屋面正交向小桁架的上弦侧向支撑钢梁17、悬挑屋面正交向小桁架的下弦侧向支撑钢梁18，以提供侧向稳定支撑；悬挑屋面正交向小桁架的中部大跨段15区域则仅设置上弦侧向支撑钢梁17即可；正交向小桁架两侧为悬挑桁架形式，悬挑长度为2m--4m。

如图1c、图6a-图6b所示，悬挑屋面正交向小桁架采用H型截面钢构件，桁架高度为1.5m-2.5m，桁架布置间距为2m-4m，桁架弦杆截面高度为300mm-400mm；小桁架采用整体吊装抬升、高空焊接拼装。

如图1-图4所示，所述竖向支撑悬挑桁架和所述悬挑屋面正交向小桁架共同组成中心支撑构架。

如图1a、图1d、图6a-图6b所示，所述悬挑楼面大跨钢梁位于悬挑区底部楼面，正交于竖向支撑悬挑桁架且间隔一定距离近似平行布置，包括悬挑楼面大跨钢梁的中部大跨段19、悬挑楼面大跨钢梁的两端悬挑段20。大跨钢梁设置预起拱以保证挠度变形控制要求，同时承载大空间室内建筑功能；大跨钢梁两端为悬挑钢梁形式，悬挑长度为2m-4m。

如图1a、图1d所示，悬挑楼面大跨钢梁设置悬挑楼面大跨钢梁的侧向支撑钢梁21、悬挑楼面大跨钢梁的两端封边钢梁22，采用H型截面型钢构件，以提供侧向面外稳定支撑。

如图1a、图1d所示，悬挑楼面大跨钢梁采用H型截面型钢构件，钢梁高度为0.7m-1.0m，钢梁布置间距为2m-4m，悬挑楼面大跨钢梁的中部大跨段19的预起拱根据跨度距离确定，为大跨度距离的1/1000-3/1000。

如图1a所示，悬挑区域楼面板采用钢筋桁架楼承板，方便施工并加快工期。

如图1a、图1e所示，所述过渡区钢框架位于竖向支撑悬挑桁架的过渡区一跨范围内，由过渡区局部落地框柱23、过渡区次大跨框梁24、过渡区普通框梁25所组成，以实现竖向悬挑区至常规框架区的过渡转换。过渡区域框架屋顶结构根据建筑造型和功能需要可采用斜坡形式。

如图1a、图1e所示，过渡区钢框架可为钢梁、钢柱形式，以适应整体为钢结构的体系；也可为钢筋混凝土梁、型钢砼柱混合形式，以适应从悬挑区域的钢结构至常规区域的钢筋混凝土结构的过渡转换。

如图1a、图8所示，竖向支撑悬挑桁架的落地框柱1为型钢砼柱构件时，在其与竖向支撑悬挑桁架的弦杆悬挑梁连接处，设置型钢砼柱的箱型过渡转换接头26，接头节点区域壁厚加厚并设置型钢砼柱转换区加劲板28进行节点加强。

如图1a、图7a-图7b所示，竖向支撑悬挑桁架、正交向小桁架的斜支撑节点，采用桁架节点加劲板27进行加强，桁架节点加劲板27的厚度不小于对应构件壁厚。

竖向支撑悬挑桁架结构形式、边界定位以及屋顶坡面板的设置均可根据建筑造型要求、功能空间、悬挑和跨度、以及边界要求进行适当调整，并不会影响本发明内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构的各部件组成和拼装方式。

实施例二

如图9所示，所述内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构的具体部件拼装流程如下：

(1)竖向支撑悬挑桁架的上弦悬挑梁3、竖向支撑悬挑桁架的中弦悬挑梁4、竖向支撑悬挑桁架的下弦悬挑梁5、竖向支撑悬挑桁架的过渡区楼面弦杆梁6和竖向支撑悬挑桁架的过渡区屋面斜坡弦杆梁7构成弦杆部分，进而与竖向支撑悬挑桁架的悬挑区斜支撑8、竖向支撑悬挑桁架的过渡区斜支撑9、竖向支撑悬挑桁架的落地框柱1和竖向支撑悬挑桁架的桁架竖柱2共同组成单榀竖向支撑悬挑桁架基本单元；

(2)竖向支撑悬挑桁架的竖向荷载通过型钢砼柱的箱型过渡转换接头26，转移至竖向支撑悬挑桁架的落地框柱1进行承载，竖向支撑悬挑桁架节点处设置桁架节点加劲板27和型钢砼柱转换区加劲板28进行节点加强；

(3)悬挑区域多层通高大空间的屋顶设置多榀悬挑屋面正交向小桁架，由悬挑屋面正交向小桁架的上弦杆10、悬挑屋面正交向小桁架的下弦杆11和悬挑屋面正交向小桁架的斜腹杆12组成，构成悬挑屋面正交向小桁架的中部大跨段15和悬挑屋面正交小桁架的两端悬挑段16；

(4)悬挑屋面正交向小桁架侧向设置悬挑屋面正交向小桁架的上弦侧向支撑钢梁17和悬挑屋面正交向小桁架的下弦侧向支撑钢梁18，以进行侧向稳定支撑，并通过悬挑屋面正交向小桁架的两端交界处竖柱13和悬挑屋面正交向小桁架的两端封边处竖柱14与竖向支撑悬挑桁架内嵌正交向连接，构成整体受力体系；

(5)悬挑区域多层通高大空间的楼面设置多根大跨钢梁，由悬挑楼面大跨钢梁的中部大跨段19和悬挑楼面大跨钢梁的两端悬挑段20构成；

(6)大跨钢梁侧向设置悬挑楼面大跨钢梁的侧向支撑钢梁21和悬挑楼面大跨钢梁的两端封边钢梁22，以进行侧向稳定支撑，并与竖向支撑悬挑桁架连接，构成整体受力体系；

(7)过渡区钢框架位于竖向支撑悬挑桁架的过渡区一跨范围内，由过渡区局部落地框柱23、过渡区次大跨框梁24和过渡区普通框梁25所组成，以实现竖向悬挑区至常规框架区的过渡转换。

实施例三

本专利还提供一种内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构在高位大悬挑区域多层通高大空间建筑功能及造型的复杂钢结构体系设计及承载中的应用，所述悬挑大空间为悬挑不小于10米、跨度不小于20米的大跨建筑功能空间。

相比于现有技术的不足，本发明提供的一种内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构基于竖向支撑悬挑桁架和悬挑屋面正交向小桁架结合的中心支撑构架，通过悬挑楼面大跨钢梁实现大空间建筑功能，通过过渡区钢框架实现竖向悬挑大空间区至常规框架区的过渡转换，构成整体受力模式，可实现高位大悬挑区域多层通高大空间建筑功能及造型。该结构体系构件组成模块明确，构造合理，传力清晰，有效符合整体受力及承载模式的设计原则，可实现高位大悬挑区域多层通高大空间建筑功能及造型的复杂钢结构体系设计及承载。基于极限承载性能分析，通过变形刚度、应力比承载等整体性能控制，可进一步保障本发明内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构的大悬挑、大跨度复杂造型及高承载、高刚度性能优点。

Claims (10)

1.一种内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构，其特征在于：包括竖向支撑悬挑桁架、悬挑屋面正交向小桁架、悬挑楼面大跨钢梁和过渡区钢框架；所述竖向支撑悬挑桁架位于多层通高大空间的两侧端部，由两榀延伸至过渡区的X形穿层悬挑桁架组成；所述悬挑屋面正交向小桁架位于大空间屋盖顶部，并正交于竖向支撑悬挑桁架布置，悬挑屋面正交向小桁架由多榀大跨度小桁架组成，悬挑屋面正交向小桁架与竖向支撑悬挑桁架共同构成中心支撑构架；所述悬挑楼面大跨钢梁位于大空间楼面底部，并正交于竖向支撑悬挑桁架布置，悬挑楼面大跨钢梁由多根大跨度钢梁组成；所述过渡区钢框架位于竖向支撑悬挑桁架的过渡区一跨。

2.根据权利要求1所述的内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构，其特征在于：所述竖向支撑悬挑桁架包括以竖向支撑悬挑桁架的落地框柱(1)为界的悬挑区桁架和过渡区桁架；悬挑区桁架主要由竖向支撑悬挑桁架的落地框柱(1)、竖向支撑悬挑桁架的桁架竖柱(2)、竖向支撑悬挑桁架的上弦悬挑梁(3)、竖向支撑悬挑桁架的中弦悬挑梁(4)、竖向支撑悬挑桁架的下弦悬挑梁(5)和竖向支撑悬挑桁架的悬挑区斜支撑(8)组成，竖向支撑悬挑桁架的落地框柱(1)为通高贯通设置，竖向支撑悬挑桁架的桁架竖柱(2)呈竖向连接竖向支撑悬挑桁架的上弦悬挑梁(3)、竖向支撑悬挑桁架的中弦悬挑梁(4)和竖向支撑悬挑桁架的下弦悬挑梁(5)，竖向支撑悬挑桁架的悬挑区斜支撑(8)呈X形连接在竖向支撑悬挑桁架的上弦悬挑梁(3)、竖向支撑悬挑桁架的中弦悬挑梁(4)和竖向支撑悬挑桁架的下弦悬挑梁(5)之间；过渡区桁架主要由竖向支撑悬挑桁架的过渡区楼面弦杆梁(6)、竖向支撑悬挑桁架的过渡区屋面斜坡弦杆梁(7)和竖向支撑悬挑桁架的过渡区斜支撑(9)组成，竖向支撑悬挑桁架的过渡区屋面斜坡弦杆梁(7)位于竖向支撑悬挑桁架的过渡区楼面弦杆梁(6)上方，竖向支撑悬挑桁架的过渡区屋面斜坡弦杆梁(7)与竖向支撑悬挑桁架的过渡区楼面弦杆梁(6)之间通过呈x形的竖向支撑悬挑桁架的过渡区斜支撑(9)连接。

3.根据权利要求2所述的内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构，其特征在于：所述竖向支撑悬挑桁架为双层桁架结构，采用X形穿层交叉斜支撑形式，桁架斜支撑与桁架弦杆的夹角为30°-60°；竖向支撑悬挑桁架的落地框柱(1)为通高贯通设置，竖向支撑悬挑桁架的上弦悬挑梁(3)、竖向支撑悬挑桁架的中弦悬挑梁(4)、竖向支撑悬挑桁架的下弦悬挑梁(5)、竖向支撑悬挑桁架的过渡区楼面弦杆梁(6)和竖向支撑悬挑桁架的过渡区屋面斜坡弦杆梁(7)均为贯通形式，并连接在竖向支撑悬挑桁架的落地框柱(1)上；竖向支撑悬挑桁架的落地框柱(1)是竖向承载主体构件，采用钢管砼或型钢砼截面；竖向支撑悬挑桁架的上弦悬挑梁(3)、竖向支撑悬挑桁架的中弦悬挑梁(4)、竖向支撑悬挑桁架的下弦悬挑梁(5)、竖向支撑悬挑桁架的过渡区楼面弦杆梁(6)和竖向支撑悬挑桁架的过渡区屋面斜坡弦杆梁(7)是受弯承载主体构件。

4.根据权利要求1所述的内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构，其特征在于：所述悬挑屋面正交向小桁架位于悬挑区屋顶，正交于竖向支撑悬挑桁架且平行布置多榀，悬挑屋面正交向小桁架包括悬挑屋面正交向小桁架的中部大跨段(15)和悬挑屋面正交小桁架的两端悬挑段(16)；悬挑屋面正交向小桁架的中部大跨段(15)主要由悬挑屋面正交向小桁架的上弦杆(10)、悬挑屋面正交向小桁架的下弦杆(11)、悬挑屋面正交向小桁架的斜腹杆(12)和悬挑屋面正交向小桁架的两端交界处竖柱(13)组成，悬挑屋面正交小桁架的两端悬挑段(16)主要由悬挑屋面正交向小桁架的上弦杆(10)、悬挑屋面正交向小桁架的下弦杆(11)、悬挑屋面正交向小桁架的斜腹杆(12)和悬挑屋面正交向小桁架的两端封边处竖柱(14)组成，其中悬挑屋面正交向小桁架的斜腹杆(12)采用V形斜腹杆形式，悬挑屋面正交向小桁架的斜腹杆(12)位于悬挑屋面正交向小桁架的上弦杆(10)与悬挑屋面正交向小桁架的下弦杆(11)之间，悬挑屋面正交向小桁架的两端交界处竖柱(13)位于悬挑屋面正交向小桁架的中部大跨段(15)与悬挑屋面正交小桁架的两端悬挑段(16)交界处，悬挑屋面正交向小桁架的两端封边处竖柱(14)位于悬挑屋面正交小桁架的两端悬挑段(16)外端部。

5.根据权利要求4所述的内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构，其特征在于：悬挑屋面正交小桁架的两端悬挑段(16)设置悬挑屋面正交向小桁架的上弦侧向支撑钢梁(17)和悬挑屋面正交向小桁架的下弦侧向支撑钢梁(18)；悬挑屋面正交向小桁架的中部大跨段(15)设置上弦侧向支撑钢梁(17)；悬挑屋面正交向小桁架的上弦侧向支撑钢梁(17)与悬挑屋面正交向小桁架的上弦杆(10)连接，悬挑屋面正交向小桁架的下弦侧向支撑钢梁(18)与悬挑屋面正交向小桁架的下弦杆(11)连接；悬挑屋面正交小桁架两侧为悬挑桁架形式，两端悬挑长度为2m-4m，上弦侧向支撑钢梁和下弦侧向支撑钢梁采用H型截面，截面高度为300mm-400mm。

6.根据权利要求1所述的内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构，其特征在于：所述悬挑楼面大跨钢梁位于悬挑区底部楼面，并正交于竖向支撑悬挑桁架且平行布置多根，悬挑楼面大跨钢梁包括悬挑楼面大跨钢梁的中部大跨段(19)和悬挑楼面大跨钢梁的两端悬挑段(20)；悬挑楼面大跨钢梁的两端悬挑段(20)为悬挑钢梁形式，悬挑长度为2m-4m；钢梁采用H型截面型钢构件，钢梁高度为0.7m-1.0m；所述悬挑楼面大跨钢梁设置悬挑楼面大跨钢梁的侧向支撑钢梁(21)和悬挑楼面大跨钢梁的两端封边钢梁(22)，均采用H型截面型钢构件。

7.根据权利要求1所述的内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构，其特征在于：所述过渡区钢框架位于竖向支撑悬挑桁架的过渡区一跨范围内，主要由过渡区局部落地框柱(23)、过渡区次大跨框梁(24)和过渡区普通框梁(25)组成，过渡区次大跨框梁(24)和过渡区普通框梁(25)连接，过渡区局部落地框柱(23)连接各层框梁。

8.根据权利要求2所述的内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构，其特征在于：竖向支撑悬挑桁架的落地框柱(1)为型钢砼柱构件时，在其与竖向支撑悬挑桁架的弦杆悬挑梁连接处设置有型钢砼柱的箱型过渡转换接头(26)，接头节点区域设置型钢砼柱转换区加劲板(28)；竖向支撑悬挑桁架和悬挑屋面正交向小桁架的斜支撑节点设置桁架节点加劲板(27)。

9.一种如权利要求1所述的内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构的拼装方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、竖向支撑悬挑桁架的上弦悬挑梁(3)、竖向支撑悬挑桁架的中弦悬挑梁(4)、竖向支撑悬挑桁架的下弦悬挑梁(5)、竖向支撑悬挑桁架的过渡区楼面弦杆梁(6)和竖向支撑悬挑桁架的过渡区屋面斜坡弦杆梁(7)构成弦杆部分，进而与竖向支撑悬挑桁架的悬挑区斜支撑(8)、竖向支撑悬挑桁架的过渡区斜支撑(9)、竖向支撑悬挑桁架的落地框柱(1)和竖向支撑悬挑桁架的桁架竖柱(2)共同组成单榀竖向支撑悬挑桁架基本单元；

S2、竖向支撑悬挑桁架的竖向荷载通过型钢砼柱的箱型过渡转换接头(26)，转移至竖向支撑悬挑桁架的落地框柱(1)进行承载，竖向支撑悬挑桁架节点处设置桁架节点加劲板(27)和型钢砼柱转换区加劲板(28)进行节点加强；

S3、悬挑区域多层通高大空间的屋顶设置多榀悬挑屋面正交向小桁架，由悬挑屋面正交向小桁架的上弦杆(10)、悬挑屋面正交向小桁架的下弦杆(11)和悬挑屋面正交向小桁架的斜腹杆(12)组成，构成悬挑屋面正交向小桁架的中部大跨段(15)和悬挑屋面正交小桁架的两端悬挑段(16)；

S4、悬挑屋面正交向小桁架侧向设置悬挑屋面正交向小桁架的上弦侧向支撑钢梁(17)和悬挑屋面正交向小桁架的下弦侧向支撑钢梁(18)，以进行侧向稳定支撑，并通过悬挑屋面正交向小桁架的两端交界处竖柱(13)和悬挑屋面正交向小桁架的两端封边处竖柱(14)与竖向支撑悬挑桁架内嵌正交向连接，构成整体受力体系；

S5、悬挑区域多层通高大空间的楼面设置多根大跨钢梁，由悬挑楼面大跨钢梁的中部大跨段(19)和悬挑楼面大跨钢梁的两端悬挑段(20)构成；

S6、大跨钢梁侧向设置悬挑楼面大跨钢梁的侧向支撑钢梁(21)和悬挑楼面大跨钢梁的两端封边钢梁(22)，以进行侧向稳定支撑，并与竖向支撑悬挑桁架连接，构成整体受力体系；

S7、过渡区钢框架位于竖向支撑悬挑桁架的过渡区一跨范围内，由过渡区局部落地框柱(23)、过渡区次大跨框梁(24)和过渡区普通框梁(25)组成。

10.一种如权利要求1所述的内嵌正交向小桁架的多层通高大空间悬挑桁架结构在高位大悬挑区域多层通高大空间建筑功能及造型的复杂钢结构体系设计及承载中的应用。

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