CN112459316B - 一种用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构及应用 - Google Patents

一种用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构,包括竖向长悬挑桁架、环向连接钢梁、侧向支撑结构和底部刚性支座;所述竖向长悬挑桁架包括若干个多圈螺旋布置的单榀竖向长悬挑桁架,采用平面管桁架结构形式,竖向长悬挑桁架顶部标高位置按螺旋递升渐变排列,构成竖向抗侧力支撑核心结构;所述环向连接钢梁主要由位于所有竖向长悬挑桁架顶部和内圈超高竖向长悬挑桁架中部的两道环向连接钢梁组成,位于所有竖向长悬挑桁架顶部的环向连接钢梁随桁架顶部为螺旋递升连接。本发明的有益效果是:基于极限承载性能分析,本发明的结构便于通过整体刚度、承载力等指标控制,来进一步保障整体结构体系的合理有效。

Description

一种用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长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,尤其涉及一种用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构。
背景技术
桁架结构体系是由弦杆、竖杆(或水平杆)和斜撑构件组成的一种格构化的梁式结构,包括横向桁架结构、竖向桁架结构两类。横向桁架结构主要用于展览馆、体育馆等大型公共建筑中的大跨度楼、屋盖结构;竖向桁架结构则在多层通高幕墙、外立面等特殊建筑造型用的结构侧向支撑构架中获得广泛应用。
竖向桁架体系根据桁架两端的支座约束形式,一般可分为两端简支、单向悬挑的竖向桁架体系。屋顶竖向长悬挑桁架体系是其中一类较为重要的单向悬挑竖向桁架,桁架底端为刚性支座固定端、桁架顶端为自由端;由于其较大的抗侧刚度和较高的竖向支撑长度,常应用于建筑结构的屋顶超高幕墙支撑设置中。
屋顶竖向长悬挑桁架体系一般为平面管桁架结构形式,桁架宽度一般可由底部至顶部适当收缩,也可根据特殊幕墙造型的变化趋势进行对应位置调整,因而合理高效的管桁架构件布置形式和桁架高度变化是保证其抗侧性能和实施可行性的一个重要因素。
屋顶竖向长悬挑桁架体系的底部为刚性柱脚固定端,根据柱底结构类型,一般分为柱底为钢梁的刚性加劲肋焊接形式、柱底为砼梁的刚性柱脚锚栓形式。考虑施工便利和楼板浇筑的统一性,前者可通过加劲板转接进行抬高连接设置;当风荷载、地震作用等侧向作用较大时,后者还可设置抗剪键。因而,合理有效的柱脚刚性布置形式对竖向长悬挑桁架固定端的刚度性能保证具有重要影响。
竖向桁架体系的各榀基本单元之间一般需要设置环向连接钢梁构成整体受力体系,避免侧向失稳。而对于超过10米高度的超长竖向悬挑桁架,还可在其中部增设一道环向连接钢梁,并提供侧向支撑结构,以避免超高竖向长悬挑桁架的稳定破坏。因而,环向连接钢梁、侧向支撑结构的布置形式需根据建筑幕墙外立面允许的情况进行布置,以增加侧向稳定性能。
对应悬挑超高幕墙造型的螺旋布置和其顶部的标高位置变化,可对应采用一系列多圈螺旋递升渐变形式的竖向长悬挑桁架,构成整体受力支撑构架体系。实际设计时的幕墙造型并不限于此,多圈复杂曲面情况可根据上述方法获得其支撑构架体系,支撑构架基本单元的排列也是一个重要方面。
此外,竖向长悬挑桁架体系存在节点连接构造复杂、部件拼装复杂、体系受力性能复杂以及超长竖向悬挑桁架的振动和频率处理等问题,合理有效的用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架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,研究一种用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构体系的形式及设计方法,以适用于屋顶多圈螺旋递升布置的竖向超高悬挑和曲面建筑造型幕墙支撑的钢结构构架体系设计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,提供一种用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构,可以实现多圈螺旋递升布置的屋顶竖向长悬挑幕墙支撑的钢结构构架体系设计及承载。
这种用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构,包括竖向长悬挑桁架、环向连接钢梁、侧向支撑结构和底部刚性支座;所述竖向长悬挑桁架包括若干个多圈螺旋布置的单榀竖向长悬挑桁架,采用平面管桁架结构形式,竖向长悬挑桁架顶部标高位置按螺旋递升渐变排列,构成竖向抗侧力支撑核心结构;所述环向连接钢梁主要由位于所有竖向长悬挑桁架顶部和内圈超高竖向长悬挑桁架中部的两道环向连接钢梁组成,位于所有竖向长悬挑桁架顶部的环向连接钢梁随桁架顶部为螺旋递升连接,位于内圈超高竖向长悬挑桁架中部的环向连接钢梁为内圈超高竖向长悬挑桁架加强中部环向连接;所述侧向支撑结构位于竖向长悬挑桁架的最内圈,为超高竖向长悬挑桁架(高度超过10米)提供中部侧向稳定支撑;所述底部刚性支座位于竖向长悬挑桁架的底部,包括柱底为钢梁的刚性加劲肋焊接柱脚形式或柱底为砼梁的刚性柱脚锚栓形式,以实现单悬挑的竖向桁架形式,并为幕墙建筑造型及功能提供结构支撑构架。
作为优选:所述竖向长悬挑桁架采用平面管桁架形式,竖向长悬挑桁架的斜支管为“单斜杆”支撑形式,支撑角度一般为30°-60°,竖向长悬挑桁架内侧的竖向主弦管为单根竖直钢管,竖向长悬挑桁架外侧的斜向主弦管(下段斜向主弦管一、上段斜向主弦管二)为双折线的梯形设置拼接钢管形式,斜向主弦管的折角点的竖向高度位置对应幕墙曲面而变化,以适应幕墙造型的竖向曲面折线渐变形式。
作为优选:所述竖向长悬挑桁架为单悬挑桁架形式,桁架底部为固定支座端,桁架顶部为自由端;单榀桁架沿垂直幕墙曲面法线方向布置;基于中心定位点、螺旋定位线(外螺旋定位线、内螺旋定位线),多个单榀竖向长悬挑桁架排列构成多圈螺旋布置的竖向长悬挑桁架,桁架顶部随幕墙顶递升渐变变化;竖向长悬挑桁架的主弦管是抗侧向力作用的桁架主体受力构件,桁架构件均为圆管,竖向主弦管和斜向主弦管的直径均为200mm-400mm;竖向主弦管与斜向主弦管之间设有竖向长悬挑桁架的水平支管和竖向长悬挑桁架的斜支管,斜支管、水平支管构件主要起侧向支撑和连接主弦管的作用,截面尺寸相对较小,竖向长悬挑桁架的水平支管和竖向长悬挑桁架的斜支管的直径均为100mm-200mm;竖向长悬挑桁架的环向间距为4m-6m,竖向长悬挑桁架的宽度为1m-2m,不同高度的桁架宽度对应双折线主弦管的变化而变化。
作为优选:所述环向连接钢梁由竖向长悬挑桁架顶部的环向连接钢梁一和最内圈超高桁架中部的环向连接钢梁二组成,环向连接钢梁与竖向长悬挑桁架正交连接并呈环向布置,以提供径向布置的单榀竖向长悬挑桁架平面外的稳定支撑;竖向长悬挑桁架顶部的环向连接钢梁一呈多圈螺旋递升的刚接连接形式,最内圈超高桁架中部的环向连接钢梁二仅在最内圈超高桁架之间设置以加强中部平面外稳定支撑。
作为优选:竖向长悬挑桁架顶部的环向连接钢梁一随竖向长悬挑桁架顶部标高位置变化而变化,呈现为多圈螺旋递升连接形式,为两端刚接连接钢梁;最内圈超高桁架中部的环向连接钢梁二仅设置在最内圈高度超过十米的长悬挑桁架之间,以加强超高长悬挑桁架的侧向稳定支撑,竖向标高位置同侧向支撑结构的顶部标高,并与竖向长悬挑桁架刚性连接。所述环向连接钢梁采用工字钢,工字钢首尾在竖向长悬挑桁架的主弦管位置相互连接;环向连接钢梁与主弦管的连接,采用外环板刚性节点,环向连接钢梁与竖向长悬挑桁架顶部的连接处为环向连接钢梁端部的外环板刚接节点;外环板刚性节点由外环板刚接节点的上环板、外环板刚接节点的下环板和外环板刚接节点的竖向加劲板组成,环板宽度为100mm-200mm,环板、竖向加劲板壁厚分别同连接工字钢的翼缘、腹板厚度;工字钢高度为400mm-500mm,跨度为4m-6m。
作为优选:所述侧向支撑结构包括侧向支撑结构的中部框架、侧向支撑主钢梁和侧向支撑短钢梁,位于竖向长悬挑桁架的最内圈,侧向支撑结构顶部的竖向位置同最内圈超高桁架中部的环向连接钢梁二的标高位置,为高度超高10米的超高竖向长悬挑桁架提供中部平面内稳定支撑。
作为优选:所述侧向支撑结构的传力路线是通过侧向支撑主钢梁将侧向力传递至侧向支撑结构的中部框架进行承载,中部框架根据建筑功能进行设置,无功能时可采用钢框架结构形式;侧向斜支撑短钢梁用于环向连接钢梁和竖向主弦管之间的连接,防止竖向长悬挑桁架的自身扭转效应;侧向支撑结构的构件为工字钢,节点处均采用刚性连接节点,侧向支撑结构与主弦管的连接为外环板刚性焊接连接形式,工字钢高度为400mm-500mm。
作为优选:所述底部刚性支座的连接节点为刚性柱脚固定端,根据柱底结构类型,包括柱底为钢梁的刚性加劲肋焊接柱脚形式或柱底为砼梁的刚性柱脚锚栓形式;底部刚性支座一定高度范围的竖向长悬挑桁架采用外包混凝土保护层并高出地面100mm,以避免屋面存在覆土、容易积水等工况时的钢结构锈蚀情况出现,外包混凝土保护层内部设置构造钢筋。柱底为刚接的单悬挑的竖向桁架布置形式,可为屋顶超高幕墙建筑造型及功能提供结构支撑构架。
作为优选:为考虑施工便利和楼板浇筑统一性,柱底为钢梁时支座节点处设置过渡转接接头进行抬高连接设置,并通过支座底部的固接加劲板、钢梁腹板两侧的横向加劲板进行节点加强;当风荷载、地震作用等侧向作用较大时,柱底为砼梁时支座节点的锚栓刚性连接柱脚设置抗剪键进行水平力承载,柱脚锚栓为预埋弯折形式。
这种用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构的拼装方法,包括以下步骤:
S1、竖向长悬挑桁架的竖向主弦管、下段斜向主弦管一、上段斜向主弦管二、竖向长悬挑桁架的水平支管、竖向长悬挑桁架的斜支管组成“单斜杆”平面管桁架形式的单榀竖向长悬挑桁架基本单元;外侧的斜向主弦管为双折线形式,对应变化位置为斜向主弦管的折角点;
S2、单榀竖向长悬挑桁架沿垂直幕墙曲面的法线方向布置,以中心定位点为螺旋中心,多榀竖向长悬挑桁架排列构成多圈螺旋布置的竖向长悬挑桁架结构,下段斜向主弦管一和竖向主弦管分别落在外螺旋定位线和内螺旋定位线上;
S3、在所有竖向长悬挑桁架顶部之间连接竖向长悬挑桁架顶部的环向连接钢梁一,在最内圈的超高长悬挑桁架中部之间连接最内圈超高桁架中部的环向连接钢梁二;
S4、环向连接钢梁与竖向长悬挑桁架的主弦管的外环板刚接节点处为刚性节点,由外环板刚接节点的上环板、外环板刚接节点的下环板和外环板刚接节点的竖向加劲板栓焊刚接组成;
S5、最内圈超高长悬挑桁架的中部侧向支撑结构,通过侧向支撑主钢梁和侧向斜支撑短钢梁,传递侧向力至侧向支撑结构的中部框架,进行侧向稳定支撑;
S6、底部刚性支座的连接节点处,柱底为钢梁时设置过渡转接接头,并通过底部支座的固接加劲板、钢梁腹板两侧的横向加劲板进行节点加强;柱底为砼梁时锚栓刚性连接节点设置抗剪键进行水平力承载;
S7、底部刚性支座一定高度范围的竖向长悬挑桁架采用外包混凝土保护层进行包裹,避免钢结构出现锈蚀,外包混凝土保护层内部设置构造钢筋进行加强。
这种用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构在屋顶多圈螺旋递升布置的竖向超高悬挑幕墙支撑的钢结构构架体系设计及承载中的应用,所述竖向长悬挑指竖向单悬挑高度不小于10米的竖向长悬挑桁架。
本发明的有益效果是:
1、本发明提供的用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构,其结构体系构造合理,可以实现屋顶多圈螺旋递升布置的竖向超高悬挑幕墙支撑的钢结构构架体系设计及承载,充分发挥螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架体系的长悬挑、高刚度及螺旋递升造型优点。
2、本发明的结构体系以竖向长悬挑桁架和环向连接钢梁结合为中心支撑构架,并通过超高桁架中部侧向支撑、刚性支座构成单悬挑竖向桁架形式而构成整体受力模型,可达到在尽量减轻自重和控制抗侧刚度的前提下,实现长悬挑、螺旋递升建筑造型及功能。
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,整体体系悬挑长、刚度大、承载高、造型独特,在屋顶多圈螺旋递升布置的竖向超高悬挑和曲面建筑造型幕墙支撑的钢结构构架体系中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1a-1e分别是本发明用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构实施例的整体结构示意图、竖向长悬挑桁架示意图、环向连接钢梁示意图、侧向支撑结构示意图、底部刚性支座示意图。
图2是本发明竖向长悬挑桁架体系实施例的俯视平面图,即图1a中A-A剖切示意图;
图3是本发明竖向长悬挑桁架体系实施例的剖切正视图,即图1a中B-B剖切示意图;
图4是本发明竖向长悬挑桁架体系实施例的剖切右视图,即图1a中C-C剖切示意图;
图5a、5b、5c分别是图2中不同位置单榀竖向长悬挑桁架的D-D、E-E、F-F剖切示意图;
图6a是图1a中竖向长悬挑桁架在侧向连接钢梁处的外环板刚接节点示意图,图6b是图6a外环板刚接节点的G-G剖切示意图;
图7a、图7b分别是图1a中竖向长悬挑桁架底部为钢梁、混凝土梁时底部刚性支座的连接节点示意图;
图8a、图8b分别是图1a中竖向长悬挑桁架底部为钢梁、混凝土梁时底部刚性支座的外包混凝土保护层示意图;
图9是本发明竖向长悬挑桁架结构实施例的部件拼装流程图。
附图标记说明:1.竖向主弦管;2.下段斜向主弦管一;3.上段斜向主弦管二;4.竖向长悬挑桁架的水平支管;5.竖向长悬挑桁架的斜支管;6.斜向主弦管的折角点;7.竖向长悬挑桁架顶部的环向连接钢梁一;8.最内圈超高桁架中部的环向连接钢梁二;9.环向连接钢梁端部的外环板刚接节点;10.侧向支撑结构的中部框架;11.侧向支撑主钢梁;12.侧向斜支撑短钢梁;13.外包混凝土保护层;14.底部刚性支座的连接节点;15.中心定位点;16.外螺旋定位线;17.内螺旋定位线;18.外环板刚接节点的上环板;19.外环板刚接节点的下环板;20.外环板刚接节点的竖向加劲板;21.底部为钢梁时支座节点的过渡转接接头;22.底部为砼梁时支座节点的锚栓刚性连接;23.底部支座的固接加劲板;24.构造钢筋。
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。
本专利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长悬挑、高刚度优点,基于竖向长悬挑桁架和环向连接钢梁结合的中心支撑构架,并通过超高桁架中部侧向支撑、刚性支座构成单悬挑竖向桁架形式的结构体系构成方案,实现屋顶多圈螺旋递升的竖向超高悬挑幕墙支撑和曲面建筑造型及功能。
本专利的设计思路基于竖向长悬挑桁架和环向连接钢梁结合的中心支撑构架,并通过超高桁架中部侧向支撑、刚性支座构成单悬挑竖向桁架形式的结构体系整体受力模型:首先,以竖向长悬挑桁架为竖向抗侧力支撑核心,结合竖向桁架顶部、超高竖向长悬挑桁架中部的环向连接钢梁,构成具有极大悬挑长度、较好抗侧刚度的中心支撑构架;其次,通过侧向支撑结构实现超高竖向长悬挑桁架的中部稳定支撑,通过底部刚性支座实现单悬挑竖向桁架形式;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,所述用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构,包括竖向长悬挑桁架、环向连接钢梁、侧向支撑结构、底部刚性支座。所述竖向长悬挑桁架(图1b)包括一系列多圈螺旋布置的单榀竖向长悬挑桁架,采用平面管桁架网格结构形式,竖向长悬挑桁架顶部标高位置按螺旋递升渐变排列,构成竖向抗侧力支撑核心结构;所述环向连接钢梁(图1c)由位于所有竖向长悬挑桁架顶部、内圈超高竖向长悬挑桁架中部的两道环向连接钢梁组成,前者随桁架顶部为螺旋递升连接,后者为内圈超高竖向长悬挑桁架之间的中部标高位置钢梁连接设置;所述侧向支撑结构(图1d)位于竖向长悬挑桁架的最内圈,为超高竖向长悬挑桁架(高度超过10米)提供中部标高位置的侧向稳定支撑;所述底部刚性支座(图1e)位于竖向长悬挑桁架底部,包括与钢梁、砼梁的刚性柱脚连接,以实现单悬挑的竖向桁架形式,并为幕墙建筑造型及功能提供结构支撑构架。
如图1b、图5所示,所述竖向长悬挑桁架采用平面管桁架结构形式,由竖向长悬挑桁架的竖向主弦管1、下段斜向主弦管一2、上段斜向主弦管二3、竖向长悬挑桁架的水平支管4和竖向长悬挑桁架的斜支管5组成。竖向长悬挑桁架的斜支管5为“单斜杆”支撑形式,支撑角度为30°-60°;位于桁架内侧的竖向主弦管1为单根竖直钢管;位于桁架外侧的斜向主弦管(2-3)则为双折线的梯形设置拼接钢管形式,斜向主弦管的折角点6的竖向标高位置对应幕墙曲面造型而变化,以适应幕墙造型的竖向曲面折线渐变形式。竖向长悬挑桁架的宽度由底部至顶部进行适当收缩,以符合底部刚性支座的较大弯矩作用要求。
如图1a-图1b、图2-图4所示,竖向长悬挑桁架为单悬挑桁架结构形式,桁架底部为固定支座端,桁架顶部为自由端。单榀平面桁架沿着垂直幕墙造型曲面的法线方向进行布置,以中心定位点15为螺旋布置中心,一系列竖向平面桁架排列构成多圈螺旋布置的竖向长悬挑桁架结构,桁架顶部高度随幕墙顶位置递升或递减渐变变化。每榀竖向长悬挑桁架内侧的竖向主弦管1均落在内螺旋定位线17上,外侧的下段斜向主弦管一2均落在外螺旋定位线16上。本实施例共计82榀竖向长悬挑桁架基本单元。
竖向长悬挑桁架的竖向主弦管1、斜向主弦管(2-3)是抗侧向力作用的桁架主体受力构件,按圆钢管构件截面考虑,截面尺寸为200mm-400mm;竖向长悬挑桁架的水平支管4、竖向长悬挑桁架的斜支管5构件主要起侧向支撑和连接主弦管(1-3)的作用,截面尺寸相对较小,为100mm-200mm;单榀竖向长悬挑桁架的环向间距为4m-6m,桁架平面内的宽度为1m-2m,不同顶部高度的桁架平面内的宽度对应双折线斜向主弦管(2-3)的变化而变化。
如图1c、图2-图3所示,所述环向连接钢梁由位于所有竖向长悬挑桁架顶部的环向连接钢梁一7、位于最内圈超高(超过10米)竖向长悬挑桁架中部的侧向支撑结构高度的环向连接钢梁二组成,共计两道。环向连接钢梁(7-8)与竖向长悬挑桁架正交环向布置,以提供径向布置的单榀竖向长悬挑桁架平面外的侧向稳定支撑。
如图1a、图1c、图2-图4所示,竖向长悬挑桁架顶部的环向连接钢梁一7随竖向长悬挑桁架顶部标高位置变化而变化,呈现为多圈螺旋递升连接形式,为两端刚接连接钢梁;桁架中部的环向连接钢梁仅设置在最内圈高度超高10米的竖向长悬挑桁架之间,以加强超高长悬挑桁架的侧向稳定支撑,竖向标高位置同侧向支撑结构的顶部标高,并与其刚性连接。
如1c、图5-图6所示,环向连接钢梁一般为工字钢,工字钢首尾在竖向长悬挑桁架的主弦管位置相互连接。同一节点处的环向连接钢梁与竖向主弦管的连接,采用外环板刚性节点做法;外环板刚性连接牛腿由外环板刚接节点的上环板18、外环板刚接节点的下环板19和外环板刚接节点的竖向加劲板20组成,外环板的宽度为100mm200mm、壁厚同连接工字梁的翼缘厚度,竖向加劲板的厚度同工字梁的腹板厚度。工字梁的高度为400mm-500mm,跨度为4m-6m。
如图1d、图2所示,所述侧向支撑结构包括侧向支撑结构的中部框架10、侧向支撑主钢梁11、侧向支撑短钢梁12。侧向支撑结构位于竖向长悬挑桁架的最内圈,器竖向标高位置同竖向长悬挑桁架的中部环向连接钢梁标高位置,为高度超高10米的超高竖向长悬挑桁架提供中部面内侧向稳定支撑。
如图1a、1d所示,所述侧向支撑结构的传力路线是通过侧向支撑主钢梁11将风荷载、地震等侧向力传递至中部框架进行承载,中部框架根据建筑功能进行设置,无功能时可采用无楼板钢框架的构架结构形式。侧向支撑短钢梁12用于环向连接钢梁(7-8)和竖向长悬挑桁架内侧竖向主弦管之间的连接,防止竖向长悬挑桁架的自身扭转效应。
如图1d、图6所示,侧向支撑结构一般为工字钢,节点处均采用刚性连接节点,工字钢与竖向主弦管1、斜向主弦管(2-3)的连接为外环板刚性焊接连接形式。工字梁的高度为400mm-500mm。
如图1e、图6-图7所示,所述底部刚性支座位于竖向长悬挑桁架的底部刚性支座的连接节点14处,为刚性柱脚固定端,根据柱底结构类型,一般包括柱底为钢梁的刚性加劲肋焊接柱脚形式、柱底为砼梁的刚性柱脚锚栓形式。柱底为刚接的单悬挑的竖向长悬挑桁架布置形式,可为屋顶超高幕墙建筑造型及功能提供结构支撑构架。
如图1e、图7-图8所示,为考虑施工便利和楼板浇筑的统一性,柱底为钢梁时支座节点处的刚接柱脚通过加劲板转接进行抬高连接设置,即底部为钢梁时支座节点处设置过渡转接接头的加固板,并通过支座底部的固接加劲板23、钢梁腹板两侧的横向加劲板进行节点加强;而当风荷载、地震作用等侧向作用较大时,底部为砼梁时支座节点的锚栓刚性连接22柱脚设置抗剪键进行水平力承载,柱脚锚栓为预埋的弯折形式。
如图1e、图7-图8所示,底部刚性支座一定高度范围的竖向长悬挑桁架采用外包混凝土保护层13,以避免屋面存在覆土、容易积水等工况时的钢结构锈蚀情况出现。外包混凝土至高出建筑完成面或覆土地面100mm为宜,其内部设置外包混凝土的构造钢筋24(纵筋、箍筋)进行加强。
竖向长悬挑桁架的平面管桁架形状、格构布置、顶部高度变化、多圈螺旋复杂曲面形式以及环向连接钢梁的设置,可根据建筑幕墙的造型要求、功能空间、竖向悬挑高度和边界条件的要求进行适当调整,并不会影响本专利用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长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,所述用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构的具体部件拼装流程如下:
(1)竖向长悬挑桁架的竖向主弦管1、下段斜向主弦管一2、上段斜向主弦管二3、竖向长悬挑桁架的水平支管4、竖向长悬挑桁架的斜支管5组成“单斜杆”平面管桁架形式的单榀竖向长悬挑桁架基本单元;外侧的斜向主弦管为双折线形式,对应变化位置为斜向主弦管的折角点6;
(2)单榀竖向长悬挑桁架沿垂直幕墙曲面的法线方向布置,以中心定位点15为螺旋中心,多榀竖向长悬挑桁架排列构成多圈螺旋布置的竖向长悬挑桁架结构,下段斜向主弦管一2和竖向主弦管1分别落在外螺旋定位线16和内螺旋定位线17上;
(3)在所有竖向长悬挑桁架顶部之间连接竖向长悬挑桁架顶部的环向连接钢梁一7,在最内圈的超高长悬挑桁架中部之间连接最内圈超高桁架中部的环向连接钢梁二8;
(4)环向连接钢梁与竖向长悬挑桁架的主弦管的外环板刚接节点处为刚性节点,由外环板刚接节点的上环板18、外环板刚接节点的下环板19和外环板刚接节点的竖向加劲板20栓焊刚接组成;
(5)最内圈超高长悬挑桁架的中部通过侧向支撑主钢梁11和侧向斜支撑短钢梁12,传递侧向力至侧向支撑结构的中部框架10,进行侧向稳定支撑;
(6)底部刚性支座的连接节点14处,柱底为钢梁时设置过渡转接接头,并通过底部支座的固接加劲板23、钢梁腹板两侧的横向加劲板进行节点加强;柱底为砼梁时锚栓刚性连接节点设置抗剪键进行水平力承载;
(7)底部刚性支座一定高度范围的竖向长悬挑桁架采用外包混凝土保护层13进行包裹,避免钢结构出现锈蚀,外包混凝土保护层13内部设置构造钢筋24进行加强。
实施例三
本专利还提供一种用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构在屋顶多圈螺旋递升布置的竖向超高悬挑幕墙支撑的钢结构构架体系设计及承载中的应用,所述竖向长悬挑指竖向单悬挑高度不小于10米的竖向长悬挑桁架。
相比于现有技术的不足,本发明提供的用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构基于竖向长悬挑桁架和环向连接钢梁结合的中心支撑构架,通过侧向支撑结构为超高桁架提供中部支撑,通过刚性支座构成单悬挑竖向桁架形式,可实现竖向超高悬挑幕墙和曲面建筑幕墙造型及功能。该结构体系构件组成模块明确,构造合理,传力清晰,具有长悬挑、高刚度及螺旋递升造型优点,应用范围较广,并有效符合整体受力及承载模式的设计原则,可实现屋顶多圈螺旋递升布置的竖向超高悬挑幕墙支撑的钢结构构架体系设计及承载。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用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架体系的长悬挑、高刚度及螺旋递升造型优点。

Claims (8)

1.一种用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构,其特征在于:包括竖向长悬挑桁架、环向连接钢梁、侧向支撑结构和底部刚性支座;所述竖向长悬挑桁架包括若干个多圈螺旋布置的单榀竖向长悬挑桁架,竖向长悬挑桁架顶部标高位置按螺旋递升渐变排列,构成竖向抗侧力支撑核心结构;所述环向连接钢梁主要由位于所有竖向长悬挑桁架顶部和内圈超高竖向长悬挑桁架中部的两道环向连接钢梁组成,位于所有竖向长悬挑桁架顶部的环向连接钢梁随桁架顶部为螺旋递升连接,位于内圈超高竖向长悬挑桁架中部的环向连接钢梁为内圈超高竖向长悬挑桁架加强中部环向连接;所述侧向支撑结构位于竖向长悬挑桁架的最内圈;所述底部刚性支座位于竖向长悬挑桁架的底部,包括柱底为钢梁的刚性加劲肋焊接柱脚形式或柱底为砼梁的刚性柱脚锚栓形式;
所述竖向长悬挑桁架采用平面管桁架形式,竖向长悬挑桁架的斜支管(5)为单斜杆支撑形式,支撑角度为30°-60°,竖向长悬挑桁架内侧的竖向主弦管(1)为单根竖直钢管,竖向长悬挑桁架外侧的斜向主弦管为双折线的梯形设置拼接钢管形式,斜向主弦管的折角点(6)的竖向高度位置对应幕墙曲面而变化;
所述环向连接钢梁由竖向长悬挑桁架顶部的环向连接钢梁一(7)和最内圈超高桁架中部的环向连接钢梁二(8)组成,环向连接钢梁与竖向长悬挑桁架正交连接并呈环向布置;竖向长悬挑桁架顶部的环向连接钢梁一(7)呈多圈螺旋递升的刚接连接形式,最内圈超高桁架中部的环向连接钢梁二(8)设置在最内圈超高桁架之间。
2.根据权利要求1所述的用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构,其特征在于,所述竖向长悬挑桁架的底部为固定支座端,顶部为自由端;单榀竖向长悬挑桁架沿垂直幕墙曲面法线方向布置;竖向长悬挑桁架的主弦管均为圆管,竖向主弦管和斜向主弦管的直径均为200mm-400mm;竖向主弦管(1)与斜向主弦管之间设有竖向长悬挑桁架的水平支管(4)和竖向长悬挑桁架的斜支管(5),竖向长悬挑桁架的水平支管(4)和竖向长悬挑桁架的斜支管(5)的直径均为100mm-200mm;竖向长悬挑桁架的环向间距为4m-6m,竖向长悬挑桁架的宽度为1m-2m。
3.根据权利要求1所述的用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构,其特征在于,竖向长悬挑桁架顶部的环向连接钢梁一(7)为多圈螺旋递升连接形式,为两端刚接连接钢梁;最内圈超高桁架中部的环向连接钢梁二(8)设置在最内圈高度超过十米的竖向长悬挑桁架之间,其竖向标高位置同侧向支撑结构的顶部标高,并与竖向长悬挑桁架刚性连接;所述环向连接钢梁采用工字钢,工字钢首尾在竖向长悬挑桁架的主弦管位置连接;环向连接钢梁与主弦管的连接采用外环板刚性节点,环向连接钢梁与竖向长悬挑桁架顶部的连接处为环向连接钢梁端部的外环板刚接节点(9);外环板刚性节点由外环板刚接节点的上环板(18)、外环板刚接节点的下环板(19)和外环板刚接节点的竖向加劲板(20)组成,环板宽度为100mm-200mm,环板、竖向加劲板壁厚分别同连接工字钢的翼缘、腹板厚度。
4.根据权利要求1所述的用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构,其特征在于,所述侧向支撑结构包括侧向支撑结构的中部框架(10)、侧向支撑主钢梁(11)和侧向支撑短钢梁(12),侧向支撑结构位于竖向长悬挑桁架的最内圈,侧向支撑结构顶部的竖向位置同最内圈超高桁架中部的环向连接钢梁二(8)的标高位置;侧向支撑主钢梁(11)位于侧向支撑结构的中部框架(10)的周围,侧向支撑短钢梁(12)位于侧向支撑主钢梁(11)的端部;侧向斜支撑短钢梁(12)用于环向连接钢梁和竖向主弦管(1)之间的连接;侧向支撑结构的构件为工字钢,节点处均采用刚性连接节点,侧向支撑结构与主弦管的连接为外环板刚性焊接连接形式。
5.根据权利要求1所述的用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构,其特征在于,所述底部刚性支座的连接节点(14)为刚性柱脚固定端,包括柱底为钢梁的刚性加劲肋焊接柱脚形式或柱底为砼梁的刚性柱脚锚栓形式;底部刚性支座一定高度范围的竖向长悬挑桁架采用外包混凝土保护层(13),外包混凝土保护层(13)内部设置构造钢筋(24)。
6.根据权利要求5所述的用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构,其特征在于,柱底为钢梁时支座节点处设置过渡转接接头进行抬高连接设置,并通过支座底部的固接加劲板(23)和钢梁腹板两侧的横向加劲板进行节点加强;柱底为砼梁时支座节点的锚栓刚性连接(22)柱脚设置抗剪键,柱脚锚栓为预埋弯折形式。
7.一种如权利要求1所述的用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构的拼装方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、竖向长悬挑桁架的竖向主弦管(1)、下段斜向主弦管一(2)、上段斜向主弦管二(3)、竖向长悬挑桁架的水平支管(4)、竖向长悬挑桁架的斜支管(5)组成单斜杆平面管桁架形式的单榀竖向长悬挑桁架基本单元;外侧的斜向主弦管为双折线形式,对应变化位置为斜向主弦管的折角点(6);
S2、单榀竖向长悬挑桁架沿垂直幕墙曲面的法线方向布置,以中心定位点(15)为螺旋中心,多榀竖向长悬挑桁架排列构成多圈螺旋布置的竖向长悬挑桁架结构,下段斜向主弦管一(2)和竖向主弦管(1)分别落在外螺旋定位线(16)和内螺旋定位线(17)上;
S3、在所有竖向长悬挑桁架顶部之间连接竖向长悬挑桁架顶部的环向连接钢梁一(7),在最内圈的超高长悬挑桁架中部之间连接最内圈超高桁架中部的环向连接钢梁二(8);
S4、环向连接钢梁与竖向长悬挑桁架的主弦管的外环板刚接节点处为刚性节点,由外环板刚接节点的上环板(18)、外环板刚接节点的下环板(19)和外环板刚接节点的竖向加劲板(20)栓焊刚接组成;
S5、最内圈超高长悬挑桁架的中部设置侧向支撑结构,通过侧向支撑主钢梁(11)和侧向斜支撑短钢梁(12),传递侧向力至侧向支撑结构的中部框架(10),进行侧向稳定支撑;
S6、底部刚性支座的连接节点(14)处,柱底为钢梁时设置过渡转接接头,并通过底部支座的固接加劲板(23)和钢梁腹板两侧的横向加劲板进行节点加强;柱底为砼梁时锚栓刚性连接节点设置抗剪键进行水平力承载;
S7、底部刚性支座一定高度范围的竖向长悬挑桁架采用外包混凝土保护层(13)进行包裹,外包混凝土保护层(13)内部设置构造钢筋(24)进行加强。
8.一种如权利要求1所述的用于螺旋递升式幕墙支撑的竖向长悬挑桁架结构在屋顶多圈螺旋递升布置的竖向超高悬挑幕墙支撑的钢结构构架体系设计及承载中的应用。
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