CN113107131A - 一种内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构及构成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构，包括径环向箱型主钢梁组合、竖向支撑结构、柱间及边界钢梁、次梁及水平支撑和内部正交小钢梁；所述径环向箱型主钢梁组合为竖向主承载核心结构。本发明的有益效果是：结构体系构造合理，可以实现径向辐射状的立面弧形曲面建筑造型的大跨度、外悬挑复杂变截面箱型钢梁屋盖结构体系设计及承载，充分发挥外悬挑大跨箱型钢梁体系的高抗侧和抗扭转刚度、高承载性能及大跨度大悬挑的功能优点；可达到在尽量减轻自重和控制承载性能的前提下，实现大跨度、外悬挑建筑造型及功能；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，来进一步保证整体结构体系的合理有效。

Description

一种内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构及构成 方法

技术领域

本发明属于结构工程技术领域，尤其涉及一种内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构及构成方法。大跨度、外悬挑分别指最大跨度不小于40米、最大悬挑不小于15米的大空间屋盖建筑结构。

背景技术

钢框架结构是由钢框柱、刚接钢框梁和铰接钢次梁构成的能承受垂直和水平荷载的建筑结构体系，具有强度高、自重轻、刚度大等优点，广泛应用于涉及轻型化和装配式要求的民用公共建筑、厂房及住宅建筑中。

大跨度箱型钢梁结构是钢框架结构的一类重要形式。当建筑空间跨度达到20米-80米且构件高度受到限制时，采用箱型截面钢梁结构是相对于桁架结构更为经济有效且简便的解决方案；大跨度箱型钢梁结构同时还具有构造简单、连接节点简单及施工安装简便等优点。

实际工程中，大跨度箱型钢梁结构一般结合大悬挑结构一起使用，延伸段外悬挑的设置可使内跨大跨度钢梁的挠度变形有效减小。因而，合理有效的大悬挑、大跨度箱型钢梁布置及竖向钢立柱支撑方案是保证其承载性能和实施可行性的一个重要因素。

根据外悬挑大跨箱型钢梁不同位置的受力情况可进一步进行变截面优化，大跨段一般按等截面，悬挑段截面从支座端到自由端为逐渐减小而形成渐变建筑美感。而当建筑屋盖立面为弧形曲面建筑造型时，外悬挑大跨箱型可变化为弧形曲线形式。因而，结合建筑造型和构件受力特性，设置合理有效的变截面和弧形方案是保证其承载性能的一个重要方面。

圆形平面的大跨箱型钢梁内圈可设置内环钢梁进行交汇，以避免径向汇交中心构件过多而给节点设计及制作带来困难，同时内环钢梁主要承受抗拉也可有效发挥钢梁的拉伸强度优点。内环内部则通过正交小钢梁布置，即对内环钢梁起到支撑作用，也可作为玻璃幕墙屋顶构架。因而，合理有效的内环钢梁和正交小钢梁布置方案是保证其承载性能的另一个重要方面。

为加强整体刚度，设置柱间整圈刚接钢梁、外圈边界刚接钢梁是较为合理有效的构造措施；为加强整体抗扭刚度，在两端局部设置柱间支撑、屋盖设置环向水平支撑也是较好的解决方案。因而，合理有效的刚接钢梁和支撑方案对结构整体性能指标控制具有较大影响。

此外，外悬挑大跨箱型钢梁结构存在节点连接构造复杂、部件构成复杂、体系受力性能复杂以及大跨度大悬挑结构抗震及舒适度等问题，合理有效的外悬挑大跨弧形变截面钢梁结构形式设计及构成方案也是保证其承载性能及正常使用的一个重要因素。

综上所述，研究一种内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构的形式及设计方法，以适用于径向辐射状的立面弧形曲面建筑造型大跨度、外悬挑复杂变截面箱型钢梁屋盖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，提供一种内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构及构成方法，可以实现径向辐射状的立面弧形曲面建筑造型大跨度、外悬挑复杂变截面箱型钢梁屋盖结构体系设计及承载。

这种内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构，包括径环向箱型主钢梁组合、竖向支撑结构、柱间及边界钢梁、次梁及水平支撑和内部正交小钢梁；所述径环向箱型主钢梁组合为竖向主承载核心结构，由多榀辐射状布置的外悬挑大跨弧形变截面径向箱型主钢梁和一榀内环交汇的等截面的内环箱型主钢梁组成，以多榀辐射状布置的外悬挑大跨弧形变截面径向箱型主钢梁为主受力构件，并通过一榀等截面的内环箱型主钢梁进行内环汇交设置，构成立面弧形曲面建筑造型的整体体系；所述竖向支撑结构为水平抗侧力构件，由环向整圈的箱型钢立柱和两侧局部的柱间交叉钢支撑组成，以支撑径环向箱型主钢梁组合，并与其共同构成中心支撑构架；所述柱间及边界钢梁为加强整体刚度的刚接钢梁，包括连接钢柱的环向刚接钢梁(柱间刚接钢梁)和外圈边界连接径向箱型主钢梁的环向刚接钢梁(外圈边界刚接钢梁)；所述次梁及水平支撑为屋面支撑构件，包括用于分割屋盖的铰接连接次梁(屋盖环向铰接次梁)和加强平面抗扭刚度的水平支撑；所述内部正交小钢梁位于内环箱型主钢梁的内部并为其提供侧向支撑，同时构成中心区域屋顶幕墙支撑构架。

进一步地，所述径环向箱形主钢梁组合由径向箱型主钢梁和内环箱型主钢梁正交刚接组合而成；径向箱型主钢梁为竖向承载的主受力构件，以平面中心定位点为中心沿环向间隔10° -40°旋转阵列布置，外圈边界最大环向间隔距离优选为15m-20m；单榀径向箱型主钢梁基本单元均设置为大跨度立面弧形形式，沿环向辐射状布置的各榀径向箱型主钢梁基本单元具体弧形定位对应建筑曲面造型可有所不同。

进一步地，单榀径向箱型主钢梁包括柱内侧大跨区(径向箱型主钢梁的弧形大跨段)和柱外侧悬挑区(径向箱型主钢梁的变截面悬挑段)，柱内侧大跨区主要设置为等截面箱型构件形式以考虑内部正弯矩、负弯矩的分布，柱外侧悬挑区构件截面则对应受力变化为自支座端到自由端方向的渐变减小的变截面形式；单榀径向箱型主钢梁的内环刚接端刚接于内环箱型主钢梁；径向箱型主钢梁的变截面悬挑段采用悬挑延伸形式并支撑于箱型钢立柱顶部的顶部梁柱刚接节点上，以有效减小中部的柱内侧大跨区挠度变形和应力。

进一步地，内环箱型主钢主要起到环向贯通连接多榀径向箱型主钢梁的内环刚接端，并结合构成整体受力模式的作用，同时为内部正交小钢梁提供边界支撑，由沿内圈环向布置的一榀内环箱型主钢梁组成，内环箱型主钢梁与径向箱型主钢梁的内环刚接端相接处为径环向箱型主钢梁刚接节点；内环箱型主钢梁为平面圆环形布置，由于其对称性采用等截面构件，主要承受环向轴拉力作用，内环两侧的径向箱型主钢梁为成对的对称设置。

进一步地，整体结构体系的柱内侧最大空间跨度由中部的内环箱型主钢梁的直径跨度和两侧的径向箱形主钢梁的弧形大跨段的跨度所共同组成，最大跨度优选为40m-60m；径向箱型主钢梁的弧形大跨段主要采用等截面构件形式，截面高度优选为该部分跨度的1/30-1/40，即1000mm-2000mm，截面宽度优选为300mm-500mm；径向箱型主钢梁的变截面悬挑段的跨度优选为10m-20m，采用变截面构件渐变形式，并延伸至径向箱型主钢梁的悬挑端，自由端(径向箱型主钢梁的悬挑端)截面高度不小于600mm。内环箱型主钢梁的截面高度优选为与径向箱形主钢梁的弧形大跨段的截面高度相同，使得环向结构刚度足够且便于节点连接。

进一步地，所述竖向支撑结构为水平抗侧力构件，包括环向间隔一定距离旋转阵列布置的箱型钢立柱和两侧局部的柱间交叉钢支撑；整圈箱型钢立柱沿环向均匀对称布置，支撑在径向箱型主钢梁下方而形成顶部梁柱刚接节点，箱型钢立柱的底部为底部刚性支座，节点内部增设梁柱刚接节点内隔板进行加强；箱型钢立柱环向通过柱间刚接钢梁刚接连接进行侧向支撑并提高整体刚度。

进一步地，柱间交叉钢支撑设置于箱型钢立柱的环向对称两侧，与屋盖的内环水平支撑钢拉杆和外环水平支撑钢拉杆共同构成斜支撑体系，以加强结构体系整体抗侧、抗扭转刚度；柱间交叉钢支撑为交叉支撑结构形式，一根贯通、一根分段连接，采用箱型截面或H型截面型钢构件；柱间交叉钢支撑与箱型钢立柱的夹角优选为30°-60°。

进一步地，箱型钢立柱优选为箱型截面型钢，当轴压荷载较大时也可在型钢内部浇灌混凝土进行加强；箱型型钢截面边长优选为600mm-1000mm，壁厚20mm-50mm。

进一步地，所述柱间及边界钢梁包括连接钢柱的刚接钢梁(柱间刚接钢梁)、外圈边界连接径向箱型主钢梁的刚接钢梁(外圈边界刚接钢梁)；柱间刚接钢梁沿环向整圈设置，形成环形拉结钢梁；外圈边界刚接钢梁沿环向也为整圈布置并连接径向箱型主钢梁的悬挑端，使得径向箱型主钢梁的悬挑端不至出现较大的平面扭转变形。

进一步地，柱间刚接钢梁、外圈边界刚接钢梁均优选为H型钢构件，截面高度优选为 500mm-800mm。

进一步地，所述次梁及水平支撑为屋面支撑构件，由屋盖环向铰接次梁、内环水平支撑钢拉杆和外环水平支撑钢拉杆组成；屋盖环向铰接次梁用于分割屋盖，沿径向箱型主钢梁环向多圈布置，次梁间距优选为3m-6m；屋盖环向铰接次梁截面优选为H型钢构件，截面高度优选为300mm-500mm。

进一步地，屋盖水平支撑包括沿环向整圈布置的内环水平支撑钢拉杆和外环水平支撑钢拉杆两组，内环水平支撑钢拉杆位于最内环的屋盖环向铰接次梁的内侧，外环水平支撑钢拉杆位于最外环的屋盖环向铰接次梁的外侧，用于加强结构体系的平面扭转刚度；内环水平支撑钢拉杆和外环水平支撑钢拉杆采用单斜杆斜支撑形式或交叉布置且两两不断开形式；钢拉杆的直径优选为20mm-40mm；水平支撑钢拉杆端节点的位置设置在径向箱型主钢梁上。

进一步地，所述内部正交小钢梁位于内环箱型主钢梁的内部，由X向正交小钢梁和Y向正交小钢梁所组成，为内环箱型主钢梁提供侧向支撑，并构成中心区域屋顶幕墙支撑构架。

进一步地，内部正交小钢梁优选为H型钢截面构件或箱型截面构件，截面高度优选为 200mm-500mm。

进一步地，径环向箱型主钢梁刚接节点处采用径环向箱型主钢梁节点内隔板进行加强，顶部梁柱刚接节点处采用梁柱刚接节点内隔板进行加强，内隔板厚度不小于对应构件壁厚；与内环水平支撑钢拉杆和外环水平支撑钢拉杆端部连接的径向箱型主钢梁内部也需增设内隔板，外侧焊接连接板进行连接。

进一步地，径向箱型主钢梁的弧形形式、内环箱型主钢梁的平面定位、箱型钢梁体系边界形状的设置均可根据建筑造型要求、功能空间、跨度和边界要求进行适当调整，并不会影响本发明外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构的各部件组成和构成方式。

这种内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构的构成方法，包括以下步骤：

S1、由径向箱型主钢梁的弧形大跨段和径向箱型主钢梁的变截面悬挑段组成弧形变截面的径向箱型主钢梁基本单元，外侧悬挑区延伸至径向箱型主钢梁的悬挑端；以结构体系的平面中心定位点为中心定位，沿环向旋转阵列布置生成多榀辐射状的径向箱型主钢梁结构；

S2、内环箱型主钢梁位于平面中部即径向箱型主钢梁内侧，并贯通连接径向箱型主钢梁的内环刚接端，并与步骤S1构成的多榀径向箱型主钢梁共同组成径环向箱型主钢梁组合主承载构件；内环箱型主钢梁与径向箱型主钢梁的内环刚接端连接处为径环向箱型主钢梁刚接节点，并通过径环向箱型主钢梁节点内隔板进行加强；

S3、在径向箱型主钢梁下方沿环向整圈布置箱型钢立柱，箱型钢立柱的底部为底部刚性支座，顶部为顶部梁柱刚接节点；顶部梁柱刚接节点的内部增设梁柱刚接节点内隔板进行加强；

S4、箱型钢立柱环向两侧设置局部的柱间交叉钢支撑，柱间交叉钢支撑的柱间钢支撑交叉节点处为一根贯通、一根断开设置，柱间钢支撑端部节点位于箱型钢立柱的底部或顶部，以加强结构体系整体抗侧刚度；

S5、柱间刚接钢梁在箱型钢立柱顶部沿环向整圈刚接布置，形成环形拉结钢梁，连接箱型钢立柱以加强整体刚度；外圈边界刚接钢梁在径向箱型主钢梁的悬挑端处沿环向整圈刚接布置，加强整体抗扭刚度，使得径向箱型主钢梁的悬挑端不至出现较大的平面扭转变形；

S6、设置屋盖环向铰接次梁以分割屋盖楼板，沿径向箱型主钢梁环向多圈等间隔布置；在最内环的屋盖环向铰接次梁内侧设置屋盖内环水平支撑钢拉杆，在最外环的屋盖环向铰接次梁外侧设置外环水平支撑钢拉杆，沿环向整圈布置，水平支撑钢拉杆端节点的位置设置在径向箱型主钢梁上；

S7、在内环箱型主钢梁的内部设置由X向正交小钢梁和Y向正交小钢梁组成的内部正交小钢梁，为内环箱型主钢梁提供侧向支撑，并构成中心区域屋顶幕墙支撑构架。

这种内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构在径向辐射状的立面弧形曲面建筑造型的大跨度、外悬挑复杂变截面箱型钢梁屋盖结构体系设计及承载中的应用，所述大跨度、外悬挑分别指最大跨度不小于40米、最大悬挑不小于15米的大空间屋盖建筑结构。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构，其结构体系构造合理，可以实现径向辐射状的立面弧形曲面建筑造型的大跨度、外悬挑复杂变截面箱型钢梁屋盖结构体系设计及承载，充分发挥外悬挑大跨箱型钢梁体系的高抗侧和抗扭转刚度、高承载性能及大跨度大悬挑的功能优点。

2、本发明的内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构以径环向箱型主钢梁组合和竖向支撑结构结合为中心支撑构架，连接柱间及边界刚接钢梁、铰接次梁及水平支撑以加强整体抗侧、抗扭刚度，并通过内部正交小钢梁构成中心区域屋顶幕墙支撑而形成整体受力体系，可达到在尽量减轻自重和控制承载性能的前提下，实现大跨度、外悬挑建筑造型及功能。

3、基于非线性极限承载性能分析，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，来进一步保证整体结构体系的合理有效。

4、本发明的内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构体系的构件组成模块明确，传力清晰，整体体系刚度大、承载力高、造型独特，在径向辐射状的立面弧形曲面建筑造型的大跨度、外悬挑复杂变截面箱型钢梁屋盖结构体系中具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明变截面箱型钢梁结构实施例的结构示意图(图1a-1f分别是本发明内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构实施例的整体结构示意图、径环向箱型主钢梁组合示意图、竖向支撑结构示意图、柱间及边界钢梁示意图、次梁及水平支撑示意图、内部正交小钢梁示意图)；

图2是本发明变截面箱型钢梁结构实施例的俯视平面图，即图1a中A-A剖切示意图；

图3是本发明变截面箱型钢梁结构实施例的剖切正视图，即图1a中B-B剖切示意图；

图4是本发明变截面箱型钢梁体系实施例的剖切左视图，即图1a中C-C剖切示意图；

图5是图2中单榀箱型钢梁结构(含对称2个单榀径向箱型主钢梁、2个箱型钢立柱和1 个内环箱型主钢梁)的D-D剖切侧视图；

图6a是图1a中径环向箱形主钢梁刚接节点的构造示意图，图6b是顶部梁柱刚接节点的构造示意图；

图7是变截面箱型钢梁结构实施例的各部件构成流程图；

图8是变截面箱型钢梁结构的双重非线性荷载收敛曲线图。

附图标记说明：1-径向箱型主钢梁的内环刚接端；2-径向箱型主钢梁的弧形大跨段；3- 径向箱型主钢梁的变截面悬挑段；4-径向箱型主钢梁的悬挑端；5-内环箱型主钢梁；6-径环向箱型主钢梁刚接节点；7-箱型钢立柱；8-底部刚性支座；9-顶部梁柱刚接节点；10-柱间交叉钢支撑；11-柱间钢支撑交叉节点；12-柱间钢支撑端部节点；13-柱间刚接钢梁；14-外圈边界刚接钢梁；15-屋盖环向铰接次梁；16-内环水平支撑钢拉杆；17-外环水平支撑钢拉杆； 18-水平支撑钢拉杆端节点；19-X向正交小钢梁；20-Y向正交小钢梁；21-平面中心定位点； 22-径环向箱型主钢梁节点内隔板；23-梁柱刚接节点内隔板。

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。

所述内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构的构件组成模块明确，传力清晰，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抗侧、抗扭转刚度，基于径环向箱型主钢梁组合和竖向支撑结构结合的中心支撑构架，连接柱间及边界钢梁、次梁及水平支撑以加强整体抗侧、扭转刚度，并通过内部正交小钢梁构成中心区域屋顶幕墙支撑的结构体系构成方案，实现径向辐射状的立面弧形曲面建筑造型大跨度、外悬挑复杂变截面箱型钢梁屋盖建筑结构及功能。

本发明的设计思路基于径环向箱型主钢梁组合和竖向支撑结构结合的中心支撑构架，并连接柱间及边界钢梁、次梁及水平支撑，以及设置内部正交小钢梁的整体受力模式：首先，结合多榀辐射状布置的外悬挑大跨弧形变截面径向箱型主钢梁和一榀内环交汇的等截面内环箱型主钢梁，组成径环向箱型主钢梁组合；其次，由箱型钢立柱、柱间钢支撑组成竖向抗侧力支撑结构，并与径环向箱型主钢梁组合共同构成中心支撑构架；接着，设置连接钢立柱的环向刚接钢梁、外圈边界连接径向箱型主钢梁的环向刚接钢梁以加强结构整体刚度，设置铰接次梁及水平支撑以分割屋盖并加强整体扭转刚度；然后，通过内部正交小钢梁的布置，为内环箱型主钢梁提供侧向支撑，同时构成中心区域的屋顶幕墙支撑构架；最后，通过非线性极限承载分析，并控制体系变形、构件应力等，保障结构体系的整体承载性能。

实施例一

如图1a-1f以及图2-图4所示，本发明的内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构包括径环向箱型主钢梁组合、竖向支撑结构、柱间及边界钢梁、次梁及水平支撑、内部正交小钢梁。所述径环向箱型主钢梁组合(图1b)为竖向主承载核心结构，以多榀辐射状布置的外悬挑大跨弧形变截面径向箱型主钢梁为主受力构件，并通过一榀等截面内环箱型主钢梁进行内环汇交设置，构成立面弧形曲面建筑造型的整体体系；所述竖向支撑结构(图1c)为水平抗侧力构件，由环向整圈箱型钢立柱、两侧局部柱间支撑组成，以支撑径环向箱型主钢梁组合，并与其共同构成中心支撑构架；所述柱间及边界钢梁(图1d)为加强整体刚度的刚接钢梁，包括连接钢柱的环向刚接钢梁、外圈边界连接径向箱型主钢梁的环向刚接钢梁；所述次梁及水平支撑(图1e)为屋面支撑构件，包括用于分割屋盖的铰接连接次梁、加强平面抗扭刚度的水平支撑；所述内部正交小钢梁(图1f)位于内环箱型主钢梁的内部并为其提供侧向支撑，同时构成中心区域屋顶幕墙支撑构架。平面中心定位点21位于箱型钢立柱7底端围合成的圆的中心。

如图1b、图2所示，所述径环向箱形主钢梁组合由径向箱形主钢梁、内环箱形主钢梁5 正交刚接组合而成；径向箱形主钢梁为竖向承载的主受力构件，以结构的平面中心定位点21 为中心点，沿环向间隔一定角度旋转阵列布置，间隔角度为10°-40°，外圈边界最大环向间隔距离为15m-20m。

如图1b、图5所示，单榀径向箱形主钢梁由径向箱型主钢梁的弧形大跨段2、径向箱型主钢梁的变截面悬挑段3所组成，分别对应柱内侧大跨区、柱外侧悬挑区；径向箱型主钢梁的弧形大跨段2主要设置为等截面箱形构件形式以考虑内部正弯矩、负弯矩的分布；径向箱型主钢梁的变截面悬挑段3的构件截面，对应内力变化为自径向箱型主钢梁的内环刚接端1 到径向箱型主钢梁的悬挑端4的渐变减小的变截面形式。

如图1b、图5所示，单榀径向箱形主钢梁的内环刚接端1刚接于内环箱型主钢梁5，单榀径向箱型主钢梁的变截面悬挑段3则支撑于箱型钢立柱7的顶部梁柱刚接节点9上并悬挑延伸至径向箱型主钢梁的悬挑端4，以有效减小中部的柱内侧大跨区构件挠度变形和应力；多榀辐射状布置的径向箱型主钢梁汇交于内环箱型主钢梁5，形成径环向箱型主钢梁刚接节点6，并设置径环向箱型主钢梁节点内隔板22进行加强。

如图1b、图2、图5所示，单榀径向箱形主钢梁基本单元设置为大跨度立面弧形形式，沿环向辐射状布置的各榀径向箱型主钢梁基本单元具体弧形定位对应建筑曲面造型可有所不同。

如图1b、图2、图5所示，内环箱形主钢梁5主要起到环向贯通连接多榀径向箱形主钢梁的内环刚接端1，并结合构成整体受力模式的作用，同时为内部正交小钢梁提供边界支撑，由沿内圈环向布置的一榀内环箱形主钢梁5组成；内环箱形主钢梁5为平面圆环形布置，由于其对称性采用等截面构件，主要承受环向轴拉力作用，内环两侧的径向箱型主钢梁为成对的对称设置。

如图1b、图5所示，整体结构体系的柱内侧最大跨度由中部的内环箱型主钢梁5的直径跨度和两侧的径向箱形主钢梁的弧形大跨段2的跨度所共同组成，最大跨度为40m-60m；径向箱型主钢梁的弧形大跨段2主要采用等截面构件形式，截面高度为该部分跨度的1/30-1/40，即1000mm-2000mm，截面宽度为300mm-500mm；悬挑段跨度为10m-20m，采用变截面构件渐变形式，自由端截面高度不小于600mm。内环箱型主钢梁5的截面为与径向箱形主钢梁的等截面段相同，使得环向结构刚度足够且便于节点连接。

如图1c、图3-图4所示，所述竖向支撑结构为水平抗侧力构件，包括环向间隔一定角度旋转阵列布置的整圈箱形钢立柱7、两侧局部的柱间交叉钢支撑10所组成；整圈箱型钢立柱 7沿环向均匀对称布置，顶部支撑在径向箱型主钢梁下方而形成顶部梁柱刚接节点9，节点内部增设梁柱刚接节点内隔板23进行加强；箱型钢立柱7的底部为底部刚性支座8，支撑在基础结构上；环向相邻的箱型钢立柱7之间通过柱间刚接钢梁13进行刚接连接，以提供侧向支撑并提高整体刚度。

如图1c、图2-图4所示，局部的柱间交叉钢支撑10设置于环向对称两侧，与屋盖的内环水平支撑钢拉杆16、外环水平支撑钢拉杆17共同构成斜支撑体系，以加强结构体系整体抗侧、抗扭转刚度；局部的柱间交叉钢支撑10为交叉支撑结构形式，柱间钢支撑交叉节点11处为一根贯通、一根分段连接形式，柱间钢支撑端部节点12位于箱型钢立柱的柱顶或柱底处，采用箱形截面或H型截面型钢构件；局部的柱间交叉钢支撑10与箱型钢立柱7的夹角为30°-60°。

如图1c、图5所示，箱型钢立柱7为箱形截面型钢，当轴压荷载较大时也可在型钢内部浇灌混凝土进行加强；箱形型钢截面边长为600mm-1000mm，壁厚20mm-50mm。

如图1a、图1d和图2所示，所述柱间及边界钢梁包括连接钢柱的柱间刚接钢梁13、连接径向箱型主钢梁悬挑端部的外圈边界刚接钢梁14；连接箱形钢立柱7的柱间刚接钢梁13 沿环向整圈设置，形成环形拉结钢梁；外圈边界刚接钢梁14沿环向也为整圈布置，使得径向箱形主钢梁的悬挑端4不至出现较大的平面扭转变形。

如图1a、图1d所示，柱间刚接钢梁13、外圈边界刚接钢梁14均为H型钢构件，截面高度为500mm-800mm。

如图1a、图1e和图2所示，所述次梁及水平支撑为屋面支撑构件，包括屋盖环向铰接次梁15、内环水平支撑钢拉杆16、外环水平支撑钢拉杆17；屋盖环向铰接次梁15用于分割屋盖，沿环向呈多圈布置，各圈次梁间距为3m-6m；次梁截面为H型钢构件，截面高度为300mm-500mm。

如图1e、图2所示，屋盖水平支撑由沿环向整圈布置的内环水平支撑钢拉杆16、外环水平支撑钢拉杆17组成，用于加强结构体系的平面扭转刚度；水平支撑钢拉杆端节点18的位置设置在径向箱型主钢梁上；水平支撑截面构件为钢拉杆构件，采用单斜杆斜支撑形式或交叉布置且两两不断开形式；钢拉杆直径为20mm-40mm。

如图1a、图1f和图2所示，内部正交小钢梁位于内环箱型主钢梁5的内部，由X向正交小钢梁19、Y向正交小钢梁20所组成，为内环箱型主钢梁5提供侧向支撑，并构成中心区域屋顶幕墙支撑构架。

如图1a、图1d所示，内部正交小钢梁为H型钢截面或箱型截面构件，截面高度为200mm-500mm。

如图1a、图6a-6b所示，径环向箱形主钢梁刚接节点6处，采用径环向箱型主钢梁节点内隔板22进行加强，径环向箱型主钢梁节点内隔板22的厚度不小于对应连接构件(径向箱型主钢梁的弧形大跨段2、内环箱型主钢梁5)的最大壁厚；箱型钢立柱7的顶部梁柱刚接节点9处，采用梁柱刚接节点内隔板23进行加强。水平支撑钢拉杆端部节点18处的径向箱型主钢梁内部也需增设内隔板，外侧焊接连接板进行连接。

径向箱形主钢梁的弧形形式、内环箱形主钢梁的平面定位、箱形钢梁体系边界形状的设置均可根据建筑造型要求、功能空间、跨度和边界要求进行适当调整，并不会影响本发明内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱形钢梁结构的各部件组成和构成式。

实施例二

如图7所示，所述内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱形钢梁结构的具体部件构成流程如下：

S1、由径向箱型主钢梁的弧形大跨段2和径向箱型主钢梁的变截面悬挑段3组成弧形变截面的径向箱型主钢梁基本单元，外侧悬挑区延伸至径向箱型主钢梁的悬挑端4；以结构体系的平面中心定位点21为中心定位，沿环向旋转阵列布置生成多榀辐射状的径向箱型主钢梁结构；

S2、内环箱型主钢梁5位于平面中部即径向箱型主钢梁内侧，并贯通连接径向箱型主钢梁的内环刚接端1，并与步骤S1构成的多榀径向箱型主钢梁共同组成径环向箱型主钢梁组合主承载构件；内环箱型主钢梁5与径向箱型主钢梁的内环刚接端1连接处为径环向箱型主钢梁刚接节点6，并通过径环向箱型主钢梁节点内隔板22进行加强；

S3、在径向箱型主钢梁下方沿环向整圈布置箱型钢立柱7，箱型钢立柱7的底部为底部刚性支座8，顶部为顶部梁柱刚接节点9；顶部梁柱刚接节点9的内部增设梁柱刚接节点内隔板23进行加强；

S4、箱型钢立柱7环向两侧设置局部的柱间交叉钢支撑10，柱间交叉钢支撑10的柱间钢支撑交叉节点11处为一根贯通、一根断开设置，柱间钢支撑端部节点12位于箱型钢立柱7的底部或顶部，以加强结构体系整体抗侧刚度；

S5、柱间刚接钢梁13在箱型钢立柱7顶部沿环向整圈刚接布置，形成环形拉结钢梁，连接箱型钢立柱7以加强整体刚度；外圈边界刚接钢梁14在径向箱型主钢梁的悬挑端4处沿环向整圈刚接布置，加强整体抗扭刚度，使得径向箱型主钢梁的悬挑端4不至出现较大的平面扭转变形；

S6、设置屋盖环向铰接次梁15以分割屋盖楼板，沿径向箱型主钢梁环向多圈等间隔布置；在最内环的屋盖环向铰接次梁15内侧设置屋盖内环水平支撑钢拉杆16，在最外环的屋盖环向铰接次梁15外侧设置外环水平支撑钢拉杆17，沿环向整圈布置，水平支撑钢拉杆端节点 18的位置设置在径向箱型主钢梁上；

S7、在内环箱型主钢梁5的内部设置由X向正交小钢梁19和Y向正交小钢梁20组成的内部正交小钢梁，为内环箱型主钢梁5提供侧向支撑，并构成中心区域屋顶幕墙支撑构架。

如图8所示，变截面箱型钢梁结构实施例的双重非线性荷载收敛曲线为极值点失稳破坏，失稳后不能继续承载，极限失稳荷载系数为2.22，具有较好的非线性稳定承载性能。其中，所施加初始缺陷为第1阶屈曲模态，缺陷幅值300mm，即箱型钢梁体系最大跨度60m的1/200，构件材料为理想弹塑性。

实施例三

本发明还提供一种内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱形钢梁结构在径向辐射状的立面弧形曲面建筑造型的大跨度、外悬挑复杂变截面箱型钢梁屋盖结构体系设计及承载中的应用，所述大跨度、外悬挑分别指最大跨度不小于40米、最大悬挑不小于15米的大空间屋盖建筑结构。

相比于现有技术的不足，本发明提供的一种内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱形钢梁结构基于径环向箱型主钢梁组合和竖向支撑结构结合的中心支撑构架，通过连接柱间及边界钢梁、次梁及水平支撑以加强整体抗侧、扭转刚度，通过内部正交小钢梁构成中心区域屋顶幕墙支撑，构成整体受力模式，可实现大跨度、外悬挑的复杂曲面建筑屋盖造型及功能。该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，可实现径向辐射状的立面弧形曲面建筑造型大跨度、外悬挑复杂变截面箱型钢梁屋盖结构体系设计及承载。基于非线性极限承载力性能分析，通过整体变形刚度、应力比承载、极限稳定等整体性能控制，可进一步保障本发明变截面箱形钢梁结构的大跨度大悬挑、高承载力、高整体刚度及复杂曲面屋盖造型优点。

Claims (10)

1.一种内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构，其特征在于：包括径环向箱型主钢梁组合、竖向支撑结构、柱间及边界钢梁、次梁及水平支撑和内部正交小钢梁；所述径环向箱型主钢梁组合为竖向主承载核心结构，由多榀辐射状布置的径向箱型主钢梁和一榀内环交汇的等截面的内环箱型主钢梁(5)组成，以多榀辐射状布置的径向箱型主钢梁为主受力构件，并通过一榀等截面的内环箱型主钢梁(5)进行内环汇交设置；所述竖向支撑结构为水平抗侧力构件，由环向整圈的箱型钢立柱(7)和两侧局部的柱间交叉钢支撑(10)组成；所述柱间及边界钢梁为加强整体刚度的刚接钢梁，包括连接钢柱的柱间刚接钢梁(13)和外圈边界连接径向箱型主钢梁的外圈边界刚接钢梁(14)；所述次梁及水平支撑为屋面支撑构件，包括用于分割屋盖的屋盖环向铰接次梁(15)和加强平面抗扭刚度的水平支撑；所述内部正交小钢梁位于内环箱型主钢梁(5)的内部。

2.根据权利要求1所述的内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构，其特征在于：所述径环向箱形主钢梁组合由径向箱型主钢梁和内环箱型主钢梁(5)正交刚接组合而成；径向箱型主钢梁为竖向承载的主受力构件，以平面中心定位点(21)为中心沿环向间隔10°-40°旋转阵列布置，外圈边界最大环向间隔距离为15m-20m；单榀径向箱型主钢梁基本单元均设置为大跨度立面弧形形式；单榀径向箱型主钢梁包括径向箱型主钢梁的弧形大跨段(2)和径向箱型主钢梁的变截面悬挑段(3)，径向箱型主钢梁的弧形大跨段(2)设置为等截面箱型构件形式，径向箱型主钢梁的变截面悬挑段(3)构件截面为变截面形式；单榀径向箱型主钢梁的内环刚接端(1)刚接于内环箱型主钢梁(5)；径向箱型主钢梁的变截面悬挑段(3)采用悬挑延伸形式并支撑于箱型钢立柱(7)顶部的顶部梁柱刚接节点(9)上。

3.根据权利要求2所述的内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构，其特征在于：内环箱型主钢(5)环向贯通连接多榀径向箱型主钢梁的内环刚接端(1)，内环箱型主钢梁(5)与径向箱型主钢梁的内环刚接端(1)相接处为径环向箱型主钢梁刚接节点(6)，径环向箱型主钢梁刚接节点(6)处设置径环向箱型主钢梁节点内隔板(22)；内环箱型主钢梁(5)为平面圆环形布置，采用等截面构件，内环两侧的径向箱型主钢梁为成对的对称设置。

4.根据权利要求3所述的内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构，其特征在于：整体结构体系的柱内侧最大空间跨度由中部的内环箱型主钢梁(5)的直径跨度和两侧的径向箱形主钢梁的弧形大跨段(2)的跨度组成，最大跨度为40m-60m；径向箱型主钢梁的弧形大跨段(2)的截面高度为该部分跨度的1/30-1/40，即1000mm-2000mm，截面宽度为300mm-500mm；径向箱型主钢梁的变截面悬挑段(3)的跨度为10m-20m，采用变截面构件渐变形式，并延伸至径向箱型主钢梁的悬挑端(4)，径向箱型主钢梁的悬挑端(4)截面高度不小于600mm；内环箱型主钢梁(5)的截面高度为与径向箱形主钢梁的弧形大跨段(2)的截面高度相同。

5.根据权利要求1所述的内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构，其特征在于：所述竖向支撑结构包括环向间隔一定距离旋转阵列布置的箱型钢立柱(7)和两侧局部的柱间交叉钢支撑(10)；整圈箱型钢立柱沿环向均匀对称布置，支撑在径向箱型主钢梁下方而形成顶部梁柱刚接节点(9)，箱型钢立柱(7)的底部为底部刚性支座(8)，顶部梁柱刚接节点(9)内部增设梁柱刚接节点内隔板(23)；箱型钢立柱(7)环向通过柱间刚接钢梁(13)刚接连接；柱间交叉钢支撑(10)设置于箱型钢立柱(7)的环向对称两侧，与屋盖的内环水平支撑钢拉杆(16)和外环水平支撑钢拉杆(17)共同构成斜支撑体系；柱间交叉钢支撑(10)为交叉支撑结构形式，一根贯通、一根分段连接，采用箱型截面或H型截面型钢构件；柱间交叉钢支撑(10)与箱型钢立柱(7)的夹角为30°-60°；箱型钢立柱(7)为箱型截面型钢，箱型型钢截面边长为600mm-1000mm，壁厚20mm-50mm。

6.根据权利要求1所述的内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构，其特征在于：所述柱间刚接钢梁(13)沿环向整圈设置，形成环形拉结钢梁；外圈边界刚接钢梁(14)沿环向整圈布置并连接径向箱型主钢梁的悬挑端(4)；柱间刚接钢梁(13)和外圈边界刚接钢梁(14)均为H型钢构件，截面高度为500mm-800mm。

7.根据权利要求1所述的内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构，其特征在于：所述次梁及水平支撑由屋盖环向铰接次梁(15)、内环水平支撑钢拉杆(16)和外环水平支撑钢拉杆(17)组成；屋盖环向铰接次梁(15)沿径向箱型主钢梁环向多圈布置，次梁间距为3m-6m；屋盖环向铰接次梁(15)截面为H型钢构件，截面高度为300mm-500mm；屋盖水平支撑包括沿环向整圈布置的内环水平支撑钢拉杆(16)和外环水平支撑钢拉杆(17)，内环水平支撑钢拉杆(16)位于最内环的屋盖环向铰接次梁(15)的内侧，外环水平支撑钢拉杆(17)位于最外环的屋盖环向铰接次梁(15)的外侧；内环水平支撑钢拉杆(16)和外环水平支撑钢拉杆(17)采用单斜杆斜支撑形式或交叉布置且两两不断开形式；钢拉杆的直径为20mm-40mm；水平支撑钢拉杆端节点(18)的位置设置在径向箱型主钢梁上，与内环水平支撑钢拉杆(16)和外环水平支撑钢拉杆(17)端部连接的径向箱型主钢梁内部增设内隔板，外侧焊接连接板。

8.根据权利要求1所述的内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构，其特征在于：所述内部正交小钢梁位于内环箱型主钢梁(5)的内部，由X向正交小钢梁(19)和Y向正交小钢梁(20)所组成；内部正交小钢梁为H型钢截面构件或箱型截面构件，截面高度为200mm-500mm。

9.一种如权利要求1所述的内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构的构成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、由径向箱型主钢梁的弧形大跨段(2)和径向箱型主钢梁的变截面悬挑段(3)组成弧形变截面的径向箱型主钢梁基本单元，外侧悬挑区延伸至径向箱型主钢梁的悬挑端(4)；以结构体系的平面中心定位点(21)为中心定位，沿环向旋转阵列布置生成多榀辐射状的径向箱型主钢梁；

S2、内环箱型主钢梁(5)位于径向箱型主钢梁内侧，并贯通连接径向箱型主钢梁的内环刚接端(1)，并与步骤S1构成的多榀径向箱型主钢梁共同组成径环向箱型主钢梁组合主承载构件；内环箱型主钢梁(5)与径向箱型主钢梁的内环刚接端(1)连接处为径环向箱型主钢梁刚接节点(6)，并通过径环向箱型主钢梁节点内隔板(22)进行加强；

S3、在径向箱型主钢梁下方沿环向整圈布置箱型钢立柱(7)，箱型钢立柱(7)的底部为底部刚性支座(8)，顶部为顶部梁柱刚接节点(9)；顶部梁柱刚接节点(9)的内部增设梁柱刚接节点内隔板(23)进行加强；

S4、箱型钢立柱(7)环向两侧设置局部的柱间交叉钢支撑(10)，柱间交叉钢支撑(10)的柱间钢支撑交叉节点(11)处为一根贯通、一根断开设置，柱间钢支撑端部节点(12)位于箱型钢立柱(7)的底部或顶部；

S5、柱间刚接钢梁(13)在箱型钢立柱(7)顶部沿环向整圈刚接布置，形成环形拉结钢梁，连接箱型钢立柱(7)；外圈边界刚接钢梁(14)在径向箱型主钢梁的悬挑端(4)处沿环向整圈刚接布置；

S6、设置屋盖环向铰接次梁(15)以分割屋盖楼板，沿径向箱型主钢梁环向多圈等间隔布置；在最内环的屋盖环向铰接次梁(15)内侧设置屋盖内环水平支撑钢拉杆(16)，在最外环的屋盖环向铰接次梁(15)外侧设置外环水平支撑钢拉杆(17)，沿环向整圈布置，水平支撑钢拉杆端节点(18)的位置设置在径向箱型主钢梁上；

S7、在内环箱型主钢梁(5)的内部设置由X向正交小钢梁(19)和Y向正交小钢梁(20)组成的内部正交小钢梁，为内环箱型主钢梁(5)提供侧向支撑，并构成中心区域屋顶幕墙支撑构架。

10.一种如权利要求1所述的内环交汇的外悬挑大跨弧形变截面箱型钢梁结构在径向辐射状的立面弧形曲面建筑造型的大跨度、外悬挑复杂变截面箱型钢梁屋盖结构体系设计及承载中的应用。

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