CN114541585A - 一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法 - Google Patents

一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法。本发明通过将传统的框架结构梁的弯剪变形转换为桁架轴向拉压二力杆变形，形成隔层桁架结构体系，具有高承载力，最终使新结构体系具有大空间、承载力高、造价低、施工周期短等明显优点。具体基于上述结构理论创新，涉及大空间多层装配式建筑技术领域，具体包括如下步骤：步骤一，确定建筑类型；步骤二，以满足功能为前提，研究合理的大空间结构布置形式；步骤三，以经济性为导向，研究最优的结构技术方案；步骤四，确定楼面、楼盖设计形式；步骤五，确定构件尺寸和配筋；步骤六，以确保结构安全为目的，进行整体结构演算；步骤七，对建筑及结构进行装配式建筑拆分设计。

Description

一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法
技术领域
本发明涉及大空间多层装配式建筑术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法。
背景技术
传统的大跨度多层钢筋混凝土框架结构厂房或仓储库房按现行建筑规范设计都存在柱间距偏小，普遍厂房柱间跨距多为九米或九米以下，这样的跨度已不能满足大型冷链运载车辆在其空间内的行走，如果柱间跨距超过九米以上，其建筑的经济性受到严重的冲击。为此，我们提出了一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法来解决上述问题。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法，以解决上述背景技术中提出的建筑的经济性受到严重的冲击问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法，具体包括如下步骤：
步骤一：确定建筑类型。按照建设单位提供的设计依据明确设计的大空间建筑物类型。如多层工业厂房，多层冷冻库，多层汽车停车场，大型多层音乐厅，多层高铁站、超长悬挑码头等；
步骤二：以满足功能为前提，研究合理的大空间结构布置形式。如图1所示，作为多层厂房，其中：奇数层为大空间，无需布置X 轴线方向桁架体系，而仅在偶数层布置X轴线方向桁架体系；有需要也可在XY两轴线方向布置桁架体系，等等场景。
步骤三，以经济性为导向，研究最优的结构技术方案。根据大空间多层建筑所需空间的大小需求，确定相应的大空间多层综合体的结构平面、立面尺寸，X、Y两轴线方向柱间距及其结构尺寸，以及桁架类型及其腹杆的形式；
步骤四：确定楼面、楼盖设计形式。根据步骤二、三确定的结构布置形式，合理的确定楼面、楼盖设计形式，以及梁板柱的连结方式；
步骤五：确定构件尺寸和配筋。以确保结构安全为目的，通过现有理论计算公式，有限元分析方法，进行整体结构演算，确定构件尺寸和配筋；
步骤六：以确保建筑安全，进行整体结构复核演算；
步骤七：对建筑及结构进行装配式建筑拆分设计。
在一个优选地实施方式中，步骤一中大空间多层建筑为南海岛礁的典型形状、大陆架预估所需贮存空间的大小需求而选择长悬挑码头的一种。
在一个优选地实施方式中，步骤二中结构布置形式包括叠合桁架结构体系、含桁架的巨型框架结构、巨型支撑框架结构，和带转换层与加强层的结构等。
在一个优选地实施方式中，步骤四中固定形式包括常规钢筋混凝土柱、钢管混凝土柱、型钢混凝土腹杆。
在一个优选地实施方式中，步骤五中工程设计分析软件工具为Midas、盈建科分析方式中的一种或两种的配合。
在一个优选地实施方式中，一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法，包括并列设置有多组的立柱，每组立柱的数量设置成至少两个，每组立柱中相邻两个立柱之间安装有连梁，沿立柱侧壁上阵列分布有若干个桁架结构，形成桁架结构体系。
在一个优选地实施方式中，所述桁架结构体系为隔层桁架结构体系，包括线性排列的若干个第一支撑架结构，第一支撑架结构包括上弦梁、下弦梁和轴向拉压二力腹杆，所述上弦梁位于轴向拉压二力腹杆的上方，所述下弦梁位于轴向拉压二力腹杆的下方，所述轴向拉压二力腹杆的上下两端分别与上下连梁和上下弦梁连接。
在一个优选地实施方式中，所述轴向拉压二力杆呈现“V”形结构，并由两个第一钢构件组成，两个第一钢构件相互靠近的端部均开设有可供第一钢构件的端部转动的第一转动槽，两个轴向拉压二力杆的“V”形尖端通过第一支撑转轴转动连接。
在一个优选地实施方式中，所述桁架结构体系为叠合桁架结构体系，包括沿着立柱表面阵列分布的若干个第二支撑架，所述第二支撑架包括上弦杆、下弦杆和支撑二力杆，所述上弦杆位于上方，所述下弦杆位于下方。
在一个优选地实施方式中，所述支撑二力腹杆的数量设置成至少一个，处于同一水平面上的支撑二力腹杆共用一个上弦杆和一个下弦杆，所述支撑二力腹杆呈现“V”形，包括两个第二钢构件，两个所述第二钢构件相互靠近的端部均开设有第二转动槽，所述支撑二力腹杆“V”形尖端相互靠近并通过第二支撑转轴转动连接。
本发明的技术效果和优点：
1、通过将传统的框架结构梁的弯剪变形转换为桁架轴向拉压二力杆变形，形成隔层桁架结构体系，与现有技术相比,由于桁架结构有较大的梁高，按照桁架内力与高跨比成反比的规律，由此形成桁架面作为主要受力面，具有高承载力，最终使新结构体系具有承载力高、大空间、造价低、施工周期短等明显优点。
2、通过传统的框架结构梁的弯剪变形转换为每层共用弦杆的叠合桁架结构体系，与现有技术相比，当上下楼层桁架采用叠合方式，在叠合处连成整体，产生“力对冲”效应，同时减少了结构内力，而整体结构具有更高的承载力，达到减少材料，降低造价，减少能耗的目的。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的具有隔层桁架结构体系的一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法的整体结构示意图。
图2为本发明提出的隔层桁架结构体系的结构示意图。
图3为本发明提出的第一支撑架结构示意图。
图4为本发明实施例2提出的叠合桁架结构体系的一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法的整体结构示意图。
图5为本发明实施例2提出的叠合桁架结构体系的一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法的部分结构示意图。
图6为本发明提出的叠合桁架结构体系的结构示意图。
图7为本发明提出的第二支撑架的结构示意图。
图8为本发明实施例3中厂房优化方案空间结构布置图。
图9为本发明实施例3中厂房优化方案正立面布置图。
图10为本发明实施例3中厂房优化方案侧立面布置图。
图11为本发明对比实施例1厂房空间布置图。
图12为本发明对比实施例1厂房标准层平面布置图。
图13为本发明对比实施例1厂房立面布置图。
图14为本发明对比实施例1厂房立面布置图。
图15为本发明整体方案的研究技术路线图。
附图标记为：1、立柱；2、连梁；3、上弦梁；4、下弦梁；5、第一钢构件；6、第一转动槽；7、第一支撑转轴；8、上弦杆；9、下弦杆；10、第二钢构件；11、第二转动槽；12、第二支撑转轴。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如附图1-3所示的一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法，包括并列设置的多组的立柱1，以立柱1作为整体厂房建筑的立柱结构，每组立柱1的数量设置成4个，每组立柱1中相邻两个立柱1之间安装有连梁2，连梁2沿立柱1方向上阵列分布有四层，不同高度的连梁2代表不同的楼层，抽柱隔层设桁架，纵向每排立柱的数量下降，并取消了现有技术中的伸缩缝，沿立柱1侧壁上阵列分布有若干个桁架结构，形成隔层桁架结构体系；
隔层桁架结构体系包括线性排列的若干个第一支撑架结构，处于同一水平面上的第一支撑架结构为桁架楼层，第一支撑架结构包括上弦梁3、下弦梁4和轴向拉压二力腹杆，上弦梁3位于轴向拉压二力腹杆的上方，下弦梁4位于轴向拉压二力腹杆的下方，轴向拉压二力腹杆的上下两端分别与连梁2和下弦梁4转动连接，轴向拉压二力腹杆呈现“V”形结构，并由两个第一钢构件5组成，两个第一钢构件 5相互靠近的端部均开设有可供第一钢构件5的端部转动的第一转动槽6，两个轴向拉压二力腹杆的“V”形尖端通过第一支撑转轴7转动连接，将现有结构梁的弯剪变形转换为轴向变形，充分利用混凝土梁的面内刚度，减小梁截面，提高材料利用率，降低成本。
实施例2
本实施例提供一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法，如附图4-7所示，包括并列设置有多组的立柱1，以立柱1作为整体厂房建筑的立柱结构，每组立柱1的数量设置成5个，每组立柱1中相邻两个立柱1之间安装有连梁2，不同高度的连梁2代表不同的楼层，连梁2沿立柱1方向上阵列分布有四层，不同高度的连梁2代表不同的楼层，抽柱隔层设桁架，沿立柱1侧壁上阵列分布有若干个桁架结构，形成叠合桁架结构体系；
叠合桁架结构体系包括沿着立柱1表面阵列分布的若干个第二支撑架，第二支撑架包括上弦杆8、下弦杆9和支撑二力腹杆，上弦杆8位于上方，下弦杆9位于下方，支撑二力腹杆的数量设置成2个，处于同一水平面上的支撑二力腹杆共用一个上弦杆8和一个下弦杆9，支撑二力杆呈现“V”形，包括两个第二钢构件10，两个第二钢构件10相互靠近的端部均开设有第二转动槽11，支撑二力杆“V”形尖端相互靠近并通过第二支撑转轴12转动连接，在桁架楼层，桁架沿纵向布置不影响生产线布置，桁架腹杆采用方钢管混凝土之间底部间距较大，空间较大，对厂房空间利用影响不大；桁架梁的抗力比实腹式结构梁大得多，从而使用该结构体系具有更高的承载力。无桁架楼层，整个楼面抽柱后空间更开阔，在承载力不降低的情况下获得非常可观的大空间效果。
实施例和实施例2中的大空间多层建筑为南海岛礁的典型形状、大陆架预估所需贮存空间的大小需求而选择长悬挑码头的一种，如图 15所示。
实施例3
本实施例提供一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法，某县新材料智造产业园B栋，为4层厂房建筑，厂房总长度为120.3米，总宽度50米；首层层高为6.3米，其余楼层高为5.1米，建筑总高为 21.6米。主体结构设计使用年限为50年，建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组第一组，抗震等级四级。主体结构采用沿纵向(即X方向)布置的多榀桁架结构体系，隔层设置桁架，桁架跨度25.2米，桁架高度同层高5.1米。横向(即Y方向)桁架榀距10米，结构总高度21.6米。空间结构布置图如图8所示，立面布置如图9、图10所示。
对比实施例1
本实施例提供一种大空间多层装配式建筑，某县新材料智造产业园A栋，为4层厂房建筑，厂房总长度为120.3米，总宽度50米；首层层高为6.3米，其余楼层高为5.1米，建筑总高为21.6米。主体结构设计使用年限为50年，建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组第一组，抗震等级四级。主体结构采用钢筋混凝土框架结构，X方向柱距为8.4 米，Y方向柱距为10米，框架总高21.6米。厂房空间布置图如图11 所示，标准层平面布置图如图12所示，立面布置如图13、图14所示。
实施例3和对比实施例1的对比数据如下所示：
(一)实施例3和对比实施例1的结构最大挠度及对比如表1所示(参数规范GB50010-2010第3.4.3条)
Figure RE-GDA0003612251330000081
Figure RE-GDA0003612251330000091
表1最大结构挠度对比 (二)实施例3和对比实施例1的结构杆件最大应力及对比如表2所示；
Figure RE-GDA0003612251330000092
表2最大应力对比
(三)对比实施例1与实施例3频率与自振周期及对比如表3所示。
Figure RE-GDA0003612251330000101
表3频率及自振周期 (四)对比实施例1与实施例3材料用量及对比如表4所示。
Figure RE-GDA0003612251330000102
Figure RE-GDA0003612251330000111
表4材料用量对比表
根据表1-4所示，通过迈达斯对对比实施例1和实施例3进行分析比较，得出以下结论：
(一)实施例3对对比实施例1中的10米开间设置不变，将8.4米的开间变成了25.2米，柱子数量大幅减少达60％，因此结构体系获得了大空间，增加使用面积；
(二)专利优化后板的承载力大幅提高；
(三)专利实施例3混凝土用量约减少20％，用钢量基本持平；
(四)专利实施例3采用钢-混凝土组合结构，柱子数量的减少以及基础体量变小，采用装配式施工，因此，大幅缩短了施工周期；
(五)专利实施例3节约总成本达10％以上；
(六)本专利的大空间多层建筑有利于装配式建筑的应用；
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤一：确定建筑类型。按照建设单位提供的设计依据明确设计的大空间建筑物类型。
步骤二：以满足功能为前提，研究合理的大空间结构布置形式。如图1所示，作为多层厂房，奇数层为大空间，无需布置X轴线方向桁架，而仅在偶数层布置X轴线方向桁架；也可在XY两轴线方向布置桁架。
步骤三，以经济性为导向，研究最优的结构技术方案。根据大空间多层建筑所需空间的大小需求，确定相应的大空间多层综合体的结构平面、立面尺寸，X、Y两轴线方向柱间距及其结构尺寸，以及桁架类型及其腹杆的形式。
步骤四：确定楼面、楼盖设计形式。根据步骤二、三确定的结构布置形式，合理的确定楼面、楼盖设计形式，以及梁板柱的连结方式。
步骤五：确定构件尺寸和配筋。以确保结构安全为目的，通过现有理论计算公式，有限元分析方法，进行整体结构演算，确定构件尺寸和配筋。
步骤六：以确保结构安全为目的，进行整体结构复核演算。
步骤七：对建筑及结构进行装配式建筑拆分设计。
2.根据权利要求1所述的一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法，其特征在于：步骤一中大空间多层建筑为南海岛礁的典型形状、大陆架预估所需贮存空间的大小需求而选择长悬挑码头的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法，其特征在于：步骤二中结构布置形式包括叠合桁架结构体系、巨型框架结构、巨型支撑框架结构，和带转换层与加强层的结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法，其特征在于：步骤三、四中固定形式包括常规钢筋混凝土柱、钢管混凝土柱，型钢、钢管混凝土腹杆。
5.根据权利要求1所述的一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法，其特征在于：步骤五、六中工程设计、计算分析、复核验算的软件工具为Midas、盈建科分析方式中的一种或两种的配合。
6.一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法，其特征在于：包括并列设置有多组的立柱(1)，每组立柱(1)的数量设置成至少两个，每组立柱(1)中相邻两个立柱(1)之间安装有连梁(2)，沿立柱(1)侧壁上阵列分布有若干个桁架结构，形成桁架结构体系。
7.根据权利要求6所述的一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法，其特征在于：所述桁架结构体系为隔层桁架结构体系，包括线性排列的若干个第一支撑架结构，第一支撑架结构包括上弦梁(3)、下弦梁(4)和轴向拉压二力腹杆，所述上弦梁(3)位于轴向拉压二力腹杆的上方，所述下弦梁(4)位于轴向拉压二力腹杆的下方，所述轴向拉压二力腹杆的上下两端分别与上下连梁(2)和上下弦梁连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法，其特征在于：所述轴向拉压二力杆呈现“V”形结构，并由两个第一钢构件(5)组成，两个第一钢构件(5)相互靠近的端部均开设有可供第一钢构件(5)的端部转动的第一转动槽(6)，两个轴向拉压二力杆的“V”形尖端通过第一支撑转轴(7)转动连接。
9.根据权利要求6所述的一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法，其特征在于：所述桁架结构体系为叠合桁架结构体系，包括沿着立柱(1)表面阵列分布的若干个第二支撑架，所述第二支撑架包括上弦杆(8)、下弦杆(9)和支撑二力腹杆，所述上弦杆(8)位于上方，所述下弦杆(9)位于下方。
10.根据权利要求9所述的一种基于大空间多层建筑的桁架结构设计方法，其特征在于：所述支撑二力腹杆的数量设置成至少一个，处于同一水平面上的支撑二力腹杆共用一个上弦杆(8)和一个下弦杆(9)，所述支撑二力腹杆呈现“V”形，包括两个第二钢构件(10)，两个所述第二钢构件(10)相互靠近的端部均开设有第二转动槽(11)，所述支撑二力腹杆“V”形尖端相互靠近并通过第二支撑转轴(12)转动连接。
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