CN202023255U - 一种钢-木混合张弦桁架结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种钢-木混合张弦桁架结构。其包括多根上弦杆、多根下弦杆、多根斜腹杆、多根竖向撑杆、下弦拉索、多个木杆连接件、多个钢杆连接件、多个拉索连接件、多个螺栓球节点、固定铰支座和滑动铰支座。上弦杆、下弦杆和斜腹杆两端分别安装木杆连接件，并利用多个螺栓球节点连接成上弦桁架。竖向撑杆上端安装钢杆连接件，下端安装拉索连接件，多个竖向撑杆的上端相隔距离安装在桁架下弦螺栓球节点上，下端相隔距离安装在下弦拉索上。对下弦拉索施加预应力后将其两端锚固在上弦桁架两端的下弦螺栓球节点上，从而形成张弦桁架结构。本实用新型提供的钢-木混合张弦桁架结构施工便捷，安全可靠，抗震性能更强，并且利于环保。

Description

一种钢-木混合张弦桁架结构

技术领域

[0001] 本实用新型属于建筑工程技术领域，特别是涉及一种大跨度预应力钢-木混合张弦桁架结构。

背景技术

[0002] 随着大跨度空间结构的发展，张弦桁架结构得到了广泛应用，在机场航站楼、国际会展中心、体育场馆及收费站等公共建筑中均出现了其应用实例。张弦桁架结构是一种新型的预应力钢结构形式，主要由上弦桁架、竖向撑杆和下弦拉索构成；而上弦桁架则是由多根上弦杆、多根下弦杆和多根斜腹杆构成，具有受力合理、刚度大、重量轻等特点。当张拉下弦拉索后，上弦桁架将起拱至设计形状而使杆件受力，从而可有效地控制使用过程中的变形。但受材料力学性能的限制，目前上弦桁架杆件和竖向撑杆的材料均选用钢材，而木材用于张弦桁架的实例或研究却鲜见报道。因此，如果能选用木材作为张弦桁架的构件，不但能扩大木结构的应用领域、拓宽空间结构的选材范围，而且还可推动绿色环保建筑的进一步发展。

[0003] 木材是一种资源丰富且已广为应用的可再生材料，木结构房屋在我国更是有着悠久的历史。中国发明专利申请第201010574641. X和第201020672152. 3号中分别公开了一种由本发明申请人提出的木结构矩形平板网架和钢-木混合抽空四角锥网架，虽然上述网架具有绿色环保、抗震性好等优点，但在应用到大跨度空间结构（如50米〜100米跨度） 时就需要较多的结构柱作为支点，同时网架的厚度也将增大，因此在一定程度上会影响建筑的使用功能。因此，有必要研究木材在张弦桁架结构中的应用。

发明内容

[0004] 为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种施工便捷、安全可靠、抗震性好的钢-木混合张弦桁架结构。

[0005] 为了达到上述目的，本实用新型提供的钢-木混合张弦桁架结构包括多根上弦杆、多根下弦杆、多根斜腹杆、多根竖向撑杆、下弦拉索、多个木杆连接件、多个钢杆连接件、 多个螺栓球节点、多个拉索连接件、固定铰支座和滑动铰支座；其中每根上弦杆、下弦杆和斜腹杆的两端分别安装有一个木杆连接件，带有木杆连接件的多根上弦杆、多根下弦杆和多根斜腹杆利用多个螺栓球节点连接成传统结构的上弦桁架；多根竖向撑杆相隔距离设置在上弦桁架的下部，每根竖向撑杆的上端分别通过一个钢杆连接件与位于上弦桁架下弦的螺栓球节点相连，下端分别连接有一个拉索连接件；下弦拉索的中部同时与多个拉索连接件相连接，而其两端则连接在上弦桁架的两端；所述的木杆连接件包括钢套箍、端板、锥头和箍筋；其中钢套箍套装在上弦杆、下弦杆及斜腹杆的端部外圆周面上；端板安装在钢套箍的外端面上；锥头为空心圆台结构，其上底面中部形成有一个圆孔，下底面呈开口状，并且下底面边缘连接在端板的外端边缘上；箍筋缠绕在钢套箍的外圆周面上，用于将钢套箍和上弦杆、下弦杆或斜腹杆箍紧；所述的钢杆连接件包括与木杆连接件上同一部件具有相同结构的端板和锥头；其中端板安装在竖向撑杆的外端面上，锥头的下底面边缘连接在端板的外端边缘上；每个螺栓球节点包括多个高强螺栓、多个封板、多个套筒、多个销钉和一个钢球；其中高强螺栓上的螺杆贯穿设置在锥头上的圆孔内，并且螺栓头位于锥头的内部， 同时螺杆的中部外圆周面上沿径向形成有一个盲孔；封板安装在锥头的上底面外部，并且中心部位形成有一个螺杆孔；套筒套在高强螺栓上位于封板外侧的螺杆上，并且套筒的圆周面上贯穿形成有一个销钉孔；销钉的前端穿过套筒上的销钉孔后插入在高强螺栓上的盲孔内；钢球上形成有多个圆孔，用于插入多个高强螺栓上螺杆的前端；所述的拉索连接件的中部形成有一个拉索贯穿孔，其顶部向外突出形成有一个用于连接竖向撑杆下端的连接柱；固定铰支座的上端安装在位于上弦桁架一端下弦的螺栓球节点的钢球上，下端固定在相应结构柱的顶部；滑动铰支座的上端安装在位于上弦桁架另一端下弦的螺栓球节点的钢球上，下端则以可移动的方式设置在相应结构柱的顶部。

[0006] 所述的上弦杆、下弦杆和斜腹杆的两端外圆周面上沿其圆周方向相隔距离形成有多道凹槽，而钢套箍的内圆周面上沿其圆周方向突出形成有多圈能够分别嵌入在上述多道凹槽内的凸缘。

[0007] 本实用新型提供的钢-木混合张弦桁架结构具有如下优点：1)抗震性能好：经过有限元软件ANSYS的模拟计算分析，证明本结构具有可靠的抗震性能。2)本结构采用木材作为上弦桁架杆件，采用钢材作为竖向撑杆，这样能够充分发挥钢材极限强度高、木材顺纹强度好的优点，从而可以进一步扩大木结构的应用范围。3)便于施工：由于减少了钢材用量，因此可减少施工现场的机械设备数量，另外，由于木杆件的重量轻，因此可以降轻操作人员的劳动强度，提高工作效率，同时还可减少施工人员的数量。4)安全性高：计算表明， 地震作用下钢-木混合张弦桁架结构竖向位移小于同截面面积的钢结构张弦桁架结构，所以钢-木混合张弦桁架结构的安全性好。5)绿色环保：由于我国木材资源丰富，价格低，选材便利且绿色环保，属于可再生资源，因此使用钢-木混合张弦桁架结构的经济优势和环保优势也非常显著。

附图说明

[0008] 图1为本实用新型提供的钢-木混合张弦桁架结构侧视图。

[0009] 图2为本实用新型提供的钢-木混合张弦桁架结构立体图。

[0010] 图3为本实用新型提供的钢-木混合张弦桁架结构中安装在上弦杆、下弦杆和斜腹杆上的木杆连接件示意图。

[0011] 图4为本实用新型提供的钢-木混合张弦桁架结构中螺栓球节点位置结构示意图。

[0012] 图5为本实用新型提供的钢-木混合张弦桁架结构中拉索连接件结构示意图。 具体实施方式

[0013] 下面结合附图和具体实施例对本实用新型提供的钢-木混合张弦桁架结构进行详细说明。

[0014] 如图1-图5所示，本实用新型提供的钢-木混合张弦桁架结构包括多根上弦杆1、 多根下弦杆2、多根斜腹杆3、多根竖向撑杆4、下弦拉索5、多个木杆连接件6、多个钢杆连接件、多个螺栓球节点8、多个拉索连接件9、固定铰支座10和滑动铰支座11 ；其中每根上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3的两端分别安装有一个木杆连接件6，带有木杆连接件6的多根上弦杆1、多根下弦杆2和多根斜腹杆3利用多个螺栓球节点8连接成传统结构的上弦桁架；多根竖向撑杆4相隔距离设置在上弦桁架的下部，每根竖向撑杆4的上端分别通过一个钢杆连接件与位于上弦桁架下弦的螺栓球节点8相连，下端分别连接有一个拉索连接件 9 ；下弦拉索5的中部同时与多个拉索连接件9相连接，而其两端则连接在上弦桁架的两端； 所述的木杆连接件6包括钢套箍12、端板13、锥头14和箍筋15 ；其中钢套箍12套装在上弦杆1、下弦杆2及斜腹杆3的端部外圆周面上；端板13安装在钢套箍12的外端面上；锥头14为空心圆台结构，其上底面中部形成有一个圆孔16，下底面呈开口状，并且下底面边缘连接在端板13的外端边缘上；箍筋15缠绕在钢套箍12的外圆周面上，用于将钢套箍12 和上弦杆1、下弦杆2或斜腹杆3箍紧；所述的钢杆连接件包括与木杆连接件6上同一部件具有相同结构的端板13和锥头14 ；其中端板13安装在竖向撑杆4的外端面上，锥头14的下底面边缘连接在端板13的外端边缘上；每个螺栓球节点8包括多个高强螺栓17、多个封板18、多个套筒19、多个销钉20和一个钢球21 ；其中高强螺栓17上的螺杆贯穿设置在锥头14上的圆孔16内，并且螺栓头位于锥头14的内部，同时螺杆的中部外圆周面上沿径向形成有一个盲孔；封板18安装在锥头14的上底面外部，并且中心部位形成有一个螺杆孔； 套筒19套在高强螺栓17上位于封板18外侧的螺杆上，并且套筒19的圆周面上贯穿形成有一个销钉孔；销钉20的前端穿过套筒19上的销钉孔后插入在高强螺栓17上的盲孔内； 钢球21上形成有多个圆孔，用于插入多个高强螺栓17上螺杆的前端；所述的拉索连接件9 的中部形成有一个拉索贯穿孔7，其顶部向外突出形成有一个用于连接竖向撑杆4下端的连接柱22 ；固定铰支座10的上端安装在位于上弦桁架一端下弦的螺栓球节点8的钢球21 上，下端固定在相应结构柱的顶部；滑动铰支座11的上端安装在位于上弦桁架另一端下弦的螺栓球节点8的钢球21上，下端则以可移动的方式设置在相应结构柱的顶部。

[0015] 所述的上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3的两端外圆周面上沿其圆周方向相隔距离形成有多道凹槽，而钢套箍12的内圆周面上沿其圆周方向突出形成有多圈能够分别嵌入在上述多道凹槽内的凸缘。

[0016] 所述的上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3为木材，竖向撑杆4为钢材。

[0017] 本实用新型提供的钢-木混合张弦桁架结构组装过程如下：在上弦杆1、下弦杆2 和斜腹杆3上安装木杆连接件6的方法是首先将高强螺栓17上的螺杆从锥头14的内部贯穿过圆孔16，然后将钢套箍12安装在上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3的外端圆周面上，并使上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3上的凹槽与钢套箍12上的凸缘对齐并卡紧，之后将箍筋15 缠绕在钢套箍12的外圆周面上，用于将钢套箍12和上弦杆1或下弦杆2或斜腹杆3箍紧， 然后将端板13焊接在钢套箍12的外端面上，最后将装有高强螺栓17的锥头14下底面边缘焊接在端板13的外端圆周上。在竖向撑杆4的上端安装钢杆连接件的方法是将端板13 直接焊接在竖向撑杆4的上端面上，然后将装有高强螺栓17的锥头14下底面边缘焊接在端板13的外端圆周上。之后将封板18上的螺杆孔贯穿高强螺栓17上的螺杆而放置在锥头 14的上底面外部，然后在螺杆上套上套筒19，最后将螺杆的前端插入在钢球21上的一个圆孔内，并采用销钉20贯穿套筒19上销钉孔及高强螺栓17上盲孔的方法将上弦杆1、下弦杆 2和斜腹杆3通过钢球21连接在一起，多个不同空间角度的木杆连接件4和/或钢杆连接件连接于一个螺栓球节点8上。在竖向撑杆4的下端安装拉索连接件9的方法是将竖向撑杆4的下端直接焊接在拉索连接件9上的连接柱22上端。最后，将下弦拉索5贯穿所有拉索连接件9上的拉索贯穿孔7，并将下弦拉索5的一端锚固在位于上弦桁架一端下弦的螺栓球节点8的钢球21上，然后张拉下弦拉索5的另一端以使其达到设计荷载后将其锚固在位于上弦桁架另一端下弦的螺栓球节点8的钢球21上，从而形成张弦桁架结构的主体。最后再将固定铰支座10的上端安装在位于上弦桁架一端下弦的螺栓球节点8的钢球21上，下端固定在相应的结构柱顶部，将滑动铰支座7的上端安装在位于上弦桁架另一端下弦的螺栓球节点8的钢球21上，下端以可移动的方式设置在相应结构柱的顶部，由此形成钢-木混合张弦桁架结构。

[0018] 为了分析本实用新型提供的钢-木混合张弦桁架结构的抗震性能，本申请人利用有限元软件ANSYS比较了相同外观形状和截面尺寸的钢-木混合结构和钢结构张弦桁架在水平地震波作用下8s内的竖向位移最大值，结果见表1。由表1可见，本实用新型提供的钢-木混合张弦桁架结构在地震作用下的位移变化幅值小于钢结构张弦桁架结构，由此可以证明钢-木混合张弦桁架结构受震害的影响和对屋面材料的破坏较小。可见，本实用新型提供的钢-木混合张弦桁架结构具有更好的抗震性能，安全可靠。

[0019] 表 1

[0020]

Claims (2)

1. 一种钢-木混合张弦桁架结构，其特征在于：所述的钢-木混合张弦桁架结构包括多根上弦杆（1)、多根下弦杆⑵、多根斜腹杆(3)、多根竖向撑杆(4)、下弦拉索(5)、多个木杆连接件（6)、多个钢杆连接件、多个螺栓球节点（8)、多个拉索连接件（9)、固定铰支座 (10)和滑动铰支座（11)；其中每根上弦杆（1)、下弦杆（2)和斜腹杆（3)的两端分别安装有一个木杆连接件（6)，带有木杆连接件（6)的多根上弦杆（1)、多根下弦杆（¾和多根斜腹杆⑶利用多个螺栓球节点⑶连接成传统结构的上弦桁架；多根竖向撑杆⑷相隔距离设置在上弦桁架的下部，每根竖向撑杆的上端分别通过一个钢杆连接件与位于上弦桁架下弦的螺栓球节点（8)相连，下端分别连接有一个拉索连接件（9)；下弦拉索（5)的中部同时与多个拉索连接件（9)相连接，而其两端则连接在上弦桁架的两端；所述的木杆连接件(6)包括钢套箍（12)、端板（13)、锥头(14)和箍筋(15)；其中钢套箍(12)套装在上弦杆⑴、下弦杆(2)及斜腹杆(3)的端部外圆周面上；端板(13)安装在钢套箍(12)的外端面上；锥头（14)为空心圆台结构，其上底面中部形成有一个圆孔（16)，下底面呈开口状， 并且下底面边缘连接在端板（1¾的外端边缘上；箍筋（1¾缠绕在钢套箍（1¾的外圆周面上，用于将钢套箍（12)和上弦杆（1)、下弦杆（2)或斜腹杆（3)箍紧；所述的钢杆连接件包括与木杆连接件（6)上同一部件具有相同结构的端板（13)和锥头（14)；其中端板（13)安装在竖向撑杆⑷的外端面上，锥头（14)的下底面边缘连接在端板（13)的外端边缘上；每个螺栓球节点（8)包括多个高强螺栓（17)、多个封板（18)、多个套筒（19)、多个销钉00) 和一个钢球；其中高强螺栓（17)上的螺杆贯穿设置在锥头（14)上的圆孔（16)内，并且螺栓头位于锥头（14)的内部，同时螺杆的中部外圆周面上沿径向形成有一个盲孔；封板 (18)安装在锥头（14)的上底面外部，并且中心部位形成有一个螺杆孔；套筒（19)套在高强螺栓（17)上位于封板（18)外侧的螺杆上，并且套筒（19)的圆周面上贯穿形成有一个销钉孔；销钉OO)的前端穿过套筒（19)上的销钉孔后插入在高强螺栓（17)上的盲孔内；钢球上形成有多个圆孔，用于插入多个高强螺栓（17)上螺杆的前端；所述的拉索连接件 (9)的中部形成有一个拉索贯穿孔（7)，其顶部向外突出形成有一个用于连接竖向撑杆（4) 下端的连接柱02)；固定铰支座（10)的上端安装在位于上弦桁架一端下弦的螺栓球节点 (8)的钢球上，下端固定在相应结构柱的顶部；滑动铰支座（11)的上端安装在位于上弦桁架另一端下弦的螺栓球节点（8)的钢球上，下端则以可移动的方式设置在相应结构柱的顶部。

2.根据权利要求1所述的钢-木混合张弦桁架结构，其特征在于：所述的上弦杆（1)、 下弦杆（2)和斜腹杆（3)的两端外圆周面上沿其圆周方向相隔距离形成有多道凹槽，而钢套箍（1¾的内圆周面上沿其圆周方向突出形成有多圈能够分别嵌入在上述多道凹槽内的凸缘。