CN202108115U

CN202108115U - 一种竹结构张弦桁架

Info

Publication number: CN202108115U
Application number: CN2011201864169U
Authority: CN
Inventors: 武志玮; 刘国光
Original assignee: Civil Aviation University of China
Current assignee: Civil Aviation University of China
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2021-06-03

Abstract

本实用新型公开了一种竹结构张弦桁架。它包括多根上弦杆、多根下弦杆、多根斜腹杆、多个杆件连接件、多个螺栓球节点、多个竖向撑杆、下弦拉索、滑动铰支座和固定铰支座，其中每根竹材上弦杆、下弦杆和斜腹杆的两端分别安装有一个杆件连接件，利用螺栓球节点连接成上弦桁架。下弦拉索两端连接到上弦桁架两端的下弦钢球上，竖向撑杆上端相隔距离安装在上弦桁架的下弦钢球上，下端连接在下弦拉索上，固定铰支座和滑动铰支座分别安装在上弦桁架两端的下弦钢球上。对下弦拉索施加预应力，即可形成竹结构张弦桁架。这种竹结构张弦桁架与钢结构张弦桁架相比，拉索受力更小，抗震性能更强，安全性能更优越。

Description

一种竹结构张弦桁架

技术领域

本实用新型属于建筑结构技术领域，特别是一种竹结构张弦桁架。

背景技术

随着大跨度空间钢结构的发展，张弦桁架结构也得到了广泛应用，如浦东国际机场航站楼一期、广州国际会展中心均采用了大跨度张弦桁架屋盖。张弦桁架主要由上弦桁架、多根竖向撑杆和下弦拉索构成，具有结构受力合理、刚度大、重量轻等优点，当张拉下弦拉索后，上弦桁架将起拱至设计形状，同时竖向撑杆开始受力，因此可有效地控制使用中的变形。但受材料力学性能的限制，目前上弦桁架和撑杆的材料均选用钢材，而其它材料用于张弦桁架的实例及研究结果尚未见报道。

在我国，竹材是一种资源丰富的可再生材料，其天然结构为圆管状，如能将其应用于张弦桁架结构，将会极大地拓宽竹结构的应用领域及空间结构的选材范围，由此推动绿色环保建筑的发展。竹材的成长周期短，具有较好的抗拉、压强度，因此是一种天然环保的绿色建材，并且在我国少数民族地区早已得到广泛应用。竹结构常见的节点连接方式为绑扎、榫卯、螺栓、套筒、槽口，并较多用于临时建筑。但是，由于竹竿自然生长过程会形成生理弯曲，因此在一定程度上影响了其力学性能，从而限制了其使用范围。

随着低碳环保的绿色建筑理念深入人心，竹结构已得到了广泛关注和充分研究并已取得了阶段性成果。授权公告号为2001221154Y，名称为“弯曲型竹结构建筑模块”和授权公告号为2001221152Y，名称为“竹结构建筑模块”的中国专利文献中公开的技术方案都是利用多种竹片基本构件组合成的模块再搭建成构筑物，可发挥竹结构成本低、强度高且方便拼装的特点。授权公告号为2761727Y，名称为“用于傣家竹楼的原竹结构节点”的中国专利文献中介绍了用于傣家竹楼的原竹节点，其中一字型、T型、X型、L型节点等均由一根或多根原竹完整贯穿节点，原竹与柱脚连接中用锚栓与金属杯口焊接后于金属杯口内灌注水泥砂浆，给出了竹节点加强的一种方案。《结构工程师》2009，25(1)：51-54中“德中同行”竹结构展馆的材料试验与结构分析”一文介绍了某项目中竹材的抗拉、抗压、抗弯性能。《自然灾害学报》2009，18(3)：14-18中“现代竹结构在汶川地震灾后重建中的应用”、《建筑结构》2010，40(1)：92-96中“现代竹结构人行天桥的研发和建造”以及《第18届全国结构工程学术会议论文集》2009，III516-522中“现代竹结构车行桥梁的建造与研究”分别介绍了胶合竹板技术在临时用房、4.8m跨人行天桥及10m跨车行桥梁结构设计中的应用。《世界建筑》2010(2)：64-69中“INTEGER现代复合竹结构建筑”一文介绍了240mm×450mm的12m跨弧形竹集成材主梁在某公共建筑中的应用。《南京林业大学学报》(自然科学版)2008，32(3)：67-70中“竹结构材连接件的承载力”一文公开了利用静载试验来研究竹结构材螺栓连接件的承载力和破坏形态，并且验证了采用竹结构材连接件的结构具有较高的强度、刚度及延性。在大跨度竹结构方面，《河北农业大学学报》1963，2(1)：52-57中“大跨度竹结构的研究”一文介绍了20m跨度竹三铰桁架的设计。此后，大跨度空间竹结构方面的相关研究就鲜有提及，利用竹材作为大跨度空间结构受力构件的研究更是少见。这主要是因为竹材存在生理弯曲，脱水后材料力学性能离散性较大，尤其是节点连接位置受力复杂，因此极易引起竹材沿顺纹方向劈裂而造成节点破坏，从而降低了结构的可靠度。

因此，目前竹结构较多应用于重要性低的临时建筑中，或经过粉碎加工后与木材等混合制成新型建筑板材，而直接使用竹材作为建筑受力构件的案例并不多见。如何既能加强竹结构连接节点、提高节点连接的可靠性，又能充分发挥竹材的力学性能特点，便于精确分析计算，就成为制约竹材应用于张弦桁架结构的关键问题。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种抗震性能好、便于施工、安全性高、绿色环保且经济性好的竹结构张弦桁架。

为了达到上述目的，本实用新型提供的竹结构张弦桁架包括多根上弦杆、多根下弦杆、多根斜腹杆、多个杆件连接件、多个螺栓球节点、多个竖向撑杆、下弦拉索、滑动铰支座和固定铰支座；其中作为杆件的上弦杆、下弦杆、斜腹杆和竖向撑杆均采用竹材制成，每根杆件的两端分别安装有一个杆件连接件，带有杆件连接件的多根杆件利用多个螺栓球节点连接成上弦桁架；所述的杆件连接件包括钢套箍、端板、锥头、箍筋、混凝土灌芯、多根预埋钢筋和十字加强筋；其中十字加强筋插入在杆件端部预留的十字孔内；钢套箍套装在杆件端部外圆周面上；混凝土灌芯由灌注在杆件端部自然形成的空腔内的混凝土凝固后而形成；多根预埋钢筋沿轴向插入在混凝土灌芯的内部，并且外端与端板的内表面相连接；端板呈圆形，其外部圆周固定在钢套箍的外端边缘处；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部圆周上；箍筋缠绕在钢套箍的外圆周面上，用于将钢套箍和杆件箍紧；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；下弦拉索的两端连接在上弦桁架两端的下弦钢球上，并且施加有预应力；竖向撑杆的上端分别安装在上弦桁架的多个下弦钢球上，下端连接在下弦拉索上；固定铰支座的上端安装在上弦桁架一端的下弦钢球上，下端固定在建筑物一侧的结构柱顶部；滑动铰支座的上端安装在上弦桁架另一端的下弦钢球上，下端以可移动的方式设置于建筑物另一侧的结构柱顶部，由此构成一榀竹结构张弦桁架。

所述的上弦杆、下弦杆、斜腹杆和竖向撑杆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。

本实用新型提供的竹结构张弦桁架具有如下优点：1)抗震性能好：经通用有限元分析软件ANSYS计算后发现，大跨度空间竹结构单根竹构件受力和结构静、动力变形均能满足使用要求，具有较好的抗震性能。2)便于施工：由于竹材密度小，杆件拼接可由单个工人即可完成，从而可降低工作人员的劳动强度和工作面上人员密度，对提高施工质量和加快施工速度有益。同时，经计算，结构找形所需拉索拉力较小，便于现场张拉施工操作。3)安全性高：经计算后发现，地震作用下竹结构张弦桁架竖向位移小于同杆件截面的钢结构张弦桁架，表明地震作用下竹结构张弦桁架对屋面材料的破坏较小，安全性高。4)绿色环保、经济性好：由于我国竹资源丰富，选材便利且绿色环保，竹材价格低且属于可再生资源，因此使用竹结构张弦桁架的经济优势和环保优势都较为突出。

附图说明

图1为本实用新型提供的竹结构张弦桁架结构侧视图。

图2为本实用新型提供的竹结构张弦桁架结构立体图。

图3为图1示出的竹结构张弦桁架中竹构件端部纵向结构剖视图。

图4为图1示出的竹结构张弦桁架中杆件端部横向截面结构示意图。

图5为由四根竹构件连接成的节点结构示意图。

图6为由多榀图1示出的竹结构张弦桁架构成的竹结构张弦桁架屋顶结构立体图。

其中：上弦杆1、下弦杆2、斜腹杆3、杆件连接件4、螺栓球节点5、竖向撑杆6、下弦拉索7、滑动铰支座8、固定铰支座9、钢套箍10、端板11、锥头12、箍筋13、混凝土灌芯14、预埋钢筋15、十字加强筋16、圆孔17、高强螺栓18、封板19、套筒20、销钉21、钢球22

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本实用新型提供的竹结构张弦桁架进行详细说明。

如图1-图5所示，本实用新型提供的竹结构张弦桁架包括多根上弦杆1、多根下弦杆2、多根斜腹杆3、多个杆件连接件4、多个螺栓球节点5、多个竖向撑杆6、下弦拉索7、滑动铰支座8和固定铰支座9；其中作为杆件的上弦杆1、下弦杆2、斜腹杆3和竖向撑杆6均采用竹材制成，每根杆件的两端分别安装有一个杆件连接件4，带有杆件连接件4的多根杆件利用多个螺栓球节点5连接成上弦桁架；所述的杆件连接件4包括钢套箍10、端板11、锥头12、箍筋13、混凝土灌芯14、多根预埋钢筋15和十字加强筋16；其中十字加强筋16插入在杆件端部预留的十字孔内；钢套箍10套装在杆件端部外圆周面上；混凝土灌芯14由灌注在杆件端部自然形成的空腔内的混凝土凝固后而形成；多根预埋钢筋15沿轴向插入在混凝土灌芯14的内部，并且外端与端板11的内表面相连接；端板11呈圆形，其外部圆周固定在钢套箍10的外端边缘处；锥头12为空心圆台结构，其上底面中部形成有一个圆孔17，下底面呈开口状，并且下底面边缘连接在端板11的外部圆周上；箍筋13缠绕在钢套箍10的外圆周面上，用于将钢套箍10和杆件箍紧；每个螺栓球节点5包括多个高强螺栓18、多个封板19、多个套筒20、多个销钉21和一个钢球22，其中高强螺栓18上的螺杆贯穿设置在锥头12上的圆孔17内，并且螺栓头位于锥头12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19安装在锥头12的上底面外部，并且中心部位形成有一个螺杆孔；套筒20套在高强螺栓18上位于封板19外侧的螺杆上，并且套筒20的圆周面上贯穿形成有一个销钉孔；销钉21的前端穿过套筒20上的销钉孔后插入在高强螺栓18上的盲孔内；钢球22上形成有多个圆孔，用于插入多个高强螺栓18上螺杆的前端；下弦拉索7的两端连接在上弦桁架两端的下弦钢球22上，并且施加有预应力；竖向撑杆6的上端分别安装在上弦桁架的多个下弦钢球22上，下端连接在下弦拉索7上；固定铰支座9的上端安装在上弦桁架一端的下弦钢球22上，下端固定在建筑物一侧的结构柱顶部；滑动铰支座8的上端安装在上弦桁架另一端的下弦钢球22上，下端以可移动的方式设置于建筑物另一侧的结构柱顶部，由此构成一榀竹结构张弦桁架。

所述的上弦杆1、下弦杆2、斜腹杆3和竖向撑杆6两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。

图6为由多榀图1示出的竹结构张弦桁架构成的竹结构张弦桁架屋顶结构立体图。如图6所示，所述的竹结构张弦桁架屋顶跨度为40m，跨中高度为4m，竖向撑杆6之间的间距为5m。上弦为空间桁架，下弦拉索7为抛物线形状，每榀竹结构张弦桁架一端为滑动铰支座8，另一端为固定铰支座9，支座标高均为+25.00m。其安装过程为：首先将十字加强筋16插入在作为杆件的上弦杆1、下弦杆2和斜腹杆3端部预留的十字孔内，再将钢套箍10套装在上述杆件端部外圆周面上，之后将混凝土灌注在杆件端部自然形成的空腔内，待混凝土凝固后即可形成混凝土灌芯14。将多根预埋钢筋15的一端焊接在端板11的内表面中部，之后在混凝土凝固前将预埋钢筋15的其余部位插入上述混凝土内，直至端板11的内表面贴在杆件的外端面上，最后将端板11的外部边缘焊接在钢套箍10的外端口上。十字加强筋16和预埋钢筋15可使混凝土灌芯14和杆件内壁之间的连接更加可靠，以防止因受力过大而使混凝土灌芯14和杆件内壁之间产生滑移，由此造成节点失效。然后将高强螺栓18上的螺杆从锥头12的内部贯穿其上的圆孔17，之后将带有高强螺栓18的锥头12下底面边缘连接在端板11的外端边缘上。然后将箍筋13缠绕在钢套箍10的外圆周面上，以将钢套箍10和杆件之间箍紧。之后将封板19安装在锥头12的上底面外部，随后将套筒20套在高强螺栓18位于封板19外侧的螺杆上，接下来将销钉21的前端穿过套筒20上的销钉孔后插入在高强螺栓18上的盲孔内，最后将多个高强螺栓18上螺杆的前端插入钢球22上形成的多个圆孔内，由此形成竹结构螺栓球连接节点。待所需的竹结构螺栓球连接节点全部连接完毕后就可形成上弦桁架，然后将下弦拉索7的两端连接到上弦桁架两端的下弦钢球22上，将多根竖向撑杆6的上端分别安装在上弦桁架的多个下弦钢球22上，下端连接在下弦拉索7上。之后将固定铰支座9的上端安装在上弦桁架一端的下弦钢球22上，下端固定在建筑物一侧的结构柱顶部。将滑动铰支座8的上端安装在上弦桁架另一端的下弦钢球22上，下端以可移动的方式设置于建筑物另一侧的结构柱顶部，之后对下弦拉索7施加预应力，由此即可形成单榀竹结构张弦桁架。最后多榀竹结构张弦桁架通过上弦水平撑杆连接即可形成图6所示的竹结构张弦桁架屋顶。

Claims

1.一种竹结构张弦桁架，其特征在于：所述的竹结构张弦桁架包括多根上弦杆(1)、多根下弦杆(2)、多根斜腹杆(3)、多个杆件连接件(4)、多个螺栓球节点(5)、多个竖向撑杆(6)、下弦拉索(7)、滑动铰支座(8)和固定铰支座(9)；其中作为杆件的上弦杆(1)、下弦杆(2)、斜腹杆(3)和竖向撑杆(6)均采用竹材制成，每根杆件的两端分别安装有一个杆件连接件(4)，带有杆件连接件(4)的多根杆件利用多个螺栓球节点(5)连接成上弦桁架；所述的杆件连接件(4)包括钢套箍(10)、端板(11)、锥头(12)、箍筋(13)、混凝土灌芯(14)、多根预埋钢筋(15)和十字加强筋(16)；其中十字加强筋(16)插入在杆件端部预留的十字孔内；钢套箍(10)套装在杆件端部外圆周面上；混凝土灌芯(14)由灌注在杆件端部自然形成的空腔内的混凝土凝固后而形成；多根预埋钢筋(15)沿轴向插入在混凝土灌芯(14)的内部，并且外端与端板(11)的内表面相连接；端板(11)呈圆形，其外部圆周固定在钢套箍(10)的外端边缘处；锥头(12)为空心圆台结构，其上底面中部形成有一个圆孔(17)，下底面呈开口状，并且下底面边缘连接在端板(11)的外部圆周上；箍筋(13)缠绕在钢套箍(10)的外圆周面上，用于将钢套箍(10)和杆件箍紧；每个螺栓球节点(5)包括多个高强螺栓(18)、多个封板(19)、多个套筒(20)、多个销钉(21)和一个钢球(22)，其中高强螺栓(18)上的螺杆贯穿设置在锥头(12)上的圆孔(17)内，并且螺栓头位于锥头(12)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(19)安装在锥头(12)的上底面外部，并且中心部位形成有一个螺杆孔；套筒(20)套在高强螺栓(18)上位于封板(19)外侧的螺杆上，并且套筒(20)的圆周面上贯穿形成有一个销钉孔；销钉(21)的前端穿过套筒(20)上的销钉孔后插入在高强螺栓(18)上的盲孔内；钢球(22)上形成有多个圆孔，用于插入多个高强螺栓(18)上螺杆的前端；下弦拉索(7)的两端连接在上弦桁架两端的下弦钢球(22)上，并且施加有预应力；竖向撑杆(6)的上端分别安装在上弦桁架的多个下弦钢球(22)上，下端连接在下弦拉索(7)上；固定铰支座(9)的上端安装在上弦桁架一端的下弦钢球(22)上，下端固定在建筑物一侧的结构柱顶部；滑动铰支座(8)的上端安装在上弦桁架另一端的下弦钢球(22)上，下端以可移动的方式设置于建筑物另一侧的结构柱顶部，由此构成一榀竹结构张弦桁架。

2.根据权利要求1所述的竹结构张弦桁架，其特征在于：所述的上弦杆(1)、下弦杆(2)、斜腹杆(3)和竖向撑杆(6)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。