專利名稱：一種竹結(jié)構(gòu)張弦桁架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種竹結(jié)構(gòu)張弦桁架。
背景技術(shù)：
隨著大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，張弦桁架結(jié)構(gòu)也得到了廣泛應用，如浦東國際機場航站樓一期、廣州國際會展中心均采用了大跨度張弦桁架屋蓋。張弦桁架主要由上弦桁架、多根豎向撐桿和下弦拉索構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)受力合理、剛度大、重量輕等優(yōu)點，當張拉下弦拉索后，上弦桁架將起拱至設計形狀，同時豎向撐桿開始受力，因此可有效地控制使用中的變形。但受材料力學性能的限制，目前上弦桁架和撐桿的材料均選用鋼材，而其它材料用于張弦桁架的實例及研究結(jié)果尚未見報道。在我國，竹材是一種資源豐富的可再生材料，其天然結(jié)構(gòu)為圓管狀，如能將其應用于張弦桁架結(jié)構(gòu)，將會極大地拓寬竹結(jié)構(gòu)的應用領(lǐng)域及空間結(jié)構(gòu)的選材范圍，由此推動綠色環(huán)保建筑的發(fā)展。竹材的成長周期短，具有較好的抗拉、壓強度，因此是一種天然環(huán)保的綠色建材，并且在我國少數(shù)民族地區(qū)早已得到廣泛應用。竹結(jié)構(gòu)常見的節(jié)點連接方式為綁扎、榫卯、螺栓、套筒、槽口，并較多用于臨時建筑。但是，由于竹竿自然生長過程會形成生理彎曲，因此在一定程度上影響了其力學性能，從而限制了其使用范圍。隨著低碳環(huán)保的綠色建筑理念深入人心，竹結(jié)構(gòu)已得到了廣泛關(guān)注和充分研究并已取得了階段性成果。授權(quán)公告號為20012211MY，名稱為“彎曲型竹結(jié)構(gòu)建筑模塊”和授權(quán)公告號為2001221152Y，名稱為“竹結(jié)構(gòu)建筑模塊”的中國專利文獻中公開的技術(shù)方案都是利用多種竹片基本構(gòu)件組合成的模塊再搭建成構(gòu)筑物，可發(fā)揮竹結(jié)構(gòu)成本低、強度高且方便拼裝的特點。授權(quán)公告號為2761727Y，名稱為“用于傣家竹樓的原竹結(jié)構(gòu)節(jié)點”的中國專利文獻中介紹了用于傣家竹樓的原竹節(jié)點，其中一字型、T型、X型、L型節(jié)點等均由一根或多根原竹完整貫穿節(jié)點，原竹與柱腳連接中用錨栓與金屬杯口焊接后于金屬杯口內(nèi)灌注水泥砂漿，給出了竹節(jié)點加強的一種方案?！督Y(jié)構(gòu)工程師》2009，25(1) :51- 中“德中同行”竹結(jié)構(gòu)展館的材料試驗與結(jié)構(gòu)分析”一文介紹了某項目中竹材的抗拉、抗壓、抗彎性能。 《自然災害學報》2009，18 (3) :14-18中“現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)在汶川地震災后重建中的應用”、《建筑結(jié)構(gòu)》2010,40(1) 92-96中“現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)人行天橋的研發(fā)和建造”以及《第18屆全國結(jié)構(gòu)工程學術(shù)會議論文集》2009，III516-522中“現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)車行橋梁的建造與研究”分別介紹了膠合竹板技術(shù)在臨時用房、4. 8m跨人行天橋及IOm跨車行橋梁結(jié)構(gòu)設計中的應用。《世界建筑》2010 ) :64-69中“INTEGER現(xiàn)代復合竹結(jié)構(gòu)建筑”一文介紹了 240mmX450mm的I^i 跨弧形竹集成材主梁在某公共建筑中的應用。《南京林業(yè)大學學報》(自然科學版)2008， 32(3) :67-70中“竹結(jié)構(gòu)材連接件的承載力”一文公開了利用靜載試驗來研究竹結(jié)構(gòu)材螺栓連接件的承載力和破壞形態(tài)，并且驗證了采用竹結(jié)構(gòu)材連接件的結(jié)構(gòu)具有較高的強度、 剛度及延性。在大跨度竹結(jié)構(gòu)方面，《河北農(nóng)業(yè)大學學報》1963，2(1) :52-57中“大跨度竹結(jié)構(gòu)的研究”一文介紹了 20m跨度竹三鉸桁架的設計。此后，大跨度空間竹結(jié)構(gòu)方面的相關(guān)研究就鮮有提及，利用竹材作為大跨度空間結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的研究更是少見。這主要是因為竹材存在生理彎曲，脫水后材料力學性能離散性較大，尤其是節(jié)點連接位置受力復雜，因此極易引起竹材沿順紋方向劈裂而造成節(jié)點破壞，從而降低了結(jié)構(gòu)的可靠度。因此，目前竹結(jié)構(gòu)較多應用于重要性低的臨時建筑中，或經(jīng)過粉碎加工后與木材等混合制成新型建筑板材，而直接使用竹材作為建筑受力構(gòu)件的案例并不多見。如何既能加強竹結(jié)構(gòu)連接節(jié)點、提高節(jié)點連接的可靠性，又能充分發(fā)揮竹材的力學性能特點，便于精確分析計算，就成為制約竹材應用于張弦桁架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題。
發(fā)明內(nèi)容為了解決上述問題，本實用新型的目的在于提供一種抗震性能好、便于施工、安全性高、綠色環(huán)保且經(jīng)濟性好的竹結(jié)構(gòu)張弦桁架。為了達到上述目的，本實用新型提供的竹結(jié)構(gòu)張弦桁架包括多根上弦桿、多根下弦桿、多根斜腹桿、多個桿件連接件、多個螺栓球節(jié)點、多個豎向撐桿、下弦拉索、滑動鉸支座和固定鉸支座；其中作為桿件的上弦桿、下弦桿、斜腹桿和豎向撐桿均采用竹材制成，每根桿件的兩端分別安裝有一個桿件連接件，帶有桿件連接件的多根桿件利用多個螺栓球節(jié)點連接成上弦桁架；所述的桿件連接件包括鋼套箍、端板、錐頭、箍筋、混凝土灌芯、多根預埋鋼筋和十字加強筋；其中十字加強筋插入在桿件端部預留的十字孔內(nèi)；鋼套箍套裝在桿件端部外圓周面上；混凝土灌芯由灌注在桿件端部自然形成的空腔內(nèi)的混凝土凝固后而形成；多根預埋鋼筋沿軸向插入在混凝土灌芯的內(nèi)部，并且外端與端板的內(nèi)表面相連接；端板呈圓形，其外部圓周固定在鋼套箍的外端邊緣處；錐頭為空心圓臺結(jié)構(gòu)，其上底面中部形成有一個圓孔，下底面呈開口狀，并且下底面邊緣連接在端板的外部圓周上；箍筋纏繞在鋼套箍的外圓周面上，用于將鋼套箍和桿件箍緊；每個螺栓球節(jié)點包括多個高強螺栓、多個封板、多個套筒、多個銷釘和一個鋼球，其中高強螺栓上的螺桿貫穿設置在錐頭上的圓孔內(nèi)， 并且螺栓頭位于錐頭的內(nèi)部，同時螺桿的中部外圓周面上沿徑向形成有一個盲孔；封板安裝在錐頭的上底面外部，并且中心部位形成有一個螺桿孔；套筒套在高強螺栓上位于封板外側(cè)的螺桿上，并且套筒的圓周面上貫穿形成有一個銷釘孔；銷釘?shù)那岸舜┻^套筒上的銷釘孔后插入在高強螺栓上的盲孔內(nèi)；鋼球上形成有多個圓孔，用于插入多個高強螺栓上螺桿的前端；下弦拉索的兩端連接在上弦桁架兩端的下弦鋼球上，并且施加有預應力；豎向撐桿的上端分別安裝在上弦桁架的多個下弦鋼球上，下端連接在下弦拉索上；固定鉸支座的上端安裝在上弦桁架一端的下弦鋼球上，下端固定在建筑物一側(cè)的結(jié)構(gòu)柱頂部；滑動鉸支座的上端安裝在上弦桁架另一端的下弦鋼球上，下端以可移動的方式設置于建筑物另一側(cè)的結(jié)構(gòu)柱頂部，由此構(gòu)成一榀竹結(jié)構(gòu)張弦桁架。所述的上弦桿、下弦桿、斜腹桿和豎向撐桿兩端外圓周面上沿其圓周方向相隔距離形成有多道凹槽，而鋼套箍的內(nèi)圓周面上沿其圓周方向突出形成有多圈能夠分別嵌入在上述多道凹槽內(nèi)的凸緣。本實用新型提供的竹結(jié)構(gòu)張弦桁架具有如下優(yōu)點1)抗震性能好經(jīng)通用有限元分析軟件ANSYS計算后發(fā)現(xiàn)，大跨度空間竹結(jié)構(gòu)單根竹構(gòu)件受力和結(jié)構(gòu)靜、動力變形均能滿足使用要求，具有較好的抗震性能。2)便于施工由于竹材密度小，桿件拼接可由單個工人即可完成，從而可降低工作人員的勞動強度和工作面上人員密度，對提高施工質(zhì)量和加快施工速度有益。同時，經(jīng)計算，結(jié)構(gòu)找形所需拉索拉力較小，便于現(xiàn)場張拉施工操作。3)安全性高經(jīng)計算后發(fā)現(xiàn)，地震作用下竹結(jié)構(gòu)張弦桁架豎向位移小于同桿件截面的鋼結(jié)構(gòu)張弦桁架，表明地震作用下竹結(jié)構(gòu)張弦桁架對屋面材料的破壞較小，安全性高。4)綠色環(huán)保、經(jīng)濟性好由于我國竹資源豐富，選材便利且綠色環(huán)保，竹材價格低且屬于可再生資源， 因此使用竹結(jié)構(gòu)張弦桁架的經(jīng)濟優(yōu)勢和環(huán)保優(yōu)勢都較為突出。

圖1為本實用新型提供的竹結(jié)構(gòu)張弦桁架結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。圖2為本實用新型提供的竹結(jié)構(gòu)張弦桁架結(jié)構(gòu)立體圖。圖3為圖1示出的竹結(jié)構(gòu)張弦桁架中竹構(gòu)件端部縱向結(jié)構(gòu)剖視圖。圖4為圖1示出的竹結(jié)構(gòu)張弦桁架中桿件端部橫向截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為由四根竹構(gòu)件連接成的節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為由多榀圖1示出的竹結(jié)構(gòu)張弦桁架構(gòu)成的竹結(jié)構(gòu)張弦桁架屋頂結(jié)構(gòu)立體圖。其中上弦桿1、下弦桿2、斜腹桿3、桿件連接件4、螺栓球節(jié)點5、豎向撐桿6、下弦拉索7、滑動鉸支座8、固定鉸支座9、鋼套箍10、端板11、錐頭12、箍筋13、混凝土灌芯14、 預埋鋼筋15、十字加強筋16、圓孔17、高強螺栓18、封板19、套筒20、銷釘21、鋼球2具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施對本實用新型提供的竹結(jié)構(gòu)張弦桁架進行詳細說明。如圖1-圖5所示，本實用新型提供的竹結(jié)構(gòu)張弦桁架包括多根上弦桿1、多根下弦桿2、多根斜腹桿3、多個桿件連接件4、多個螺栓球節(jié)點5、多個豎向撐桿6、下弦拉索7、 滑動鉸支座8和固定鉸支座9 ；其中作為桿件的上弦桿1、下弦桿2、斜腹桿3和豎向撐桿6 均采用竹材制成，每根桿件的兩端分別安裝有一個桿件連接件4，帶有桿件連接件4的多根桿件利用多個螺栓球節(jié)點5連接成上弦桁架；所述的桿件連接件4包括鋼套箍10、端板11、 錐頭12、箍筋13、混凝土灌芯14、多根預埋鋼筋15和十字加強筋16 ；其中十字加強筋16插入在桿件端部預留的十字孔內(nèi)；鋼套箍10套裝在桿件端部外圓周面上；混凝土灌芯14由灌注在桿件端部自然形成的空腔內(nèi)的混凝土凝固后而形成；多根預埋鋼筋15沿軸向插入在混凝土灌芯14的內(nèi)部，并且外端與端板11的內(nèi)表面相連接；端板11呈圓形，其外部圓周固定在鋼套箍10的外端邊緣處；錐頭12為空心圓臺結(jié)構(gòu)，其上底面中部形成有一個圓孔 17，下底面呈開口狀，并且下底面邊緣連接在端板11的外部圓周上；箍筋13纏繞在鋼套箍 10的外圓周面上，用于將鋼套箍10和桿件箍緊；每個螺栓球節(jié)點5包括多個高強螺栓18、 多個封板19、多個套筒20、多個銷釘21和一個鋼球22，其中高強螺栓18上的螺桿貫穿設置在錐頭12上的圓孔17內(nèi)，并且螺栓頭位于錐頭12的內(nèi)部，同時螺桿的中部外圓周面上沿徑向形成有一個盲孔；封板19安裝在錐頭12的上底面外部，并且中心部位形成有一個螺桿孔；套筒20套在高強螺栓18上位于封板19外側(cè)的螺桿上，并且套筒20的圓周面上貫穿形成有一個銷釘孔；銷釘21的前端穿過套筒20上的銷釘孔后插入在高強螺栓18上的盲孔內(nèi)；鋼球22上形成有多個圓孔，用于插入多個高強螺栓18上螺桿的前端；下弦拉索7的兩端連接在上弦桁架兩端的下弦鋼球22上，并且施加有預應力；豎向撐桿6的上端分別安裝在上弦桁架的多個下弦鋼球22上，下端連接在下弦拉索7上；固定鉸支座9的上端安裝在上弦桁架一端的下弦鋼球22上，下端固定在建筑物一側(cè)的結(jié)構(gòu)柱頂部；滑動鉸支座8的上端安裝在上弦桁架另一端的下弦鋼球22上，下端以可移動的方式設置于建筑物另一側(cè)的結(jié)構(gòu)柱頂部，由此構(gòu)成一榀竹結(jié)構(gòu)張弦桁架。所述的上弦桿1、下弦桿2、斜腹桿3和豎向撐桿6兩端外圓周面上沿其圓周方向相隔距離形成有多道凹槽，而鋼套箍的內(nèi)圓周面上沿其圓周方向突出形成有多圈能夠分別嵌入在上述多道凹槽內(nèi)的凸緣。圖6為由多榀圖1示出的竹結(jié)構(gòu)張弦桁架構(gòu)成的竹結(jié)構(gòu)張弦桁架屋頂結(jié)構(gòu)立體圖。如圖6所示，所述的竹結(jié)構(gòu)張弦桁架屋頂跨度為40m，跨中高度為細，豎向撐桿6之間的間距為5m。上弦為空間桁架，下弦拉索7為拋物線形狀，每榀竹結(jié)構(gòu)張弦桁架一端為滑動鉸支座8，另一端為固定鉸支座9，支座標高均為+25. 00m。其安裝過程為首先將十字加強筋16插入在作為桿件的上弦桿1、下弦桿2和斜腹桿3端部預留的十字孔內(nèi)，再將鋼套箍10套裝在上述桿件端部外圓周面上，之后將混凝土灌注在桿件端部自然形成的空腔內(nèi)， 待混凝土凝固后即可形成混凝土灌芯14。將多根預埋鋼筋15的一端焊接在端板11的內(nèi)表面中部，之后在混凝土凝固前將預埋鋼筋15的其余部位插入上述混凝土內(nèi)，直至端板11的內(nèi)表面貼在桿件的外端面上，最后將端板11的外部邊緣焊接在鋼套箍10的外端口上。十字加強筋16和預埋鋼筋15可使混凝土灌芯14和桿件內(nèi)壁之間的連接更加可靠，以防止因受力過大而使混凝土灌芯14和桿件內(nèi)壁之間產(chǎn)生滑移，由此造成節(jié)點失效。然后將高強螺栓18上的螺桿從錐頭12的內(nèi)部貫穿其上的圓孔17，之后將帶有高強螺栓18的錐頭12下底面邊緣連接在端板11的外端邊緣上。然后將箍筋13纏繞在鋼套箍10的外圓周面上，以將鋼套箍10和桿件之間箍緊。之后將封板19安裝在錐頭12的上底面外部，隨后將套筒20 套在高強螺栓18位于封板19外側(cè)的螺桿上，接下來將銷釘21的前端穿過套筒20上的銷釘孔后插入在高強螺栓18上的盲孔內(nèi)，最后將多個高強螺栓18上螺桿的前端插入鋼球22 上形成的多個圓孔內(nèi)，由此形成竹結(jié)構(gòu)螺栓球連接節(jié)點。待所需的竹結(jié)構(gòu)螺栓球連接節(jié)點全部連接完畢后就可形成上弦桁架，然后將下弦拉索7的兩端連接到上弦桁架兩端的下弦鋼球22上，將多根豎向撐桿6的上端分別安裝在上弦桁架的多個下弦鋼球22上，下端連接在下弦拉索7上。之后將固定鉸支座9的上端安裝在上弦桁架一端的下弦鋼球22上，下端固定在建筑物一側(cè)的結(jié)構(gòu)柱頂部。將滑動鉸支座8的上端安裝在上弦桁架另一端的下弦鋼球22上，下端以可移動的方式設置于建筑物另一側(cè)的結(jié)構(gòu)柱頂部，之后對下弦拉索7施加預應力，由此即可形成單榀竹結(jié)構(gòu)張弦桁架。最后多榀竹結(jié)構(gòu)張弦桁架通過上弦水平撐桿連接即可形成圖6所示的竹結(jié)構(gòu)張弦桁架屋頂。
權(quán)利要求1.一種竹結(jié)構(gòu)張弦桁架，其特征在于所述的竹結(jié)構(gòu)張弦桁架包括多根上弦桿(1)、多根下弦桿O)、多根斜腹桿(3)、多個桿件連接件G)、多個螺栓球節(jié)點(5)、多個豎向撐桿 (6)、下弦拉索(7)、滑動鉸支座(8)和固定鉸支座(9)；其中作為桿件的上弦桿(1)、下弦桿O)、斜腹桿C3)和豎向撐桿(6)均采用竹材制成，每根桿件的兩端分別安裝有一個桿件連接件G)，帶有桿件連接件(4)的多根桿件利用多個螺栓球節(jié)點( 連接成上弦桁架；所述的桿件連接件(4)包括鋼套箍(10)、端板(11)、錐頭(12)、箍筋(13)、混凝土灌芯(14)、 多根預埋鋼筋(1 和十字加強筋(16)；其中十字加強筋(16)插入在桿件端部預留的十字孔內(nèi)；鋼套箍(10)套裝在桿件端部外圓周面上；混凝土灌芯(14)由灌注在桿件端部自然形成的空腔內(nèi)的混凝土凝固后而形成；多根預埋鋼筋(15)沿軸向插入在混凝土灌芯(14) 的內(nèi)部，并且外端與端板(11)的內(nèi)表面相連接；端板(11)呈圓形，其外部圓周固定在鋼套箍(10)的外端邊緣處；錐頭(12)為空心圓臺結(jié)構(gòu)，其上底面中部形成有一個圓孔(17)，下底面呈開口狀，并且下底面邊緣連接在端板(11)的外部圓周上；箍筋(1 纏繞在鋼套箍 (10)的外圓周面上，用于將鋼套箍(10)和桿件箍緊；每個螺栓球節(jié)點( 包括多個高強螺栓(18)、多個封板(19)、多個套筒(20)、多個銷釘和一個鋼球(22)，其中高強螺栓 (18)上的螺桿貫穿設置在錐頭(12)上的圓孔(17)內(nèi)，并且螺栓頭位于錐頭(12)的內(nèi)部， 同時螺桿的中部外圓周面上沿徑向形成有一個盲孔；封板(19)安裝在錐頭(1 的上底面外部，并且中心部位形成有一個螺桿孔；套筒00)套在高強螺栓(18)上位于封板(19)外側(cè)的螺桿上，并且套筒00)的圓周面上貫穿形成有一個銷釘孔；銷釘?shù)那岸舜┻^套筒 (20)上的銷釘孔后插入在高強螺栓(18)上的盲孔內(nèi)；鋼球02)上形成有多個圓孔，用于插入多個高強螺栓(18)上螺桿的前端；下弦拉索(7)的兩端連接在上弦桁架兩端的下弦鋼球02)上，并且施加有預應力；豎向撐桿(6)的上端分別安裝在上弦桁架的多個下弦鋼球 (22)上，下端連接在下弦拉索(7)上；固定鉸支座(9)的上端安裝在上弦桁架一端的下弦鋼球02)上，下端固定在建筑物一側(cè)的結(jié)構(gòu)柱頂部；滑動鉸支座(8)的上端安裝在上弦桁架另一端的下弦鋼球02)上，下端以可移動的方式設置于建筑物另一側(cè)的結(jié)構(gòu)柱頂部，由此構(gòu)成一榀竹結(jié)構(gòu)張弦桁架。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的竹結(jié)構(gòu)張弦桁架，其特征在于所述的上弦桿(1)、下弦桿 O)、斜腹桿C3)和豎向撐桿(6)兩端外圓周面上沿其圓周方向相隔距離形成有多道凹槽， 而鋼套箍的內(nèi)圓周面上沿其圓周方向突出形成有多圈能夠分別嵌入在上述多道凹槽內(nèi)的凸緣。
專利摘要本實用新型公開了一種竹結(jié)構(gòu)張弦桁架。它包括多根上弦桿、多根下弦桿、多根斜腹桿、多個桿件連接件、多個螺栓球節(jié)點、多個豎向撐桿、下弦拉索、滑動鉸支座和固定鉸支座，其中每根竹材上弦桿、下弦桿和斜腹桿的兩端分別安裝有一個桿件連接件，利用螺栓球節(jié)點連接成上弦桁架。下弦拉索兩端連接到上弦桁架兩端的下弦鋼球上，豎向撐桿上端相隔距離安裝在上弦桁架的下弦鋼球上，下端連接在下弦拉索上，固定鉸支座和滑動鉸支座分別安裝在上弦桁架兩端的下弦鋼球上。對下弦拉索施加預應力，即可形成竹結(jié)構(gòu)張弦桁架。這種竹結(jié)構(gòu)張弦桁架與鋼結(jié)構(gòu)張弦桁架相比，拉索受力更小，抗震性能更強，安全性能更優(yōu)越。
文檔編號E04B1/342GK202108115SQ20112018641
公開日2012年1月11日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者劉國光, 武志瑋 申請人:中國民航大學