一种搭建快且节约土地的三层悬挑钢结构及其施工方法与流程

1.本发明涉及覆盖大面积空间的结构技术领域，特别是涉及一种搭建快且节约土地的三层悬挑钢结构及其施工方法。


背景技术：

2.诸如展馆这样的建筑，对面积的要求高，同时还要求能够在有展览的需求的时候快速建成，还随时可能因为展览需求的变动而扩建。而桁架结构的建筑能同时满足跨度大、建设快这两点要求，因此桁架结构的建筑在展馆中应用广泛。
3.桁架结构的建筑搭建快的主要原因在于其屋盖和支撑结构都是预制的，可以一次性搭建完成，而如果涉及到多层结构，依然需要一层一层地进行搭建，相对于普通的建筑而言，工期并没有明显的优势。因此大部分桁架结构的建筑都是单层的，土地利用效率很差，如果想进行拓展的话，还需要额外占地。这在土地价格较高的大城市中是致命的。
4.桁架无论是在轴向上的抗拉/抗压强度还是在垂直方向上的抗弯强度都很高，因此可以用在各种场合，如梁、柱、屋盖、檩条。且由于很能够与钢拉索、钢吊柱等构件相连接，因此桁架也存在采用预应力拉索进行斜拉安装（如各种悬索桥）、采用吊柱/钢拉索在桁架下吊挂部件等使用方法。
5.桁架在使用的时候，有可能因为桁架上的荷载与桁架的连接节点设计不合理而导致桁架本身结构遭到破坏，需要根据具体的使用场景进行受力分析，并根据受力分析结果来合理设计连接节点及桁架结构。而如果需要同时修建多层的桁架建筑的各个楼层，其受力状况将变得较为复杂。
6.以同时带有向上拉的拉索和向下拉的吊柱的跨层桁架为例，申请人经受力分析发现，这种桁架中，桁架的上弦杆与下弦杆之间不宜同时承受垂直于桁架向外拉的力，这样的力容易使桁架像竹子那样被掰成两片；桁架的同一根弦杆上不能承受太大的剪切，否则会断掉；组成桁架的各种杆不能与拉索/吊柱等部件有交叉接触，否则不仅影响到拉索/吊柱中力的传递（在采用预应力拉索时影响尤为严重），还会因材质不同（电化学腐蚀）及容易积灰而在交叉接触位置严重生锈。
7.由于存在诸多需解决的问题，如悬索结构不宜吊挂载荷、拉索不宜与别的弦杆有交叉（cn104775524b、cn101265727b等多篇文献指出了桁架在这种场景下的各种受力问题），这种带有吊挂和拉索的悬挑钢结构的设计，尤为困难。


技术实现要素：

8.本发明提供一种搭建快且节约土地的三层悬挑钢结构及其施工方法。
9.解决的技术问题是：由于对工期有要求，作为展馆的桁架建筑多为单层，占地面积大，且扩建还需要额外占地。桁架建筑做成多层的话，工期相较于普通建筑并无优势。
10.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种搭建快且节约土地的三层悬挑钢结构，包括多个一端锚固在竖向安装基础上、且另一端向外悬挑的跨层桁架；还包括
铺设在跨层桁架上弦杆上的顶承楼板、铺设在跨层桁架下弦杆上的底部楼板、通过吊柱吊挂在跨层桁架下的吊挂楼板、以及下端连在跨层桁架上且上端斜向上连在竖向安装基础上的拉索；所述跨层桁架的下弦杆中，与上弦杆在竖直方向上的投影重叠的下弦杆记作节点下弦杆，所述拉索两两组合为拉索对，所述吊柱与拉索对一一对应设置、并与对应的拉索对连接在节点下弦杆上同一个位置；拉索对中的两根拉索对称连接在节点下弦杆两侧，且拉索在竖直方向上的投影落在相连的节点下弦杆在竖直方向上投影外。
11.进一步，所述拉索与节点下弦杆绕水平设置的转动轴铰接连接，所述吊柱与节点下弦杆绕水平设置的转动轴铰接连接。
12.进一步，所述拉索下端连接在节点下弦杆与腹杆连接位置；所述拉索为预应力拉索。
13.进一步，所述顶承楼板、底部楼板、以及吊挂楼板均由钢筋桁架楼承板以及浇筑在钢筋桁架楼承板上的混凝土层组成。
14.进一步，所述拉索通过拉索连接板与节点下弦杆连接，所述拉索连接板对称夹持在节点下弦杆左右两侧并与所夹持的节点下弦杆固定连接，所述拉索下端通过垂直于拉索连接板的销轴和拉索连接板铰接连接；所述拉索连接板在竖直方向上的投影落在相连的节点下弦杆在竖直方向上投影外；每对拉索连接板称作一个夹持对，所述吊柱与夹持对一一对应、设置在对应的夹持对下方、且上端与对应的夹持对绕水平设置的转动轴铰接连接。
15.进一步，所述节点下弦杆为管状结构，所述节点下弦杆在安装拉索连接板的位置膨大为用于使拉索连接板远离节点下弦杆中轴线的膨大段；所述节点下弦杆左右两侧开设有用于放入拉索连接板的避位口，所述拉索连接板封堵在避位口中并与避位口边沿固定连接。
16.进一步，所述吊柱通过吊柱连接板与夹持对连接，所述吊柱连接板与夹持对一一对应并设置在对应的夹持对中间，所述吊柱连接板向上穿透节点下弦杆后插入节点下弦杆内并与节点下弦杆固定连接，所述吊柱在吊柱连接板低于节点下弦杆底部的位置与吊柱连接板铰接连接；所述吊柱为管状结构，每根所述吊柱端部设置有两块相平行的吊柱插板，两块吊柱插板上端夹设在与吊柱对应的吊柱连接板两侧、并与吊柱连接板通过垂直穿透吊柱连接板及两块吊柱插板设置的销轴铰接连接；两块吊柱插板下端穿透管壁插设在吊柱端部并与吊柱满焊连接。
17.进一步，所述拉索连接板与节点下弦杆对接连接的位置设置有用于对过渡处进行补强的过渡加劲板，所述过渡加劲板垂直于节点下弦杆顶撑在节点下弦杆内、且边沿与节点下弦杆内壁及拉索连接板固定连接；所述吊柱连接板与节点下弦杆内壁之间还设置有多个用于强化连接加劲板与节点下弦杆连接强度的连接加劲板，所述连接加劲板分别与吊柱连接板、节点下弦杆内壁、及拉索连接板固定连接。
18.进一步，所述节点下弦杆为由下弦顶板、下弦底板、以及两块下弦侧板围合而成的方钢管，所述吊柱连接板向上穿透下弦底板后与下弦顶板焊接连接；所述下弦顶板及下弦底板在贴靠拉索连接板的位置拓宽形成膨大段；所述下弦侧板在靠近拉索连接板的位置向外弯折后与拉索连接板对接连接、且边沿内侧与拉索连接板的边沿内侧对齐；所述拉索连
接板的板面与所夹持的下弦顶板及下弦底板满焊连接、且拉索连接板的边沿与下弦侧板满焊连接。
19.一种搭建快且节约土地的三层悬挑钢结构的施工方法，用于上述的一种搭建快且节约土地的三层悬挑钢结构的施工，并包括以下步骤：步骤一：组装跨层桁架，同时将拉索连接板、吊柱连接板、过渡加劲板、以及连接加劲板安装到节点下弦杆上，并将吊柱插板安装到吊柱上；步骤二：搭建临时支撑，将跨层桁架移动到临时支撑上，在临时支撑上使跨层桁架与竖向安装基础连接；步骤三：在竖向安装基础上安装拉索，然后将拉索下端用销轴连在对应的拉索连接板上；步骤四：在拉索上施加预紧力，将其初步张拉至跨层桁架下方临时支撑不受压力后将临时支撑拆除；步骤五：将带有吊柱插板的吊柱用销轴安装在对应的吊柱连接板上；步骤六：安装顶承楼板、底部楼板、以及吊挂楼板后，将拉索张拉至100％。
20.本发明一种搭建快且节约土地的三层悬挑钢结构及其施工方法与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明中，通过拉索与吊柱连接在节点下弦杆同一位置，并使拉索成对设置在节点下弦杆两侧，克服了悬索结构不宜吊挂载荷、拉索不宜与别的弦杆有交叉这两个问题，使得本发明中这种带有拉索和吊挂楼板的悬挑桁架成为可能；并采用这种跨层桁架上下表面各铺一层楼板以及下方再吊挂一层楼板的三层悬挑钢结构，显著扩大了可用建筑面积；本发明中，无论是悬挑的跨层桁架，还是挂在跨层桁架下的吊挂楼板，都不需要在正下方设置支撑结构，无需额外占地，无论是新建的建筑，还是原有建筑的扩建，因用地而受的限制都大大减小；本发明中，三层楼板的受力结构一次完成，使得三层楼板可以同时进行施工，从而显著缩短了工期；本发明中，通过将拉索对（成对连在同一节点的两根拉索）与吊柱一一对应，并使拉索对与对应的吊柱连在同一节点上，吊柱位于拉索对之间，这极大地简化了荷载的传递路径，从而使这种新增三层额外的楼板且还带有预应力拉索的桁架的内力分析变得简单，能够进行精确的内力分析并据此设计出符合要求的钢结构；同时还避免对节点下弦杆形成剪切；本发明中，通过将拉索以及吊柱都连接在节点下弦杆（与上弦杆在竖直方向上的投影重叠的下弦杆）上，从而杜绝了吊柱与跨层桁架中的杆的交叉接触并减少了拉索与跨层桁架中的杆交叉接触的机会，然后将可能会与跨层桁架出现交叉接触的拉索成对连接在节点下弦杆两侧，拉索在竖直方向上的投影落在相连的节点下弦杆在竖直方向上投影外，从而杜绝了拉索与跨层桁架中的杆的交叉接触；避免影响拉索以及吊柱中力的传递，并避免因接触而造成的生锈；本发明中，通过将节点位置的节点下弦杆左右两侧切出避位口，完成节点下弦杆内部构件的安装后再用拉索连接板封堵起来，从而允许在节点下弦杆内安装各种构件；本发明中，设置过渡加劲板对过渡位置进行补强，克服节点下弦杆长度方向上的
过渡位置形成的应力集中；设置连接加劲板对膨大段进行补强，强化吊柱连接板与节点下弦杆的连接并起到内隔板的作用；以上的两类加劲板，充分克服了连接处的各种应力集中问题，避免节点失稳或断裂；本发明中，拉索成对使用，在进行预应力张拉的时候不需要复杂的锚具。
附图说明
21.图1是本发明一种搭建快且节约土地的三层悬挑钢结构的结构示意图；图2是拉索以及吊柱与跨层桁架的连接节点的结构示意图；图3是拉索与拉索连接板的连接示意图；图4是吊柱连接板与其余部件的连接示意图；图5是吊柱插板与吊柱的连接示意图；图6是节点下弦杆内部结构示意图一；图7是节点下弦杆内部结构示意图二；各图中，图2
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6为节点设置在节点下弦杆端部时的示意图，图7为节点设置在节点下弦杆中部时的示意图；其中，1
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拉索，2
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节点下弦杆，21
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下弦顶板，22
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下弦底板，23
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下弦侧板，3
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腹杆，4
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吊柱，41
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吊柱插板，5
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拉索连接板，6
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吊柱连接板，71
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过渡加劲板，72
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连接加劲板，81
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顶承楼板，82
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底部楼板，83
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吊挂楼板，9
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竖向安装基础。
具体实施方式
22.如图1
‑
2所示，一种搭建快且节约土地的三层悬挑钢结构，包括多个一端锚固在竖向安装基础9上、且另一端向外悬挑的跨层桁架；还包括铺设在跨层桁架上弦杆上的顶承楼板81、铺设在跨层桁架下弦杆上的底部楼板82、通过吊柱4吊挂在跨层桁架下的吊挂楼板83、以及下端连在跨层桁架上且上端斜向上连在竖向安装基础9上的拉索1。本实施例中，竖向安装基础9为立柱，拉索1上端连接在在跨层桁架上弦与立柱连接位置。
23.这里的竖向安装基础9可以是柱或者是墙，但应注意这里的竖向安装基础9在使用过程中会承受很大的弯矩，因此应注意其抗弯强度要达标，采用柱的话，柱脚应该为刚接柱脚。此外也可以通过对称设置多个悬挑钢结构来使其弯矩相互抵消。
24.跨层桁架的下弦杆中，与上弦杆在竖直方向上的投影重叠的下弦杆记作节点下弦杆2，拉索1两两组合为拉索1对，吊柱4与拉索1对一一对应设置、并与对应的拉索1对连接在节点下弦杆2上同一个位置。拉索1和吊柱4需要连接在同一个节点上，这个节点可以位于下弦杆也可以位于上弦杆，但若设置在上弦杆，则让吊柱4不与跨层桁架中的杆交叉接触有困难，且吊柱4需要穿透底层楼板。
25.本发明中的跨层桁架可以采用箱型桁架或者平面桁架，拉索1可以连接在节点下弦杆2上包括端部在内的任何位置。本实施例中的楼板的跨度不大，跨层桁架采用带有四根成矩阵状排布的弦杆的箱型桁架，拉索1连接在节点下弦杆2的悬挑端。当然，如果需要有更大的跨度，则应该设置更多的拉索1，而不是只在悬挑端设置拉索1。
26.如图3所示，拉索1对中的两根拉索1对称连接在节点下弦杆2两侧，且拉索1在竖直方向上的投影落在相连的节点下弦杆2在竖直方向上投影外。
27.对于跨层桁架而言，由于腹杆3是比弦杆要细的，只要上弦杆与下弦杆上下对齐，那么腹杆3也势必落在上弦杆与下弦杆竖直方向的投影内，使拉索1与弦杆保持一定距离，那么拉索1也势必不会碰到腹杆3。当然如果碰上腹杆3比弦杆要粗这种情况的话，需要让拉索1再外移一点，以免与腹杆3交叉接触。
28.拉索1与节点下弦杆2绕水平设置的转动轴铰接连接；吊柱4与节点下弦杆2绕水平设置的转动轴铰接连接，这里之所以要铰接连接，是为了避免吊柱4的弯矩在节点下弦杆2上形成应力集中。
29.本实施例中，拉索1为预应力拉索；拉索1下端连接在节点下弦杆2与腹杆3连接位置，这里能更好地将节点受的力分布到整个跨层桁架内。
30.顶承楼板81、底部楼板82、以及吊挂楼板83均由钢筋桁架楼承板以及浇筑在钢筋桁架楼承板上的混凝土层组成。采用钢筋桁架楼承板，便可省去模板。吊挂楼板83应是现场施工条件进行固定，以减少其在使用过程中的晃动情况，比如将边沿固定在竖向安装基础9上，具体不再赘述。
31.本实施例中，顶承楼板81是作为一个额外的楼层存在的，需要承载人员及设备，如果无此需求，也可以铺一层薄板代替。
32.拉索1通过拉索连接板5与节点下弦杆2连接，拉索连接板5对称夹持在节点下弦杆2左右两侧并与所夹持的节点下弦杆2固定连接，拉索1下端通过垂直于拉索连接板5的销轴和拉索连接板5铰接连接；拉索连接板5在竖直方向上的投影落在相连的节点下弦杆2在竖直方向上投影外；也就是说，通过让拉索连接板5往外挪，来使拉索1与弦杆保持距离。每对拉索连接板5称作一个夹持对，吊柱4与夹持对一一对应、设置在对应的夹持对下方、且上端与对应的夹持对绕水平设置的转动轴铰接连接。
33.节点下弦杆2为管状结构，节点下弦杆2在安装拉索连接板5的位置膨大为用于使拉索连接板5远离节点下弦杆2中轴线的膨大段；一般而言，节点下弦杆2为方钢管时，变宽一些就可以满足要求，节点下弦杆2为方钢管时可使膨大段直径变大一些。节点下弦杆2左右两侧开设有用于放入拉索连接板5的避位口，拉索连接板5封堵在避位口中并与避位口边沿固定连接。由于节点下弦杆2内也要设置一系列的部件，因此这里需要在节点下弦杆2上切出避位口，在安装完内部的附件后，填上拉索连接板5。同时，节点下弦杆2本身壁厚不够，不足以承受拉索1的拉力，因此需要用较厚的拉索连接板5来取代节点下弦杆2上与拉索1直接连接的部位。
34.如图4
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5所示，吊柱4通过吊柱连接板6与夹持对连接，吊柱连接板6与夹持对一一对应并设置在对应的夹持对中间，吊柱连接板6向上穿透节点下弦杆2后插入节点下弦杆2内并与节点下弦杆2固定连接，吊柱4在吊柱连接板6低于节点下弦杆2底部的位置与吊柱连接板6铰接连接；吊柱连接板6作用是使吊柱4离两根拉索1的间距一致，避免因间距不一致而造成载荷不能有效传递到拉索1上。直接把吊柱4连接到拉索连接板5上的话不易把握好间距，且还容易干扰节点下弦杆2中其余部件的安装。
35.吊柱4为圆钢管，每根吊柱4端部设置有两块相平行的吊柱插板41，两块吊柱插板41上端夹设在与吊柱4对应的吊柱连接板6两侧、并与吊柱连接板6通过垂直穿透吊柱连接板6及两块吊柱插板41设置的销轴铰接连接；两块吊柱插板41下端穿透管壁插设在吊柱4端部并与吊柱4满焊连接。这里直接将吊柱连接板6插入吊柱4上端并用销轴固定的话，由于吊
柱4是管状结构，铰接连接处连接强度不够且不利于装配，因此设置两块吊柱插板41，吊柱插板41先与吊柱4焊接，然后夹在吊柱连接板6两侧。
36.如图6所示，拉索连接板5与节点下弦杆2对接连接的位置设置有用于对过渡处进行补强的过渡加劲板71，过渡加劲板71垂直于节点下弦杆2顶撑在节点下弦杆2内、且边沿与节点下弦杆2内壁及拉索连接板5固定连接；吊柱连接板6与节点下弦杆2内壁之间还设置有多个用于强化连接加劲板72与节点下弦杆2连接强度的连接加劲板72，连接加劲板72分别与吊柱连接板6、节点下弦杆2内壁、及拉索连接板5固定连接。
37.图6为拉索1连接在节点下弦杆2端部时，节点下弦杆2内的结构，如果连接在端部以外的部位，加劲板的分布如图7所示。
38.本实施例中，节点下弦杆2为由下弦顶板21、下弦底板22、以及两块下弦侧板23围合而成的方钢管，吊柱连接板6向上穿透下弦底板22后与下弦顶板21焊接连接；下弦顶板21及下弦底板22在贴靠拉索连接板5的位置拓宽形成膨大段；下弦侧板23在靠近拉索连接板5的位置向外弯折后与拉索连接板5对接连接、且边沿内侧与拉索连接板5的边沿内侧对齐；拉索连接板5的板面与所夹持的下弦顶板21及下弦底板22满焊连接、且拉索连接板5的边沿与下弦侧板23满焊连接。
39.当然在节点下弦杆2为圆钢管时也可以采用本发明中的连接方式，但是节点下弦杆2内部的部件安装起来较为困难。
40.一种搭建快且节约土地的三层悬挑钢结构的施工方法，用于上述的一种搭建快且节约土地的三层悬挑钢结构的施工，并包括以下步骤：步骤一：组装跨层桁架，同时将拉索连接板5、吊柱连接板6、过渡加劲板71、以及连接加劲板72安装到节点下弦杆2上；对于本实施例中的节点下弦杆2，具体方式如下：切去拉索连接板5位置的下弦侧板23，并使靠近切口位置的下弦侧板23与下弦顶板21及下弦底板22分离，然后向外弯折分离部位的下弦侧板23；在下弦侧板23切口位置安装过渡加劲板71，并使之与下弦顶板21下表面、下弦底板22上表面、以及下弦侧板23切口满焊连接；在下弦底板22上开口并插入吊柱连接板6，将吊柱连接板6上端焊在下弦顶板21底部；在吊柱连接板6左右两侧焊接连接加劲板72；安装拉索连接板5，并使之与下弦侧板23切口、过渡加劲板71、连接加劲板72满焊连接；用水平设置的钢板贴在膨大段的下弦顶板21外侧板面以及下弦底板22外侧板面，使节点下弦杆2密闭，钢板与所贴靠的下弦顶板21或下弦底板22满焊连接，并同时与两侧的拉索连接板5满焊连接；以上完成后，将吊柱插板41安装到吊柱4上，即完成材料的准备。
41.步骤二：搭建临时支撑，将跨层桁架移动到临时支撑上，在临时支撑上使跨层桁架与竖向安装基础9连接；这里可采用整体吊装、原位提升、或者是滑移的方式，具体需根据工地的条件自行选择。
42.步骤三：在竖向安装基础9上安装拉索1，然后将拉索1下端用销轴连在对应的拉索连接板5上。
43.步骤四：在拉索1上施加预紧力，将其初步张拉至跨层桁架下方临时支撑不受压力后将临时支撑拆除；注意这里要考虑到后续在跨层桁架上安装各种附属的构件后拉索1会被拉长，从而使得跨层桁架的端部下挠，因此拉索1在预紧的时候应将这些因素考虑进去，以确保在施工完成后，跨层桁架的位置及姿态满足要求。
44.步骤五：将带有吊柱插板41的吊柱4用销轴安装在对应的吊柱连接板6上。
45.步骤六：安装顶承楼板81、底部楼板82、以及吊挂楼板83后，将拉索1张拉至100％。注意这里的顶承楼板81、底部楼板82、以及吊挂楼板83之间没有直接的连接关系，且由于本实施例中采用的钢筋桁架楼承板完全隔开了三个楼板，因此也不存在上下交叉施工的问题。在施工的时候，三者互不干扰，不仅可以同时浇筑三个楼板的混凝土以加快工期，也可以根据施工需求自由调整施工的顺序，只要是拉索1安装后，就可根据施工需求自由选择何时施工三个楼板中任意一层或三层。
46.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。