专利名称：钢管装配剪力键大、中跨度屋顶空腹保温隔热结构及施工方法
技术领域：
本发明涉及一种建筑结构，特别是一种应用于大、中跨度建筑屋顶的钢管装配剪力键大、 中跨度屋顶空腹保温隔热结构。
背景技术：
利用空气间层增加建筑墙面和屋面的热阻，是建筑保温隔热中经常采用的措施之一。
传统的建筑屋面常采用架空隔热层做法如图1所示，该方法在结构层上支砖墩，砖墩上 搁置预制小板，在预制小板与结构层之间形成了空气层以达到隔热之效果。砖砌支墩及其上 的预制隔热小板不成为结构构件，仅仅是为了形成架空的空腔以达保温隔热之目的。此时砖 砌支墩及其上的预制小板对结构层而言是外加的荷载，特别是结构层的厚度随着跨度的增加 而需加厚，从而增加荷载。这种做法存在的问题是首先它不适用于上人屋面；其次，随着 使用年份的增加，预制小板多有断裂、毁坏等SL象；再者，小砖墩及其上的预制小板增加了 结构层的负荷量。屋顶作为主要的围护结构，除了肩负着保温隔热的作用之外，还起着更为 重要的防水、防渗的作用。传统的架空层屋面只在结构层上设有一道防水层，该道防水层随 着使用年份的增加，要行翻修或检修，在检修前需首先拆除预制小板和砖支墩，这无疑增加 了检修的费用和周期。目前屋顶的渗水、漏水是工程技术人员力图彻底解决又仍未完成的一 大难题。特别是在大、中跨度的屋面中，既要达到保温隔热，又要防止屋顶的渗水、漏水， 这些问题一直困扰着建筑技术领域。
众所周知，随着结构跨度的增加，为了满足变形的要求，结构的高度也相应地增加，从 结构受力的角度来看，增加结构的高度可以使结构承受更大的弯矩，试想，在中、大跨度的 屋顶结构中采用空腹结构可以减少材料的用量，提高结构的承载效率。但是空腹结构的力学 分析表明，随着结构高度的增加，整体弯曲变形减小而剪切变形则逐步增加。因此，仅从结 构受力合理的角度来说，空腹结构存在一个合理的高度，使得结构的刚度最大。此外，空腹 结构的高度(此高度影响空气间层的厚度)还受到其它因素如建筑要求、施工便捷等的制约。
从建筑热工的知识我们知道，热量的传递主要通过三个途径， 一为导热，二为对流，三为辐射。在建筑物的屋顶采用空腹夹层结构，在上、下板肋之间形成空气间层，无疑增加了 建筑屋顶层的总热阻，但是理论分析表明，空气间层的热阻在空气间层的厚度超过一定量时， 其热阻值几乎不变。也就是说，热阻值并非随着空气间层厚度的增加而增加。为了改善建筑 空腹屋顶的保温隔热性能，我们应当寻求热量的对流以及减少热量的辐射。
屋顶空腹夹层结构在满足强度和刚度要求时，结构的高度不大，通常在1/25 1/30的 跨度左右。以往空腹夹层结构的施工是现浇下层的板肋和上下层板肋之间的剪力键，再利用 预制板或特制的模壳(该模壳不再取出)作为上层板肋的模板浇注上层板肋，形成的空腹夹 层结构具有封闭的空气间层。由于结构的高度不大，剪力键的施工难度较大。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术的不足而提供一种集建筑结构的跨越功能与建筑保 温隔热功能于一体的钢管装配剪力键大、中跨度屋顶空腹保温隔热结构。
为了达到上述目的，本发明提供的钢管装配剪力键大、中跨度屋顶空腹保温隔热结构， 它包括上弦肋板层、下弦肋板层和剪力键，其特征是所述的剪力键是钢管剪力键，上弦肋板 层包括上弦肋和上弦板，下弦肋板层包括下弦板和下弦肋，下弦板和下弦肋以及竖向钢管剪 力键的下部在顶层楼面通过支模板和钢筋， 一次性现场浇注混凝土生成一体结构，并且由此 由上弦肋板层和下弦肋板层通过钢管剪力键连接成空腹结构。其特征是钢管剪力键分成上部 钢管剪力键和下部钢管剪力键，装配的位置设在剪力键高度的中部，上弦肋板层和下弦肋板 层通过钢管剪力键组成结构承力构件的一部分与其下的屋面结构层组成共同受力的空腹结 构；上部钢管剪力键和下部钢管剪力键上分别设有上部剪力键钢管螺纹和下部剪力键钢管螺 纹，并通过开孔螺母连接成整体。开孔螺母可以是六角螺母。
一种钢管装配剪力键大、中跨度屋顶空腹保温隔热结构的施工方法它包括对空腹结构 采用现浇与预制相结合的施工方式，其特征是下弦肋板层的下弦板和下弦肋以及竖向的剪力 键是在顶层楼面支承模板、放置钢筋， 一次性现场浇注混凝土生成，在剪力键的顶部预留出 受力主筋与上弦肋板层的上弦肋连接成整体；由于空腹结构的空腔高度较小，上弦肋板层如 用支模板现浇的方式，模板将无法取出，因此，上弦肋板层的上弦板和上弦肋采用预制叠合 的施工方法，剪力键的顶端预埋角钢环或是一圈耳板用以支承作为上弦板和上弦肋预制构件，待下弦肋板层的下弦板和下弦肋以及剪力键达到确定的设计强度时，将顶面留有抗剪钢 筋的预制板搁置于剪力键顶端预埋的角钢环或耳板上，调整剪力键预留出的受力钢筋，并绑 扎上弦肋板层的上弦板和上弦肋钢筋，后再浇注混凝土使其与作为上弦板和上弦肋的预制板 连接成整体，待后浇的混凝土达到确定设计强度以后，拆除下弦肋板层的支承模板，生成整 体受力的空腹结构。
本发明将传统架空层屋面的预制小板和砖砌支墩改变为结构承力构件的一部分与其下 的屋面结构层组成共同受力的空腹结构，这样既保持了原来的建筑保温隔热功能又增加了屋 顶结构的刚度和承载能力。
屋顶空腹结构因为剪力键的高度较小，同时剪力键又是上弦肋板层的支承构件，施工较 为复杂。根据空腹结构的受力特点，剪力键在其高度中部存有反弯点，为了使空腹结构的施 工便捷，同时增加空气间层中空气的对流，本发明将通常的钢筋混凝土剪力键改变为钢管装 配的剪力键，钢管剪力键分成上部和下部，装配的位置设在剪力键高度的中部，上、下部分 的钢管通过开孔螺母连接成整体。开孔螺母的作用在于连接上下部的钢管，同时将空气间层 的热空气排除屋面。
本发明在大、中跨度的屋顶中采用空腹结构代替传统的架空层结构，从结构受力性能分 析，该空腹结构的整体弯矩转化为上、下肋板的压、拉轴向力，结构具有更大的刚度。
空腹结构的内力、变形计算可以采用通用有限元分析软件完成，此时上、下弦肋板层的 板为板壳单元，上、下弦肋板层的肋为空间梁单元，连接上、下弦肋板层肋的钢管剪力键为 块体单元或是空间梁柱单元。当空腔的高度较小时，空腹结构主要表现为板的受力特点，以
两向弯曲变形及两向弯矩为主；当空腔高度较高时，则主要表现为框架的受力特点，变形以 剪切变形为主，同时存有两向的弯曲变形。在竖向荷载作用下，空腹结构的上、下弦肋板层
板主要承受压力、拉力，当然同时还承受局部弯矩；上、下层肋则为压弯、拉弯构件；钢管 剪力键承受双向的剪力和小量的双向弯矩，并且弯矩的反弯点在剪力键高度的中间。因此只 要通过合理的计算，该结构完全可以承受上人屋面等各种荷载的作用。
施工建造方面，空腹结构可以采用现浇与预制相结合的施工方式。下弦肋板层的板和肋 以及竖向钢管剪力键的下部分可以在顶层楼面支模板、放置钢筋， 一次性现场浇注混凝土生成。此时的下部分钢管剪力键内部可以用混凝土填实。当下弦肋板层板、肋混凝土达到设计 强度的70%以后，通过开孔螺母安装带钢板的上部分钢管剪力键，调节开孔螺母，使得上部 钢管剪力键所带的钢板达到设计标高。由于空腹结构的空腔高度较小，上弦肋板层的板和肋 如用支模板现浇的方式，模板将无法取出，因此，上弦肋板层的板和肋采用预制叠合的施工 方法。将预制板的上弦板和预制板的上弦肋搁置于上部分钢管剪力键所带的钢板支承板上， 绑扎上弦肋板层的板和肋钢筋，后再浇注混凝土使其与预制板连接成整体，待后浇的混凝土 达到设计强度以后，拆除下弦肋板层的支承模板，生成整体受力的空腹结构。
空腹结构的上、下板肋均为结构的组成部分，同时保存了空腔，从屋顶防水、防渗来看，
这种结构体系具有双重的防水、防渗防线；剪力键连接螺母上所开的孔洞可以将形成的空气
间层上部的热空气排出屋面，上部钢管剪力键出屋面的部分可以做成弯管，以防止雨水的进 入。上部剪力键钢管并非每个均要伸出屋面，可以根据需要在一个封闭的空腔内设置两个即 可。采用装配式钢管剪力键可以避免一般混凝土剪力键的"螺蛳壳里做道场"的困难，同时 增加了空气间层中热空气的对流排出功能，提高了屋顶空腹结构的保温隔热效果。
应当指出的是，空腹结构适用于大、中跨度的平屋顶屋面，因为随着屋顶跨度的增加， 结构为了满足刚度的要求，本身就要求增加结构层的高度。
本发明根据空腹夹层结构的受力特点和热传导理论，发明了钢管装配剪力键的屋顶空腹 夹层结构的形式，降低了施工难度，增加了空气间层的空气对流。
建筑物的屋顶作为横向承力分体系，除了与竖向构件，如柱子或剪力墙等连接成整体受 力之外，主要承受竖向荷载的作用。通常情况在相同的竖向荷载下，结构层的高度随着结构 跨度的增加而增加。传统的架空隔热层屋面，在大、中跨度建筑中应用，则结构层的高度本 身就比较大，并且由于架空层的存在， 一般不可以用于上人屋面。采用本发明技术，将结构 层做成空腹结构，既保持了原来架空的建筑功能，又将原来结构层的整体弯矩转化成了上、 下弦肋板层肋板的轴向力，提高了材料的利用率，大大地提高了屋盖结构的竖向刚度和承载 能力，同时从材料总量上省去了原来的架空预制小板和砖砌支墩。另一方面，通常的防水层 可以做在空腹结构的上弦肋板层上表面，与原先的架空屋面相比，日后的防水层检修大为简 单，同时空腹结构的上、下弦层部分的上表面均可以根据需要设置防水构造层，即使下弦肋板层不设置构造防水层，因其为现浇层，本身密实性较好，也可以起着防水、防渗的功能。 值得一提的是，本发明采用的装配钢管剪力键大大地降低了空腹结构的施工难度，同时增加 了空腔内热空气的对流排出功能，提高了屋面的隔热效果。 本发明的技术效果还可以归纳如下-
(1) 本发明着眼于通过结构的空腹形成获得建筑节能效果和防水、防渗的多道防线， 在大、中跨度的屋盖中采用空腹结构可以集建筑功能与结构受力性能于一体。
(2) 采用钢管装配剪力键，克服了以往钢筋混凝土空腹结构中短小的剪力键支模和钢 筋绑扎的困难，提高了施工的速度。
(3) 空腹结构的空气间层提高了屋面的总热阻，同时钢管装配剪力键的开孔螺母有利 于空气间层内热空气对流排出，提高了屋面的隔热性能。
(4) 传统架空层屋面仅有一道结构层，而空腹结构的现浇下弦层板肋和装配整体上弦 肋板层板肋两道结构层，增加了屋顶的防水、防渗防线。
(5) 传统架空层屋面防水层的维修需将架空层局部或全部拆除，费工、费时，而空腹 结构平整的上弦层表面降低了日后防水层的维护费用。
图1是传统的架空层屋面结构示意图； 图2是空腹结构热传导结构示意图； 图3是空腹结构下弦层平面结构图； 图4是空腹结构上弦层平面结构图； 图5是空腹结构剖面结构示意图； 图6-l是上弦板结构示意图； 图6-2是上弦肋结构示意图6-3是6-1的B-B剖视图7是出屋面钢管装配剪力键的装配图； 图7-1是钢管剪力键上部结构示意图； 图7-2是钢管剪力键下部结构示意图；图8是不出屋面钢管装配剪力键的装配图。
图中l.结构层，2.水泥砂浆找平层，3.防水层，4.水泥砂浆找平层，5.预制隔热小 板，6.砖砌支墩，7.保温层，8.架空隔热层，9.通风窗，10.太阳辐射热，11.辐射 热，12.室内热量，13.通风散热，14.下弦板，15.下弦肋，16.钢管剪力键，17. 上弦板，18.上弦肋，19.后浇混凝土， 20.梅花形布置抗剪钢筋，21.支承板，22.上部 剪力键钢管螺纹，23.上部剪力键栓钉，24.开孔螺母，25.下部剪力键钢管螺纹，26.下 部剪力键栓钉，27.封板，上部钢管剪力键28、下部钢管剪力键29。
具体实施例方式
下面通过实施例结合附图对本发明作进一步的描述。
实施例
如图3、图4、图5所示，本发明提供的钢管装配剪力键大、中跨度屋顶空腹保温隔热 结构，它包括上弦肋板层、下弦肋板层和剪力键，所述的剪力键是钢管剪力键16，上弦肋板 层包括上弦肋18和上弦板17，下弦肋板层包括下弦板14和下弦肋15，下弦板14和下弦肋 15以及竖向钢管剪力键16的下部在顶层楼面通过支模板和钢筋， 一次性现场浇注混凝土生 成一体结构，并且由此由上弦肋板层和下弦肋板层通过钢管剪力键16连接成空腹结构。如 图7、图8所示，钢管剪力键16可分成上部钢管剪力键28和下部钢管剪力键29，装配的位 置设在钢管剪力键高度的中部，上弦肋板层和下弦肋板层通过钢管剪力键16组成结构承力 构件的一部分与其下的屋面结构层组成共同受力的空腹结构；上部钢管剪力键28和下部钢 管剪力键29上分别设有上部剪力键钢管螺纹22和下部剪力键钢管螺纹25，并通过开孔螺母 24连接成整体。开孔螺母24可以是六角螺母。
一种钢管装配剪力键大、中跨度屋顶空腹保温隔热结构的施工方法它包括对空腹结构 采用现浇与预制相结合的施工方式，其特征是下弦肋板层的下弦板和下弦肋以及竖向的钢管 剪力键16是在顶层楼面支承模板、放置钢筋， 一次性现场浇注混凝土生成，在钢管剪力键 16的顶部预留出受力主筋与上弦肋板层的上弦肋18连接成整体；由于空腹结构的空腔高度 较小，上弦肋板层如用支模板现浇的方式，模板将无法取出，因此，上弦肋板层的上弦板17 和上弦肋18采用预制叠合的施工方法，钢管剪力键16的顶端预埋角钢环或是一圈耳板用以支承作为上弦板17和上弦肋18预制构件，待下弦肋板层的下—弦板14和下弦肋15以及钢管 剪力键16达到确定的设计强度时，将顶面留有抗剪钢筋的预制板搁置于钢管剪力键16顶端 预埋的角钢环或耳板上，调整钢管剪力键16预留出的受力钢筋，并绑扎上弦肋板层的上弦 板17和上弦肋18钢筋，后再浇注混凝土使其与作为上弦板17和上弦肋18的预制板连接成 整体，待后浇的混凝土达到确定设计强度以后，拆除下弦肋板层的支承模板，生成整体受力 的空腹结构。
当将图1中的预制隔热小板及砖砌支墩改造为结构的一部分后，屋顶的建筑剖面如图2 所示。该图中，上下均为结构层，上层结构板上表面可以设置防水层，下层结构板的上表面 设置防水层和保温层，两个结构层中间形成架空隔热层。
太阳辐射热一部分被上层结构板反射出去，另一部分穿过上层结构板进入架空隔热层， 由于架空隔热层一个单元块内为连通的空腔，建筑屋面边部单元空腔块内的热量被自然通风 散热出去，内部单元空腔块的热空气流动依靠本发明的装配钢管剪力键排出屋面，同时在下 层结构层的上表面设置的保温层进一步阻隔了热辐射向建筑室内的传播。
图2中两个结构层以及其上表面的两道防水层增强了建筑屋顶的防水、防渗能力。 图3、图4、图5表示了空腹结构的组成。在设计计算上，可以采用通用的有限元分析 软件计算各个构件的内力和变形，计算模型中，板采用板壳单元，肋采用空间梁单元，剪力 键采用块体单元或是空间梁柱单元。精确的分析要考虑板壳单元与空间梁单元的节点偏心影 响。
图3中，下弦肋板层结构由下弦肋和下弦板组成，下弦肋可以是图中的向上翻，也可以 是向下翻，无论是向上或是向下翻，对结构内力分析均无大的影响，仅板壳单元与空间梁单 元的偏心方向改变。下弦肋向上翻的建筑效果是顶层室内屋顶平整，没有梁凸出顶棚，但是 增加了下弦肋板层顶面的防水、保温层的处理难度；下弦肋向下翻，则顶层室内顶棚存有规 则的井字格，同时下弦层顶面的防水、保温层处理简单。使用者可以根据具体的要求选择下 弦肋上翻或下翻的形式。下弦肋板层的板和肋以及钢管剪力键16的下部可以同普通的现浇 混凝土结构一样， 一次用混凝土浇注成型。钢管剪力键下部29的栓钉因为平面位置在下弦 肋两个方向的交汇处，并不会凸出下弦肋的边缘。待下弦肋板层板和肋达到设计强度的70%以后，如图7、图7-1、图7-2所示，通过开 孔螺母24安装带支承板21的上部分钢管剪力键28，调节开孔螺母24，使得上部钢管剪力 键28所带的支承板21达到设计标高，支承板21可以是钢板。
搁置上弦板17、上弦肋18于钢管剪力键上部支承板上，上弦板17、上弦肋18的板面 应配置抗剪钢筋，以增强与后浇混凝土的共同工作能力。如图6-1、图6-2、图6-3所示， 上弦板17和上弦肋18为预制板结构。上弦板17的主筋应该伸出四周与后浇混凝土上弦层 两向肋拉结成整体。
当将预制板搁置到位后，绑扎上弦板17和上弦肋18的钢筋，再浇注后浇混凝土 (如图 5)，待该后浇混凝土达到设计强度时，拆除支承下弦层的模板，空腹结构成型，整体结构共 同工作。之后铺设上弦肋板层上表面的防水层3。
装配钢管剪力键16并非每个均要伸出屋面排气，可以在建筑屋顶内部一个封闭空腔内 设置两个即可，其它采用图8不出屋面的装配钢管剪力键。
应该注意的是，下弦肋板层上表面的防水层3和保温层7要在预制板搁置前施工完成， 否则以后将无法施工。
本发明的具体实施方式
可以分为设计计算和施工制作两大步骤。
设计计算首先进行上、下弦层梁肋的划分，通常为了减小梁肋的截面尺寸，梁肋的网 格长度取1000 1800mm为宜，其次确定空腹结构的高度，该高度指上弦肋板层梁肋中心到 下弦肋板层梁肋中心的距离，空腹结构的高度可以初取大于其整体跨度的1/30。在初定截面 尺寸之后，用通用的有限元软件进行内力分析，求算出各构件的截面内力及空腹结构的整体 变形，在变形满足规范要求之后进行截面配筋及强度计算。若变形不满足要求，则重新改变 构件截面，再次计算内力及变形，直至满足要求。由于这是本专业技术人员所熟知的，在此 不再详细描述。
施工制作采用现浇与预制相结合的施工方式，按照下列步骤实施，
1、下弦肋板层的板和肋以及竖向装配钢管剪力键的下部分可以在顶层楼面支模板、放 置钢筋， 一次性现场浇注混凝土生成。
102、 待下弦肋板层板和肋达到设计强度70%以后，铺设T^玄层板上表面的防水层和保温 层。
3、 通过开孔螺母安装带支承钢板的上部分钢管剪力键，调节开孔螺母，使得上部钢管 剪力键所带的钢板达到设计标高。
4、 将顶面留有抗剪钢筋的预制板搁置于钢管剪力键上部支承板上，绑扎上弦层的板和 肋钢筋。
5、 后浇注混凝土使其与预制板连接成整体。
6、 待后浇的混凝土达到设计强度以后，铺设上弦肋板层上表面的防水层。 拆除下弦肋板层的支承模板，生成整体受力的空腹结构。
权利要求
1、一种钢管装配剪力键大、中跨度屋顶空腹保温隔热结构，它包括上弦肋板层、下弦肋板层和剪力键，其特征是所述的剪力键是钢管剪力键，上弦肋板层包括上弦肋和上弦板，下弦肋板层包括下弦板和下弦肋，下弦板和下弦肋以及竖向钢管剪力键的下部在顶层楼面通过支模板和钢筋，一次性现场浇注混凝土生成一体结构，并且由此由上弦肋板层和下弦肋板层通过钢管剪力键连接成空腹结构。
2 、根据权利要求1所述的一种钢管装配剪力键大、中跨度屋顶空腹保温隔热结构，其特征是钢管剪力键分成上部钢管剪力键和下部钢管剪力键，装配的位置设在剪 力键高度的中部，上弦肋板层和下弦肋板层通过钢管剪力键组成结构承力构件的一部分与其下的屋面结构层组成共同受力的空腹结构；上部钢管剪力键和下部钢 管剪力键上分别设有上部剪力键钢管螺纹和下部剪力键钢管螺纹，并通过开孔螺 母连接成整体。
3 、 一种钢管装配剪力键大、中跨度屋顶空腹保温隔热结构的施工方法它包括对空腹结构采用现浇与预制相结合的施工方式，其特征是下弦肋板层的下弦板和下弦 肋以及竖向的剪力键是在顶层楼面支承模板、放置钢筋， 一次性现场浇注混凝土生成，在剪力键的顶部预留出受力主筋与上弦肋板层的上弦肋连接成整体；上弦 肋板层的上弦板和上弦肋采用预制叠合的施工方法，剪力键的顶端预埋角钢环或 是一圈耳板用以支承作为上弦板和上弦肋预制构件，待下弦肋板层的下弦板和下 弦肋以及剪力键达到确定的设计强度时，将顶面留有抗剪钢筋的预制板搁置于剪 力键顶端预埋的角钢环或耳板上，调整剪力键预留出的受力钢筋，并绑扎上弦肋 板层的上弦板和上弦肋钢筋，后再浇注混凝土使其与作为上弦板和上弦肋的预制 板连接成整体，待后浇的混凝土达到确定设计强度以后，拆除下弦肋板层的支承 模板，生成整体受力的空腹结构。
全文摘要
本发明公开了一种钢管装配剪力键大、中跨度屋顶空腹保温隔热结构及施工方法，它包括上弦肋板层、下弦肋板层和剪力键，其特征是所述的剪力键是钢管剪力键，上弦肋板层包括上弦肋和上弦板，下弦肋板层包括下弦板和下弦肋，下弦板和下弦肋以及竖向钢管剪力键的下部在顶层楼面通过支模板和钢筋，一次性现场浇注混凝土生成一体结构，并且由此由上弦肋板层和下弦肋板层通过钢管剪力键连接成空腹结构。本发明的技术效果在于获得建筑节能效果和防水、防渗的多道防线，在大、中跨度的屋盖中采用这种结构可以集建筑功能与结构受力性能于一体；并且克服了以往钢筋混凝土空腹结构中短小的剪力键支模和钢筋绑扎的困难，提高了施工的速度；有利于空气间层内热空气对流排出，提高了屋面的隔热性能。
文档编号E04B7/18GK101603345SQ20091010025
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月2日 优先权日2009年7月2日
发明者徐鹏如, 南 肖 申请人:浙江八达建设集团有限公司;浙江大学