用于装配式建筑的钢结构装配体系及施工方法与流程

该发明涉及装配式建筑技术领域，尤其涉及一种钢结构搭建技术及连接结构。

背景技术：

装配式钢结构体系是指按照统一、标准的建筑部品规格制作的房屋单元或构件，能够在工厂完成的工序尽量在工厂完成，理想状态下施工现场只有装配工序。装配式钢结构体系的开发和应用对结构工程产业化发展具有重要意义，发展工业化装配式钢结构体系是绿色建筑和建筑工业化的迫切要求。

钢结构作为一种重要的装配式建筑体系组成部分，在装配式建筑中被广泛的应用。按照钢梁和钢柱的装配率来分，包括焊接节点和机械装配式节点，下面分别分析其优劣。

以清华大学提交的cn109024900a为例，在装配式技术中，特别的公开了一种可拆卸式的装配式钢结构组合梁柱节点，包括闭口截面钢柱、h型钢梁、端板、预制混凝土板、预埋螺栓杆、第一螺母、矩形套筒或槽钢，闭口截面钢柱沿垂直方向设置；h型钢梁沿水平方向设置；端板沿垂直方向设置，其焊接于h型钢梁的一端；预制混凝土板在承接闭口截面钢柱处预埋带有孔洞的矩形套筒或槽钢，预制混凝土板的底部设置有预埋螺栓杆；闭口截面钢柱与所述端板通过螺栓固接；h型钢梁与预制混凝土板通过预埋螺栓杆和第一螺母固接。是一种全螺栓连接的样式，其优势是安装方式简单，装配速度高，避免现场焊接作业，但是其缺点也是存在的，例如，h型钢梁和端板之间存在焊接应力，在地震的强烈的作用下，形成薄弱点，容易造成焊接的脱落，同时，该种节点结构中，h型钢梁的两端直接通过端板固定在钢柱上，h型钢梁没有伸缩空间，也就是说，当钢梁在水平长度方向上需要伸或者缩时，使得端板和钢柱之间产生拉应力或者挤压应力，内部应力的产生会降低钢结构的使用寿命，同时也不利于建筑的安全，因此，有必要针对该问题进行结构优化。

针对上述钢梁伸缩应力的抵消研究，有发明人进行了前期的研究工作，例如山东大学提交的专利技术，cn207160233u，该文献中公开了使用角码等转接件对钢柱和钢梁连接节点进行过度连接的技术现状，该技术中，通过公开了一种震后可修复式钢梁柱单边连接节点和钢结构建筑，钢梁与钢柱的接合处设置有腹板连接件和翼缘连接件，所述腹板连接件同时与所述钢梁的腹板和所述钢柱的翼缘连接，所述翼缘连接件同时与所述钢梁的下翼缘和所述钢柱的翼缘连接，所述翼缘连接件的中部为削弱区。该专利技术的本质是在钢结构节点位置形成转动的、可塑性铰的连接，通过该位置的塑性变形使得抗震、可控。

以上钢结构节点无论是使用转接件还是使用端板，都是成一字形布置的，所谓的一字形布置是指，在钢柱的两侧形成对称的结构，也就是说钢柱两侧的钢梁是对称的布置的，这样钢梁两端没有足够的伸缩空间，在服役期间即产生了内部应力，在强震的作用下，这种由于钢梁伸缩特性产生的连接应力会被急剧放大，造成连接节点的薄弱环节。

为了解决钢梁伸缩产生的内部应力在强震情况下产生不利因素的问题，北京工业大学在cn106948484b中给出了一种解决方案，就是在钢梁上设置带有伸缩的薄弱区，并在该薄弱区设置有辅助支撑装置，用于强化该薄弱区的抗震性能。

以上专利文献都没有从根本上解决钢结构节点的根本问题。

要从根本上解决上述问题，从根源上说，现有技术中，钢梁和钢柱的连接部位都是对称式布置的，对称式设计的优点是便于布局，缺点是在钢梁方向上容易产生伸缩量的叠加，造成内部应力。无论如何，这种内部应力只能缓解，不能从根本上解决。

钢结构中钢梁相对于钢柱产生的水平方向的伸缩应力，理想状态下应当为零，也就是不存在应力，这种理想状态下的解，在现有的技术理论中没有有效的解决方案。

本发明就是针对这一难题进行的技术革新。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种钢结构连接体系及施工方法，用于解决现有钢结构体系中梁柱结合点存在安装应力，尤其是钢梁伸缩、抗震过程中产生有害应力的问题，提高钢结构的抗震能力。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

用于装配式建筑的钢结构装配体系，应用于单层或者多层建筑中，包括立柱和横梁，以及对横梁和立柱进行过渡连接的牛腿，其特征在于，

相邻的两个立柱之间的连接同时满足以下配合关系：

a、相邻的两个立柱的同一侧有且仅有一对牛腿彼此同直线设置，且在两个牛腿之间安装一根横梁；

b、相邻的两根立柱之间仅仅存在一根横梁连接，且横梁两端分别与对应立柱上的牛腿进行活动连接；

c、每根立柱的四周形成至少两根向外呈辐射状设置的横梁，且同一立柱上安装的横梁之间彼此不干涉，且相邻的两根立柱上的横梁辐射方向相反；

d、横梁位于对应立柱的侧方位。

进一步地，每一根立柱上的横梁数量为四根或者两根。

进一步地，所述牛腿包括斜支撑和矩形套筒，其中，所述斜支撑固定与立柱侧面，所述斜支撑上方有和横梁端部活动连接的矩形套筒。

进一步地，所述牛腿包括辅助斜支撑和u形体，其中，辅助斜支撑固定于立柱侧面，所述辅助斜支撑上方有u形体，在u形体内有滑动槽，横梁的一端可滑动的设置在滑动槽内。

进一步地，所述横梁为工字钢，且在横梁的两端端部有封板，并在封板和u形体之间使用弹簧和拉栓进行弹性连接。

钢结构装配体系的施工方法，其特征在于，

第一步，在工厂中完成立柱的制作，并在立柱上完成牛腿的固定；同时，在工厂中完成横梁的制作；

第二步，将立柱和横梁运输至现场并施工，将立柱按照施工图纸要求进行安装，安装立柱并满足：

相邻的两个立柱之间的连接同时满足以下配合关系：

a、相邻的两个立柱的同一侧有且仅有一对牛腿彼此同直线设置，且在两个牛腿之间安装一根横梁；

b、相邻的两根立柱之间仅仅存在一根横梁连接，且横梁两端分别与对应立柱上的牛腿进行活动连接；

c、每根立柱的四周形成至少两根向外呈辐射状设置的横梁，且同一立柱上安装的横梁之间彼此不干涉，且相邻的两根立柱上的横梁辐射方向相反；

d、横梁位于对应立柱的侧方位；

第三步，在成对且相对设置的横梁上铺装底模板并固定；

第四步，在底模板上进行混凝土的浇筑，养护后形成楼面。

进一步地，所述牛腿包括斜支撑和矩形套筒，其中，所述斜支撑固定与立柱侧面，所述斜支撑上方有和横梁端部活动连接的矩形套筒，所述横梁端部可滑动的插入到所述矩形钢套筒内。

进一步地，所述牛腿包括辅助斜支撑和u形体，其中，辅助斜支撑固定于立柱侧面，所述辅助斜支撑上方有u形体，在u形体内有滑动槽，所述横梁的端部可滑动的设置在滑动槽内。

进一步地，所述横梁为工字钢，且在横梁的两端端部有封板，并在封板和u形体之间使用弹簧和拉栓进行弹性连接。

进一步地，在步骤三之前还包括一个使用高强螺栓将横梁和对应的牛腿进行弹性连接的施工过程。

本发明的有益效果是：

使用本发明技术搭建的钢结构体系，在梁、柱之间不存在水平方向的受拉或者受压的内部应力，在地震等外部力量作用下，也可以进行水平方向的微量的移动，避免梁柱结合点处的疲劳破坏。

本发明中，横梁搭接在立柱的四周，且成叠加的辐射状布置，具有充足的搭接空间，和足够的伸缩空间，且牛腿与立柱之间的结合更加牢靠，具有更加优异的抗震性能。

所有的焊接加固工序都在工厂完成，现场只有装配施工环节，避免高空焊接作业，装配率和装配效率更高。

附图说明

图1为本钢结构体系的立体图。

图2为横梁的立体图。

图3为b立柱的立体图。

图4为a立柱的立体图。

图5为a牛腿与立柱的结合示意图。

图6为底模板的立体图(局部)。

图7为钢结构体系的局部单元。

图8为钢结构体系的搭建过程图。

图9为相邻单元的局部示意图。

图10为单层钢结构系统的示意图。

图11为多层钢结构体系的示意图。

图12为多层钢结构体系。

图13为实施例二的组成图。

图14为实施例三中的b立柱示意图。

图15为实施例三中a立柱示意图。

图中：10a立柱，

20b立柱，

30横梁，31封板，32高强度拉栓，33弹簧，34螺纹孔，

40a牛腿，41斜支撑，42矩形套筒，

50b牛腿，51u形体，52挡板，53滑动槽，

60底模板。

具体实施方式

实施例一

本实施例一是针对建筑/大型公共建筑等常规钢结构建筑实施的。

用于装配式建筑的钢结构连接体系，在钢结构建筑中，钢结构的体系包括立柱、横梁和楼面结构，其中立柱的样式通常包括断面为矩形的钢管，或者断面为工字形的工字钢，或者其他的特殊结构。本实施例以断面为矩形的钢管为例进行说明。

参考图1至图5，本实施例中，在钢结构搭建的过程中，立柱的结构是相同或者相类似的，根据立柱上的支撑构件的搭建角度、方式和布局，将立柱分别按照a立柱和b立柱的方式进行标记，但是需要说明的是，无论是a立柱还是b立柱在规格、尺寸上没有本质区别，仅仅是为了便于描述而划分的。但是，需要强调的是，即便a立柱和b立柱没有区别，但是横梁在a立柱和b立柱上的固定、布置方式还是有区别的，这将在以下的文字中有所描述和介绍。

通常地。在钢结构建筑中，以住宅为例，通常立柱的组装，以每两层至三层层高为单元进行合理布局，既便于立柱的吊装、运输，又便于立柱的组装和抗震设计。在绝大部分的钢结构建筑中，立柱通常是自下而上竖直设置的，且每根立柱的高度为层高的两倍或者三倍。

在图1中，a立柱10和b立柱20以彼此交错的方式布置，也可以说，每一个a立柱和b立柱彼此相邻，且每两个a立柱10之间必然存在一个b立柱20，或者说，每两个b立柱之间必然存在一个a立柱，这种布置参考图1可以进行拓展，根据不同的建筑规格进行网格化的延展。

本实施例中，立柱采用厚钢板焊接形成，这一点与建筑行业的钢立柱的加工是一致的。立柱内部具有空洞的空间，通常的，在需要安装横梁位置的立柱上打孔，形成螺栓安装孔，优选的，作为一种可选方式，螺栓安装孔为长条孔，通常，应用最多的，长条孔为水平状态的，对应的安装螺栓为头部为t形的强化螺栓。t形的强化螺栓为常用紧固件，该螺栓具有两个工位或者称之为两种状态，插入状态和锁止状态，插入状态使得该螺栓可以顺利的插入到长条孔内，锁止状态可以顺利的进行锁止。

下面结合说明书附图对a立柱和b立柱的布局进行详细的说明。

在图1和图4中，在每一个a立柱10上分别固定四根横梁30，且四根横梁30以逆时针(俯视状态)的形式进行顺次的布置，也就是说，四根横梁的端部以逆时针的特定方向与a立柱进行连接。且，在连接点位置，横梁的端部不超出a立柱，也就是说，四根横梁彼此不交叉。

在图1和图3中，在每一个b立柱20上分别固定四根横梁，且四根横梁以顺时针(俯视状态)的形式进行顺次的布置，也就是说，四根横梁的端部以顺时针的特定方向与b立柱进行连接。

从图1中可以看出，两种规格的立柱是彼此交错的方式布置的，也就是说，从横梁的角度出发，每一根横梁的两端必然的落在a立柱和b立柱上，这样，使得横梁完成对于a/b立柱的连接。且这种连接，横梁与a/b立柱之间不存在必然的、直接的焊接应力或者连接应力，可以克服与a/b立柱之间直接连接过程中产生的应力的问题。

本实施例中，立柱优选断面为方形的钢管立柱，当然，在二次或者局部优化后，也可以使用工字钢断面的立柱，这种立柱，需要对局部进行二次优化或者加工。

本实施例中，横梁适用于常见的断面为工字形的横梁。当然，在工程允许的情况下也可以使用矩形钢管作为横梁使用。

在立柱和横梁搭接、连接处使用专用牛腿支撑，且牛腿设置的位置在立柱的侧面，也就是说牛腿设置在一侧，这样，横梁在a立柱和b立柱之间连接过程中，分别与a立柱和b立柱形成部分重叠，且具有足够的延展空间，也可以说，这种布局的方式，使得每一根横梁在长度方向上具有足够的搭接空间，且同时具备足够的滑移空间。且同一立柱两侧的横梁朝相反的方向设置，且不共线。

本实施例中，根据样式的不同，可以将牛腿分别标示为a牛腿和b牛腿，两种样式的牛腿既有相同点也有不同点，下面结合说明书附图3/4/5进行详细的说明。

在图5中，标示的为单个的a牛腿与立柱的连接状态图。

a牛腿40包括斜支撑41和矩形套筒42，其中，斜支撑41是由竖板和平板组成的三角铁结构，且在三角铁结构中焊接有多个加强肋板，主要用于承受来自横梁端部的下压力，主要的受力方式为竖向的剪切应力，本实施例中，该斜支撑与立柱之间为螺栓连接，即使用高强度螺栓进行连接，当然也可以采用焊接连接。通常的，斜支撑与立柱之间的连接是在地面处或者在钢结构车间内完成的连接，可以避免高空作业。在斜支撑上方的为矩形套筒，矩形套筒42是断面为矩形的钢套筒，矩形套筒通常焊接在斜支撑上，两者连接成为一体，同时，将矩形套筒和立柱之间为焊接或者螺栓连接，形成一体。矩形套筒固定在立柱上，主要受到的为侧向的拉拔力。

本实施例中，a牛腿与立柱的连接过程，优选在工厂车间内完成，也就是说，该结构可以实现工厂化的生产，提高装配效率和装配率。

图5中，矩形套筒41与立柱之间使用高强度螺栓连接，具体地，在矩形套筒上设置工艺孔和螺栓孔，通过工艺孔可以方便的对矩形套筒使用螺栓进行固定，同时，在矩形套筒和立柱之间使用焊接的方式进行辅助的连接。

同样的，b牛腿50的结构参考a牛腿的结构，以及参考a牛腿的连接方式。本处着重说明与a牛腿的不同之处。

b牛腿中，斜支撑的结构、受力方式等与a牛腿中完全相同，在b牛腿50上部为u形体51，u形体与立柱之间使用高强度螺栓连接或焊接固定，在u形体内部焊接有挡板52，挡板的焊接位置，挡板焊接后，在u形体内部形成一个敞口的滑动槽53，该滑动槽的朝向在a立柱和b立柱上具有不同的设置，具体地，在a立柱中，滑动槽53的朝向为逆时针，也就是说，横梁的一端按照逆时针的方向搭接在滑动槽内。在b立柱中，滑动槽的朝向为顺时针，也就是说，横梁的一端按照顺时针的方向搭接在滑动槽内。

横梁30，采用断面为工字的钢结构，包括竖向的钢腹板和水平设置的翼板组成，具有良好的力学性能，在横梁的两端的端部焊接封板31，并在其中的一端的封板上设置有螺栓孔，在螺栓孔内穿设一根高强度拉栓32，且在拉栓和封板之间设置弹簧33，弹簧优先设置在横梁的近端，也就是横梁的工字槽内，参考图2。在横梁上根据需要机加工螺纹孔34，用于浇筑底模板60的安装。

为便于对本钢结构体系进行详细的说明，在图1中，对钢结构的三维空间进行坐标定义，参考图1中坐标系。

该钢结构体系中，a立柱和b立柱按照彼此间隔的方式布置，也就是说与a立柱10相邻的必然是b立柱20，同样的，与b立柱相邻的必然是a立柱，在图1中共给出了三根a立柱和三根b立柱，形成彼此错位交错的方式布置，在每根立柱的同一水平位置设置a牛腿和b牛腿，其中，在吊装a立柱或b立柱的过程中，要求相邻的两个a立柱和b立柱之间满足以下关系：

1、相邻的两个a立柱和b立柱的同一侧有且仅有一个a牛腿和b牛腿彼此同直线设置，且在两个牛腿之间满足安装一根横梁的吊装、安装要求。

2、相邻的两根立柱(例如a立柱和b立柱)之间仅仅存在一根横梁连接；

3、每根立柱的四周形成四根向外呈辐射状设置的横梁，且四根横梁彼此不干涉；

4、横梁位于对应立柱的侧方位；

在吊装横梁的过程中，先将横梁的一端插入到a牛腿中的矩形套筒中，然后将另一端放置在b牛腿的滑动槽内，最后使用螺母完成横梁端部与b牛腿的挡板52进行连接。同时在a牛腿的近端工艺孔内旋入高强度螺栓，完成对横梁的限位。通过上述安装后，横梁在两个立柱之间形成一种无应力的，可以滑动的安装，且横梁与两端的立柱之间仅仅存在垂直方向的作用力，不存在焊接应力，或者栓接应力。

参考图7至图10，通过连续吊装作业，在a立柱的牛腿上形成四个沿着逆时针方向布置的四根横梁，同时在每个b立柱的牛腿上形成四个沿着顺时针方向设置的四根横梁。每一根横梁的两端必然联系a立柱和b立柱，且每两个相邻的a立柱之间必然仅仅存在一根横梁连接。

根据上述方案，可以进行单层钢结构的构建，也可以进行多层钢结构的构建，图11。

针对上述钢结构体系的构建施工方法：

第一步，在工厂中完成a立柱和b立柱的制作，且两种立柱上的牛腿按照图3和图4上的图纸进行设计；在工厂中完成横梁的制作；制作后的横梁参考图2所示。

第二步，现场组装，将a立柱和b立柱按照图纸要求进行安装，具体的，应满足，以图1和图10为例，同一行中，每一个a立柱上的四个牛腿的安装方式相同，同样的同一行中，每一个b立柱上的四个牛腿的安装方式相同，同时相邻的行中，相邻的两个a立柱成180度夹角的样式存在，参考图1，这种布局方式能够满足：

1、相邻的两个a立柱和b立柱有且仅有一对a牛腿和b牛腿彼此同直线设置，且在两个牛腿之间满足安装一根横梁的吊装、安装要求。

2、相邻的两根立柱(例如a立柱和b立柱)之间仅仅存在一根横梁连接；

3、每根立柱的四周形成四根向外呈辐射状设置的横梁；

4、横梁位于对应立柱的侧方位；

的要求。

第三步，使用高强螺栓将横梁和对应的牛腿进行连接，具体的，在每一根横梁的一端使用高强拉栓和弹簧进行弹性连接，横梁另一端插入到矩形钢套中，并使用限位螺栓进行安全限位。

第四步，在成对且相对设置的横梁上铺装底模板，参考图5，并使用紧固螺钉紧固，逐步完成所有底模板的铺装；参考图10。钢结构建筑中，底模板通常采用带有褶皱的薄钢板制作，和模板支撑体系配合，实现楼面混凝土的浇筑。

第五步，在底模板上进行混凝土的浇筑，养护后形成楼面，参考图12。

实施例二

实施例一中，每个立柱的四周安装四个牛腿，这样，在钢结构体系中形成田字形的横梁组件体系，在实际钢结构中，根据需要可以进行简化，例如，在每个立柱中形成两个牛腿，在钢结构中形成日字形的横梁组件体系，参考图13。

通过这种方式，在每一根立柱上分别形成两只牛腿，可以减少一半的牛腿数量和一半的横梁数量，这种方式同样满足以下要求：

1、同一行中(x方向)，相邻的两个a立柱和b立柱有且仅有一对a牛腿和b牛腿彼此同直线设置，且在两个牛腿之间满足安装一根横梁的吊装、安装要求。

2、同一行中，相邻的两根a立柱和b立柱之间仅仅存在一根横梁连接；

3、每根立柱的两侧形成两根向反方向呈辐射状设置的横梁；

4、横梁位于对应立柱的侧方位；

这种钢结构体系，适用于单层建筑或者多层建筑。

实施例三

本实施例相对于实施例一，b牛腿有所区别，具体的，在b牛腿中没有设置挡板，也就是说，横梁与b牛腿之间为搭接连接，且装配到位后，在横梁和b牛腿之间进行焊接固定，这样，横梁的一端和b牛腿焊接固定，另一端和a牛腿中的矩形套筒进行滑动连接，这种结构相对于实施例一更加便于实施，这一实施结构可以参考图14和15。

实施例四

在实施例三的基础上，结合实施例二的布置方式进行设置，即，在每一个立柱上设置两个牛腿，同样要满足：

1、同一行中(x方向)，相邻的两个a立柱和b立柱有且仅有一对a牛腿和b牛腿彼此同直线设置，且在两个牛腿之间满足安装一根横梁的吊装、安装要求。

2、同一行中，相邻的两根a立柱和b立柱之间仅仅存在一根横梁连接；

3、每根立柱的两侧形成两根向反方向呈辐射状设置的横梁；

4、横梁位于对应立柱的侧方位；

这种钢结构体系，适用于单层建筑或者多层建筑。

实施例五

与实施例一不同之处在于，每一个立柱上设置的四个牛腿，为四个结构相同的a牛腿，同样可以实现上述的装配和安装。

上面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。