一种分层装配式抗震交错桁架结构及组装方法

本发明涉及结构工程技术领域，特别涉及一种分层装配式抗震交错桁架结构及组装方法。

背景技术：

装配式结构具有施工速度快、工期相对短等特点，由于装配式建筑能够减少施工过程中的物料无辜损耗，同时可减少施工现场的建筑垃圾。

交错桁架具有大开间、施工速度快、工期短等优点，正被广泛地应用到工程中。交错桁架钢框架结构体系所具有的预制装配化、经济适用化的特点正切合了我国大力发展钢结构装配式住宅建筑的需求，属于重点研发和推广的技术项目。对于多高层交错桁架，对整根柱若一次安装就位，其对运输和吊装就提出了很高的要求。因此，将装配式技术应用于交错桁架，实现各层柱、桁架吊装拼接可显著降低施工难度。

当前国内外学者就提升交错桁架结构延性进行了探索，对其可恢复性的研究尚未开展。传统交错桁架腹杆主要受拉、压，结构耗能能力有限，寻求交错桁架结构耗能能力与可恢复能力的平衡成为未来研究的关键。

因此，亟需开发一种分层装配式抗震交错桁架结构。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种分层装配式抗震交错桁架结构及组装方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种分层装配式抗震交错桁架结构，包括结构桁架单元、空腹桁架单元、钢柱、钢梁和钢索。

所述结构桁架单元包括上弦杆、下弦杆、两根端腹杆、四根竖腹杆、两根端斜杆和两块开槽钢板。

所述端腹杆整体为工字钢。所述端腹杆包括腹板和翼缘。所述端腹杆竖直布置。两根端腹杆的腹板在相对一侧板面上从上到下依次设置有上连接板、上弦杆支撑板和下连接板。所述上连接板、上弦杆支撑板和下连接板均与腹板垂直。

所述上弦杆和下弦杆整体为工字钢。所述上弦杆和下弦杆夹设在两根端腹杆之间。所述上弦杆的两端在下翼缘设置有节点板。所述上弦杆的腹板与上连接板采用螺栓固定连接，节点板与上弦杆支撑板采用螺栓固定连接。所述下弦杆的腹板与下连接板采用螺栓固定连接。

所述竖腹杆整体为工字钢。所述竖腹杆包括依次竖直设置的上段工字钢、中段工字钢和下段工字钢。在上段工字钢腹板的下端、中段工字钢腹板的上下端和下段工字钢腹板的上端均焊接有矩形端板。位于上段工字钢腹板下端的矩形端板与位于中段工字钢腹板上端的矩形端板采用螺栓固定连接。位于中段工字钢腹板下端的矩形端板与位于下段工字钢腹板上端的矩形端板采用螺栓固定连接。所述四根竖腹杆竖向布置在上弦杆和下弦杆之间。所述竖腹杆的腹板与进深方向垂直。所述竖腹杆与上弦杆和下弦杆的接合位置采用sma自复位节点固定连接。

所述sma自复位节点包括t形连接件和sma板。所述t形连接件包括相互垂直的水平板和竖直板。所述水平板贴敷在上弦杆的下翼缘或下弦杆的上翼缘。所述水平板通过螺栓与上弦杆的下翼缘或下弦杆的上翼缘固定连接。所述sma板贴敷在竖腹杆翼缘的内侧。所述中段工字钢的翼缘和sma板通过螺栓固定连接。所述竖直板贴敷在sma板的内侧。螺栓依次穿过上段工字钢或下段工字钢的翼缘、sma板和竖直板将三者连接压紧。

所述四根竖腹杆依次记为第一竖腹杆、第二竖腹杆、第三竖腹杆和第四竖腹杆。所述第一竖腹杆、第二竖腹杆、上弦杆和下弦杆合围出容置框格。所述第三竖腹杆、第四竖腹杆、上弦杆和下弦杆合围出容置框格。所述容置框格内内嵌有开槽钢板。所述开槽钢板焊接在竖腹杆的翼缘板上。

所述第一竖腹杆和第四竖腹杆靠近端腹杆的一侧翼缘上设置有连接板。所述第一竖腹杆与对应端腹杆之间布置有端斜杆。所述第四竖腹杆与对应端腹杆之间布置有端斜杆。所述端斜杆的两端分别与节点板和连接板固定连接。

所述空腹桁架单元包括上弦杆、下弦杆和两根端腹杆。所述上弦杆和下弦杆夹设在两根端腹杆之间。所述上弦杆、下弦杆和端腹杆接合为矩形框架。

多个结构桁架单元和空腹桁架单元沿进深方向间隔布置构成一层整体建筑单元。相邻结构桁架单元与空腹桁架单元对应端腹杆通过钢梁固定连接。相邻结构桁架单元与空腹桁架单元的上弦杆通过钢索拉结固定。相邻结构桁架单元与空腹桁架单元的下弦杆通过钢索拉结固定。相邻钢梁之间通过钢索拉结固定。各层整体建筑单元依次向上叠合构成分层装配式抗震交错桁架结构。底层建筑单元的端腹杆的下端固定在钢柱上方。

进一步，底层建筑单元的每根端腹杆下方均对应设置有一根钢柱。所述钢柱上端和端腹杆下端均焊接有矩形封板。所述钢柱和对应端腹杆的矩形封板通过螺栓连接固定。

进一步，所述端腹杆和钢梁的接合部位设置有小段钢梁。所述小段钢梁的一端与端腹杆的翼缘焊接，另一端与钢梁采用矩形钢板和螺栓连接。

进一步，上下相邻的两层整体建筑单元的结构桁架单元和空腹桁架单元交错布置。下一层整体建筑单元的上弦杆用作上一层整体建筑单元的下弦杆。

进一步，所述相邻结构桁架单元与空腹桁架单元的上弦杆或下弦杆腹板相对一侧焊接有半圆形耳板。钢索以套筒方式连接在半圆形耳板上。

进一步，所述上弦杆、下弦杆和端腹杆上还焊接有加劲肋。

进一步，所述端斜杆包括两根角钢。所述角钢的两端分别与节点板和连接板通过三面角焊缝焊接。两根角钢组成t形截面。

本发明还提供根据一种上述分层装配式抗震交错桁架结构的组装方法，包括如下步骤：

1)在工厂标准化生产建筑构件。

2)完成结构桁架单元和空腹桁架单元的组装。

3)将结构桁架单元和空腹桁架单元连接在钢柱的预设位置。

4)连接钢梁和结构桁架单元和空腹桁架单元。

5)拉结钢索。

进一步，结构桁架单元的组装具体包括以下步骤：

a.将上弦杆、下弦杆和端腹杆按照桁架的构造进行螺栓连接。

b.通过t形连接件和sma板实现上弦杆、下弦杆和竖腹杆的连接。

c.焊接端斜杆。

d.焊接开槽钢板完成结构桁架单元的组装。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

a.提出了分层装配式交错桁架，避免了传统交错桁架结构中柱整根吊装问题，实现各构件分层装配的目标，减小了施工难度及危险性；

b.矩形封板可加强上下层之间的连接可靠性，防止连接处传力不可靠；

c.带缝钢板实现了强度、刚度解耦的目标，通过调节开缝长度、宽度、个数等参数，使结构变形模式可调，实现结构损伤可控的目标；

d.具有传递水平剪力能力的钢索可减小交错桁架结构对楼板的需求，同时钢索亦可为结构提供恢复力；

e.结构构造简单，可进一步提高实现装配化程度，提高施工进度，在多高层钢结构建筑装配式工业化和抗震领域拥有广阔的应用前景。

附图说明

图1为分层装配式抗震交错桁架结构示意图；

图2为结构桁架单元结构示意图；

图3为a处局部放大图；

图4为端腹杆结构示意图；

图5为上弦杆结构示意图；

图6为端斜杆结构示意图；

图7为开槽钢板结构示意图；

图8为下弦杆结构示意图；

图9为钢索结构示意图；

图10为半圆形耳板结构示意图；

图11为钢柱、钢梁与结构桁架单元连接关系图。

图中：钢柱1、上弦杆2、下弦杆20、端腹杆3、腹板301、翼缘302、上连接板303、上弦杆支撑板304、下连接板305、竖腹杆4、上段工字钢401、中段工字钢402、下段工字钢403、矩形端板404、连接板405、端斜杆5、t形连接件6、水平板601、竖直板602、sma板7、钢梁8、钢索9、开槽钢板10、小段钢梁11、半圆形耳板12。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1，本实施例提供一种分层装配式抗震交错桁架结构，包括布置在空间直接坐标系o-xyz中的结构桁架单元、空腹桁架单元、钢柱1、钢梁8和钢索9。坐标系o-xyz的z轴方向为楼层高度方向，x轴方向为进深方向。

参见图2，所述结构桁架单元包括上弦杆2、下弦杆20、两根端腹杆3、四根竖腹杆4、两根端斜杆5和两块开槽钢板10。

所述端腹杆3整体为工字钢。所述端腹杆3包括腹板301和翼缘302。所述端腹杆3竖直布置。两根端腹杆3的腹板301在相对一侧板面上从上到下依次设置有上连接板303、上弦杆支撑板304和下连接板305。所述上连接板303、上弦杆支撑板304和下连接板305均与腹板301垂直。

参见图5和图7，所述上弦杆2和下弦杆20整体为工字钢。所述上弦杆2和下弦杆20夹设在两根端腹杆3之间。所述上弦杆2的两端在下翼缘设置有节点板201。所述上弦杆2的腹板与上连接板303采用螺栓固定连接，节点板201与上弦杆支撑板304采用螺栓固定连接。所述下弦杆20的腹板与下连接板305采用螺栓固定连接。

所述竖腹杆4整体为工字钢。所述竖腹杆4包括依次竖直设置的上段工字钢401、中段工字钢402和下段工字钢403。在上段工字钢401腹板的下端、中段工字钢402腹板的上下端和下段工字钢403腹板的上端均焊接有矩形端板404。位于上段工字钢401腹板下端的矩形端板404与位于中段工字钢402腹板上端的矩形端板404采用螺栓固定连接。位于中段工字钢402腹板下端的矩形端板404与位于下段工字钢403腹板上端的矩形端板404采用螺栓固定连接。所述四根竖腹杆4竖向布置在上弦杆2和下弦杆20之间。所述竖腹杆4的腹板与进深方向垂直。所述竖腹杆4与上弦杆2和下弦杆20的接合位置采用sma自复位节点固定连接。

参见图3，所述sma自复位节点包括t形连接件6和sma板7。所述t形连接件6包括相互垂直的水平板601和竖直板602。所述水平板601贴敷在上弦杆2的下翼缘或下弦杆20的上翼缘。所述水平板601通过螺栓与上弦杆2的下翼缘或下弦杆20的上翼缘固定连接。所述sma板7贴敷在竖腹杆4翼缘的内侧。所述中段工字钢402的翼缘和sma板7通过螺栓固定连接。所述竖直板602贴敷在sma板7的内侧。螺栓依次穿过上段工字钢401或下段工字钢403的翼缘、sma板7和竖直板602将三者连接压紧。

所述四根竖腹杆4依次记为第一竖腹杆、第二竖腹杆、第三竖腹杆和第四竖腹杆。所述第二竖腹杆、第三竖腹杆、上弦杆2和下弦杆20合围出空腹开间以供当作走廊使用。所述第一竖腹杆、第二竖腹杆、上弦杆2和下弦杆20合围出容置框格。所述第三竖腹杆、第四竖腹杆、上弦杆2和下弦杆20合围出容置框格。所述容置框格内内嵌有开槽钢板10。所述开槽钢板10焊接在竖腹杆的翼缘板上。开槽钢板10的结构如图7所示。开槽钢板10提高了桁架单元的抗侧刚度及耗能能力。

所述第一竖腹杆和第四竖腹杆靠近端腹杆3的一侧翼缘上设置有连接板405。所述第一竖腹杆与对应端腹杆3之间布置有端斜杆5。所述第四竖腹杆与对应端腹杆3之间布置有端斜杆5。所述端斜杆5的两端分别与节点板201和连接板405固定连接。

所述空腹桁架单元包括上弦杆2、下弦杆20和两根端腹杆3。所述上弦杆2和下弦杆20夹设在两根端腹杆3之间。所述上弦杆2、下弦杆20和端腹杆3接合为矩形框架。

多个结构桁架单元和空腹桁架单元沿进深方向间隔布置构成一层整体建筑单元。相邻结构桁架单元与空腹桁架单元对应端腹杆3通过钢梁8固定连接。相邻结构桁架单元与空腹桁架单元的上弦杆2通过钢索9拉结固定。相邻结构桁架单元与空腹桁架单元的下弦杆20通过钢索9拉结固定。相邻钢梁8之间通过钢索9拉结固定，保证剪力的有效传递。各层整体建筑单元依次向上叠合构成分层装配式抗震交错桁架结构。底层建筑单元的端腹杆3的下端固定在钢柱1上方。上下相邻的两层整体建筑单元的结构桁架单元和空腹桁架单元交错布置。下一层整体建筑单元的上弦杆2用作上一层整体建筑单元的下弦杆20。

参见图11，底层建筑单元的每根端腹杆3下方均对应设置有一根钢柱1。所述钢柱1上端和端腹杆3下端均焊接有矩形封板。所述钢柱1和对应端腹杆3的矩形封板通过螺栓连接固定，实现分层装配。所述端腹杆3和钢梁8的接合部位设置有小段钢梁11。所述小段钢梁11的一端与端腹杆3的翼缘302焊接，另一端与钢梁8采用矩形钢板和螺栓连接。

在地震作用下，变形主要集中于sma板和开槽钢板上，利用sma板及受拉钢索实现震后可恢复。在变形过程中sma自复位节点、开槽钢板均提供耗能能力。本实施例可有效地实现耗能能力和自复位性能的平衡，同时该结构构造简单，可进一步提高装配化程度、施工进度，在多高层钢结构建筑装配式工业化和抗震领域拥有广阔的应用前景。

实施例2：

本实施例提供一种分层装配式抗震交错桁架结构，包括结构桁架单元、空腹桁架单元、钢柱1、钢梁8和钢索9。

所述结构桁架单元包括上弦杆2、下弦杆20、两根端腹杆3、四根竖腹杆4、两根端斜杆5和两块开槽钢板10。

参见图4，所述端腹杆3整体为工字钢。所述端腹杆3包括腹板301和翼缘302。所述端腹杆3竖直布置。两根端腹杆3的腹板301在相对一侧板面上从上到下依次设置有上连接板303、上弦杆支撑板304和下连接板305。所述上连接板303、上弦杆支撑板304和下连接板305均与腹板301垂直。

所述上弦杆2和下弦杆20整体为工字钢。所述上弦杆2和下弦杆20夹设在两根端腹杆3之间。所述上弦杆2的两端在下翼缘设置有节点板201。所述上弦杆2的腹板与上连接板303采用螺栓固定连接，节点板201与上弦杆支撑板304采用螺栓固定连接。所述下弦杆20的腹板与下连接板305采用螺栓固定连接。

所述竖腹杆4整体为工字钢。所述竖腹杆4包括依次竖直设置的上段工字钢401、中段工字钢402和下段工字钢403。在上段工字钢401腹板的下端、中段工字钢402腹板的上下端和下段工字钢403腹板的上端均焊接有矩形端板404。位于上段工字钢401腹板下端的矩形端板404与位于中段工字钢402腹板上端的矩形端板404采用螺栓固定连接。位于中段工字钢402腹板下端的矩形端板404与位于下段工字钢403腹板上端的矩形端板404采用螺栓固定连接。所述四根竖腹杆4竖向布置在上弦杆2和下弦杆20之间。所述竖腹杆4的腹板与进深方向垂直。所述竖腹杆4与上弦杆2和下弦杆20的接合位置采用sma自复位节点固定连接。

所述sma自复位节点包括t形连接件6和sma板7。所述t形连接件6包括相互垂直的水平板601和竖直板602。所述水平板601贴敷在上弦杆2的下翼缘或下弦杆20的上翼缘。所述水平板601通过螺栓与上弦杆2的下翼缘或下弦杆20的上翼缘固定连接。所述sma板7贴敷在竖腹杆4翼缘的内侧。所述中段工字钢402的翼缘和sma板7通过螺栓固定连接。所述竖直板602贴敷在sma板7的内侧。螺栓依次穿过上段工字钢401或下段工字钢403的翼缘、sma板7和竖直板602将三者连接压紧。

所述四根竖腹杆4依次记为第一竖腹杆、第二竖腹杆、第三竖腹杆和第四竖腹杆。所述第一竖腹杆、第二竖腹杆、上弦杆2和下弦杆20合围出容置框格。所述第三竖腹杆、第四竖腹杆、上弦杆2和下弦杆20合围出容置框格。所述容置框格内内嵌有开槽钢板10。所述开槽钢板10焊接在竖腹杆的翼缘板上。

所述第一竖腹杆和第四竖腹杆靠近端腹杆3的一侧翼缘上设置有连接板405。所述第一竖腹杆与对应端腹杆3之间布置有端斜杆5。所述第四竖腹杆与对应端腹杆3之间布置有端斜杆5。所述端斜杆5的两端分别与节点板201和连接板405固定连接。

所述空腹桁架单元包括上弦杆2、下弦杆20和两根端腹杆3。所述上弦杆2和下弦杆20夹设在两根端腹杆3之间。所述上弦杆2、下弦杆20和端腹杆3接合为矩形框架。

多个结构桁架单元和空腹桁架单元沿进深方向间隔布置构成一层整体建筑单元。相邻结构桁架单元与空腹桁架单元对应端腹杆3通过钢梁8固定连接。相邻结构桁架单元与空腹桁架单元的上弦杆2通过钢索9拉结固定。相邻结构桁架单元与空腹桁架单元的下弦杆20通过钢索9拉结固定。各层整体建筑单元依次向上叠合构成分层装配式抗震交错桁架结构。底层建筑单元的端腹杆3的下端固定在钢柱1上方。

交错桁架结构在水平荷载作用下，上层结构桁架单元的下弦杆通过钢索将水平力传递给相邻下层结构桁架单元的上弦杆；端斜杆、开槽钢板将上弦杆的剪力传递给下弦杆。综上，分层装配式交错桁架结构通过各构件协同受力以达到整体抗震的效果。

实施例3：

参见图9和图10，本实施例主要结构同实施例2，其中，所述相邻结构桁架单元与空腹桁架单元的上弦杆2或下弦杆20腹板相对一侧焊接有半圆形耳板12。钢索9以套筒方式连接在半圆形耳板12上。

实施例4：

本实施例主要结构同实施例2，其中，所述上弦杆2、下弦杆20和端腹杆3上还焊接有加劲肋。

实施例5：

本实施例主要结构同实施例2，其中，参见图6，所述端斜杆5包括两根角钢。所述角钢的两端分别与节点板201和连接板405通过三面角焊缝焊接。两根角钢组成t形截面。

实施例6：

本实施例提供一种根据实施例2所述分层装配式抗震交错桁架结构的组装方法，包括如下步骤：

1)在工厂标准化生产建筑构件。

2)完成结构桁架单元和空腹桁架单元的组装。

结构桁架单元的组装具体包括以下步骤：

a.将上弦杆2、下弦杆20和端腹杆3按照桁架的构造进行螺栓连接。

b.通过t形连接件6和sma板7实现上弦杆2、下弦杆20和竖腹杆4的连接。

c.焊接端斜杆5。

d.焊接开槽钢板10完成结构桁架单元的组装。3)将结构桁架单元和空腹桁架单元连接在钢柱1的预设位置。

4)连接钢梁8和结构桁架单元和空腹桁架单元。

5)拉结钢索9。