U型钢、混凝土组合正交斜放空间网格盒式结构及制作方法.pdf

本发明涉及一种U型钢、混凝土组合正交斜放空间网格盒式结构，建筑物楼盖的空腹梁与其周边钢筋混凝土网格式框架柱刚性连接；建筑物楼盖周边为等腰三角形网格，中间沿周边45°夹角为正方形空腹网格；周边等腰三角形直角边尺寸a与等腰三角形斜边长a1为a=a1×sin45°；建筑物楼盖由下弦和上弦通过钢筋混凝土剪力键连接而成，下弦由U型钢构件和U型钢构件槽内的钢筋混凝土层构成，控制了楼盖下弦混凝土裂缝开展，空腹楼盖的周边与钢筋混凝土网格式框架柱刚性连接，当跨度大于30m以后，下弦网格使内力分布均匀，提高结构的滞廻性和延性，减小楼盖的厚度，进一步降低楼层厚度，从而降低建筑层高，节约工程造价。

1.  U型钢、混凝土组合正交斜放空间网格盒式结构，其特征在于：建筑物楼盖空腹梁两端的上、下弦与其周边钢筋混凝土网格式框架柱刚性连接；
建筑物楼盖周边为等腰三角形网格，中间沿周边45°夹角为正方形空腹网格；周边等腰三角形直角边尺寸a与等腰三角形斜边长a1为a=a1×sin45°关系；
所述建筑物楼盖由下弦和上弦通过钢筋混凝土剪力键连接而成，下弦由U型钢构件和U型钢构件槽内的钢筋混凝土层构成。

2.  如权利要求1所述的U型钢、混凝土组合正交斜放空间网格盒式结构，其特征在于：建筑物楼盖为长边（L_x）与短边（L_y即跨度）之比L_x/L_y＞1.5的窄长形平面，跨度Ly＞30m。

3.  如权利要求1所述的U型钢、混凝土组合正交斜放空间网格盒式结构，其特征在于：空腹梁其上弦截面为T形，其下弦截面为矩形，其剪力键净高h₀与其净宽B之比h₀/B≤1。

4.  如权利要求1所述的U型钢、混凝土组合正交斜放空间网格盒式结构，其特征在于：所述U型钢构件由U型截面钢板连接而成，U型截面钢板两端底部具有延长部，该延长部为等腰三角形。

5.  如权利要求4所述的U型钢、混凝土组合正交斜放空间网格盒式结构，其特征在于：所述在下弦的网格交叉点处U型钢构件的上下两边设有上连接板和下连接板，并且上连接板和下连接板通过高强度螺栓与该网格交叉点处的四个U型截面钢板连接为一体。

6.  如权利要求5所述的U型钢、混凝土组合正交斜放空间网格盒式结构，其特征在于：所述在下弦网格交叉点处四个U型截面钢板的槽内设置有十字形剪力钢筋。

7.  如权利要求6所述的U型钢、混凝土组合正交斜放空间网格盒式结构，其特征在于：所述在下弦网格交叉点处四个U型截面钢板的槽内设置有下弦受力钢筋及箍筋。

8.  如权利要求1-7其中之一所述U型钢、混凝土组合正交斜放空间网格盒式结构的制作方法，其特征在于：所述制作方法包括以下步骤：
第一步，加工U型钢板及拼接板并打孔；
第二步，支设钢筋混凝土网格式墙架钢筋及模板，然后施工混凝土；
第三步，现场浇制钢筋混凝土网格式墙架的同时，架设楼盖的U型钢板网格模板，将工厂加工的U型钢放在网格下弦位置，采用高强螺栓等强连接，它代替空腹网格下弦的底模及侧模，形成整体后，U型钢又是承受拉力构件；
第四步，绑扎空腹网格楼盖的钢筋；
第五步，在正交斜放空腹楼盖剪力键顶部留洞处，现场浇筑空腹楼盖及网格墙架柱的扩大头标高位置混凝土，确保混凝土梁与柱在节点处刚性连接；
第六步，养护后拆支撑形成结构整体。

U型钢、混凝土组合正交斜放空间网格盒式结构及制作方法
技术领域
本发明涉及一种U型钢、混凝土组合正交斜放空间网格盒式结构及制作方法，具体地说，涉及一种单跨多层（2层-4层）大跨度（30m-40m）窄长形平面（Lx/Ly＞1.5）钢与混凝土组合的空间网格盒式结构及其制作方法，属于建筑结构技术领域。
背景技术
随着经济建设的发展，跨度（Ly）大于30m左右的公共建筑越来越多，且楼盖场地面积需要大，往往在2000m²以上，则场地平面长方向亦很大，形成长边（Lx）比跨度（Ly）之比Lx/Ly＞1.5，场地面积为窄长形，如图1、图2所示，亦跨度Ly=36m，长度Lx=72m，楼盖面积2592m²，每层设三个篮、排球场馆共三层，每栋场地面积达7776m²，按现行预应力混凝土框架结构设计，周边6m柱网两端山墙处Ly=6×6m=36m，前后两侧长边为Lx=12×6m=72m，则长短边之比Lx/Ly=2＞1.5，预应力混凝土框架大梁截面800×2400（L/15），为了控制裂缝开展，采用预应力单跨多层混凝土框架，裂缝出现两端上部和跨中央下方，需要分区建立预应力或曲线预应力，不仅困难，而且费工费时。国内已建此类建筑，不仅造价高昂，同时也突破《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）规定要求。
目前国内按专利技术（ZL20061002188.X）建成的三栋公共建筑，其楼盖平面尺寸分别为39m×57m，36m×57m，25.2m×28.8m及30m×38m，其长短边之比Lx/Ly＜1.5，这样作它不仅控制混凝提裂缝开展，其楼盖的空间作用也保证结构抗侧刚度和抗震要求。当楼盖为窄长形，且Lx/Ly＞1.5后，如图1所示Lx/Ly=72m/36m=2，此时再采用此种正交正放组合空腹楼盖，由于楼盖空间作用大幅度下降，导致结构抗侧刚度下降，而不满足《建筑抗震设计规范》的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种U型钢、混凝土组合正交斜放空间网格盒式结构，采用本发明的结构体系，实现以下目的：
1、可以应用于长边尺寸L_x与跨度尺寸L_y之比L_x/L_y＞1.5或更大的窄长形楼盖平面。
2、控制了楼盖下弦混凝土裂缝开展，大跨度混凝土空腹楼盖，当跨度大于30m以后，下弦网格使内力分布均匀，U型钢包裹下弦与混凝土一起参加工作，下弦在拉力作用下由U型钢板承担拉力，可以控制下弦混凝土裂缝开展在规范规定的范围内。
3、大幅度地提高结构的抗侧刚度，是规范控制值2.23倍。
4、大幅度地提高结构的滞廻性和延性，可以提高30%。
5、减小楼盖的厚度，h=Ly/(25-30)。
6、楼盖空腹内可作空调管线、电气管线等设备层使用，进一步降低楼层厚度，从而降低建筑层高。
7、提供一种U型钢、混凝土组合正交斜放空间网格盒式结构的制作方法。
为解决以上问题，本发明采用以下技术方案：U型钢、混凝土组合正交斜放空间网格盒式结构，其特征在于：建筑物楼盖空腹梁两端的上、下弦与其周边钢筋混凝土网格式框架柱刚性连接；
建筑物楼盖周边为等腰三角形网格，中间沿周边45°夹角为正方形空腹网格；周边等腰三角形直角边尺寸a与等腰三角形斜边长a1为a=a1×sin45°关系，即周边网格a1确定后，内部沿45°方向方形网格a尺寸确定；
所述建筑物楼盖由下弦和上弦通过钢筋混凝土剪力键连接而成，下弦由U型钢构件和U型钢构件槽内的钢筋混凝土层构成。
一种优化方案，建筑物楼盖为长边（L_x）与短边（L_y即跨度）之比L_x/L_y＞1.5的窄长形平面，跨度Ly＞30m。
进一步地，空腹梁其上弦截面为T形，其下弦截面为矩形，其剪力键净高h₀与其净宽B之比h₀/B≤1。
进一步地，所述U型钢构件由U型截面钢板连接而成，U型截面钢板两端底部具有延长部，该延长部为等腰三角形。
进一步地，所述在下弦的网格交叉点处U型钢构件的上下两边设有上连接板和下连接板，并且上连接板和下连接板通过高强度螺栓与该网格交叉点处的四个U型截面钢板连接为一体。
进一步地，所述在下弦网格交叉点处四个U型截面钢板的槽内设置有十字形剪力钢筋。
进一步地，所述在下弦网格交叉点处四个U型截面钢板的槽内设置有下弦受力钢筋及箍筋。
基于以上所述U型钢、混凝土组合正交斜放空间网格盒式结构，该U型钢、混凝土组合正交斜放空间网格盒式结构的制作方法包括以下步骤：
第一步，施工现场平整及基础施工的同时，在工厂加工U型钢板及拼接板并打孔；
第二步，支设钢筋混凝土网格式墙架钢筋及模板，然后施工混凝土；
第三步，现场浇制钢筋混凝土网格式墙架的同时，架设第一层楼盖的U型钢板网格模板，将工厂加工的U型钢放在网格下弦位置，采用高强螺栓等强连接，它代替空腹网格下弦的底模及侧模，形成整体后，U型钢又是承受拉力构件；
第四步，绑扎正交斜放空腹网格楼盖的钢筋；
第五步，在正交斜放空腹楼盖剪力键顶部留洞处，现场浇筑空腹楼盖及网格墙架柱的扩大头标高位置混凝土，确保混凝土梁与柱在节点处刚性连接；
第六步，养护后拆支撑形成结构整体。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下优点：
1、能满足高规（GB50011-2010）要求，解决了窄长形平面多层跨度大（Ly＞30m）建造困难的问题，达到节约土地，节约工程造价的要求。
2、控制了楼盖下弦混凝土裂缝开展，大跨度混凝土空腹楼盖，当跨度大于30m以后，下弦网格使内力分布均匀，U型钢包裹下弦与混凝土一起参加工作，下弦在拉力作用下由U型钢板承担拉力，可以控制下弦混凝土裂缝开展在规范规定的范围内。
3、大幅度地提高结构的抗侧刚度，单跨多层大跨度公共与工业建筑，若采用常规钢框架，其抗测刚度差，其顶点侧位不满足规范规定的限值（1/550），采用空间网格盒式结构后其抗测刚度大幅度提高，如湖南湘潭市九华工业园区单跨四层L=24m总高度H=23.8m，其屋顶侧移1/1227，是规范控制值2.23倍。
4、大幅度地提高结构的滞廻性和延性，可以提高30%。
5、减小楼盖的厚度，h=Ly/(25-30)。
6、楼盖空腹内可作空调管线、电气管线等设备层使用，进一步降低楼层厚度，从而降低建筑层高。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
附图1为三层大跨度体育训练馆的楼盖球场布置平面图；
附图2为三层大跨度体育训练馆的屋顶网球场布置；
附图3为本发明实施例中U型钢、混凝土正交斜放组合空腹楼盖的网格布置简图；
附图4为本发明实施例中窄长形楼盖周边柱网的竖向网格式框架结构图；
附图5为本发明实施例中U型钢、混凝土组合正交斜放空腹梁与网格式框架柱交汇节点构造简图；
附图6为本发明实施例中横向的正交斜放空腹楼盖的空腹梁与竖向网格式框架柱形成的空间网格盒式结构图；
附图7为本发明实施例中U型钢、混凝土组合正交斜放空腹梁沿x1方向（或x2）网格盒式结构剖面图。
具体实施方式
下面以图1、2所示单跨三层体育训练馆为例进行说明，跨度Ly=36m，长度Lx=72m，每层面积2592m²，若仍按常规单层大跨度（2592m²×4），占地15.57亩，采用多层大跨度后不仅节约土地11.68亩，而使传统的单跨多层框架不可能实现而转变为可行，它的关键技术是，U型钢、混凝土组合正交斜放空腹夹层板的每一根空腹梁。
实施例1，一种U型钢、混凝土组合正交斜放空间网格盒式结构，建筑物楼盖的空腹梁与其周边钢筋混凝土网格式框架柱刚性连接；
建筑物楼盖周边为等腰三角形网格，中间沿周边45°夹角为正方形空腹网格；周边等腰三角形直角边尺寸a与等腰三角形斜边长a1为a=a1×sin45°关系，即周边网格a1确定后，内部沿45°方向方形网格a尺寸确定；建筑物楼盖由下弦和上弦通过钢筋混凝土剪力键连接而成，下弦由兼作模板和受力钢板的U型钢构件和U型钢构件槽内的钢筋混凝土层构成；建筑物的长度Lx与其跨度Ly之比大于1.5，跨度Ly＞30m；空腹梁其上弦截面为T形，其下弦截面为矩形，其剪力键净高h₀与其净宽B之比h₀/B≤1；U型钢构件由U型截面钢板连接而成，U型截面钢板两端底部具有延长部，该延长部为等腰三角形；在下弦的网格交叉点处U型钢构件的上下两边设有上连接板和下连接板，并且上连接板和下连接板通过高强度螺栓与该网格交叉点处的四个U型截面钢板连接为一体；在下弦网格交叉点处四个U型截面钢板的槽内设置有十字形剪力钢筋；在下弦网格交叉点处四个U型截面钢板的槽内设置有下弦受力钢筋及箍筋。
图1、2所示窄长形平面（Lx/Ly=72m/36m=2＞1.5）的三层跨度Ly=36m楼盖，每层面积2592m²的体育训练馆，图3所示为36m×72m=2592m²的窄长形（Lx/Ly=2）楼盖，其周边柱网3600，内部方形网格a×a=2545×2545，楼盖的正交斜放组合空腹梁（x1或x2向）与图4所示钢筋混凝土网格式框架柱在楼盖处刚性连接。图4中，36m×72m=2592m²的窄长形楼盖周边柱网均为3.6m，每一层除了楼盖处横梁外，还有窗（门）过梁外，窗下并设连续梁，它和原7.2m柱网框架结构，每层一个柱网一个网格，变为每层一个柱网有六个网格形成的竖向网格式框架结构；
其连接构造如图5所示，即钢筋混凝土网格式框架柱，在此位置加粗，类似牛腿构造，确保空腹梁与柱刚性连接，当正交斜放组合空腹梁与周边网格式框架结构每一根立柱连接为整体后，即形成如图6所示的“U型钢、混凝土组合正交斜放空间网格盒式结构”。此种新型钢、混凝土组合空间网格盒式结构在图1、2所示的多层大跨度体育馆及其他公共建筑中应用，其楼盖厚度（h）仅仅是常规预应力混凝土框架大梁厚度（h=L/15）的（60%-50%），如图1所示窄长形楼盖平面楼盖（36m×72m），按常规预应力混凝土框架梁，其梁截面最小应为800×2400（h=L/15），而图7所示组合盒式楼盖厚度h=1200（L/30），它仅是一般预应力混凝土框架结构，梁高1/2(此处减少1.2m厚度)与此同时其空腹部份亦是室内空调等管线设备层，而框架梁设备层又占去楼盖厚度700，合计框架结构要使楼层厚度增加1.9m，即框架结构楼层厚度为3.1m，已占一层楼盖的层高。此类空间网格盒式结构与传统的框架结构比较，其优势是显而易见的，确保正交斜放组合空腹梁的上弦混凝土杆件与下弦钢、混凝土组合杆件共同工作，要求连接件为块体单元，键只能转动，不会自身再有反弯点，即要求剪的净高h₀与其净宽B之比小于1，即h₀/B≤1。大幅度地提高结构的滞廻性和延性，可以提高30%。
具体施工方法如下：第一步，施工现场平整及基础施工的同时，在工厂加工U型钢板及拼接板并打孔；第二步，现场浇制钢筋混凝土网格式墙架的同时，架设第一层楼盖的U型钢板正交斜放网格，并用高强螺栓等强连接，并绑扎正交斜放空腹网格楼盖的钢筋，当第一层混凝土网格墙架柱达到图5、7剖面所示，柱的扩大头标高位置时，等待楼盖混凝土浇注时同步进行，确保混凝土梁与柱在节点处刚性连接，第一层完成后，再按上述第一步骤进行第二、第三层盒式结构施工。
本领域技术人员应该认识到，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明内容，不应理解为是对本发明保护范围的限制，只要是根据本发明技术方案所作的改进，均落入本发明的保护范围。