一种竖向空间桁架式搭接柱及其设计方法与流程

本发明涉及建筑结构，尤其涉及一种竖向空间桁架式搭接柱及其设计方法。

背景技术：

1、桁架结构凭借其受力合理、高效，对建筑形态适应度高，已在大跨结构、转换结构中被应用广泛。桁架结构一般为水平布置的直线型或结合建筑造型的曲线型，受力方式为所有杆件承受轴力(拉或者压)，通过上弦和下弦的轴力来承担弯矩，腹杆的轴力来承担剪力。

2、搭接通常指两个连接件的端部存在部分重叠，并采取一定构造措施以进行连接。搭接结构作为转换结构的一种，上下层柱转换，可实现竖向荷载的有效传递、建筑立面的凸出与凹进，提升建筑空间的利用率。

3、但是，搭接体本身体积大、受力复杂、计算分析要求高，尤其是当上下层框架柱偏位距离较大时，传统搭接柱的方式则易导致搭接体过大，从而产生局部刚度过大、应力集中明显、构件布置不够灵活、耗费材料多、抗震不利和影响建筑立面等的问题，甚至影响结构安全。

4、寻求一种可在满足建筑立面要求及使用空间的前提下，有效解决搭接体用材较多、受力复杂、计算分析要求高等问题，并使搭接体更为轻盈，建筑形态适应度更高，实现偏位距离较大的上下层框架柱搭接体已成为本领域亟待解决的技术问题之一。

5、故针对现有技术存在的问题，本案设计人凭借从事此行业多年的经验，积极研究改良，于是有了本发明一种竖向空间桁架式搭接柱及其设计方法。

技术实现思路

1、本发明之第一目的是针对现有技术中，传统搭接体本身体积大、受力复杂、计算分析要求高，尤其是当上下层框架柱偏位距离较大时，传统搭接柱的方式则易导致搭接体过大，从而产生局部刚度过大、应力集中明显、构件布置不够灵活、耗费材料多、抗震不利和影响建筑立面，甚至影响结构安全等缺陷提供一种竖向空间桁架式搭接柱。

2、本发明之第二目的是针对现有技术中，传统搭接体本身体积大、受力复杂、计算分析要求高，尤其是当上下层框架柱偏位距离较大时，传统搭接柱的方式则易导致搭接体过大，从而产生局部刚度过大、应力集中明显、构件布置不够灵活、耗费材料多、抗震不利和影响建筑立面，甚至影响结构安全等缺陷提供一种竖向空间桁架式搭接柱的设计方法。

3、为实现本发明之第一目的，本发明提供一种竖向空间桁架式搭接柱，所述竖向空间桁架式搭接柱，包括：

4、上层框架柱，所述上层框架柱与上承载体紧固设置；

5、下层框架柱，所述下框架柱与下承载体紧固设置；

6、搭接体，所述搭接体的上、下两侧分别设置上层框架柱和下层框架柱，并通过设置在搭接体内，且位于上层框架柱和下层框架柱之间的桁架弦杆、桁架斜腹杆、桁架水平腹杆进行搭接转换，所述下层框架柱的竖直延伸段作为竖直压杆，所述上层框架柱底端与所述下层框架柱顶端连线部分作为斜压杆，作为所述搭接体主应力的主拉应力和主压应力之受力特征简化为三角桁架模型。

7、可选地，当上层框架柱与下层框架柱的偏位处于同一平面内时，所述搭接体采用竖向桁架式搭接结构，所述上层框架柱呈独立的柱体结构。

8、可选地，当上层框架柱与下层框架柱的偏位不在同一平面内时，所述搭接体采用竖向立体桁架形成的搭接结构，所述上层框架柱呈独立的柱体结构。

9、可选地，当上层框架柱与下层框架柱的偏位不在同一平面内时，所述搭接体采用竖向立体桁架形成的搭接结构，所述上层框架柱呈平面的桁架结构形式。

10、可选地，桁架弦杆与桁架斜腹杆、桁架水平腹杆的节点连接采用铰接或刚接。

11、可选地，上层框架柱、下层框架柱、桁架弦杆、桁架斜腹杆、桁架水平腹杆为直线或非直线构件。

12、可选地，所述上层框架柱或下层框架柱与竖向桁架的搭接体连接节点加强的方式为增大上层框架柱或下层框架柱与竖向桁架的连接处构件截面和厚度、设置加劲肋或采用铸钢节点的其中之一方式。

13、可选地，桁架斜腹杆设置为单斜杆或“x”形交叉斜腹杆。

14、可选地，桁架斜腹杆与桁架弦杆、桁架水平腹杆的角度为30°～60°。

15、可选地，竖向桁架搭接体内的桁架弦杆、桁架斜腹杆、桁架水平腹杆各杆件之间的连接节点采用增大其中第一杆件的截面，将另一第二杆件插入所述第一杆件中，并设置加劲肋的方式进行增强。

16、为实现本发明之第二目的，本发明提供一种竖向空间桁架式搭接柱的设计方法，所述竖向空间桁架式搭接柱的设计方法中，设置在所述搭接体同侧，且紧邻上承载体的上梁水平构件和紧邻下承载体的下梁水平构件承受大小相等、方向相反的轴力。

17、可选地，上梁水平构件与下梁水平构件的轴力所形成的力矩，抵抗上层框架柱和下层框架柱偏位所产生的倾覆弯矩。

18、可选地，上层框架柱和下层框架柱的柱端剪力与上梁水平构件和下梁水平构件的梁端弯矩、上层框架柱和下层框架柱的柱端弯矩、轴力相比均较小，忽略其影响。

19、可选地，所述搭接体建立如下平衡方程：

20、水平力平衡方程：t1＝t2(1)

21、竖向力平衡方程：n1+ng+v1+v2＝n2(2)

22、力矩平衡方程：n1a+ngb＝t1h(3)

23、其中，t1为上梁水平构件的轴力，t2为下梁水平构件的轴力；n1为上层框架柱底端轴力，n2为下层框架柱顶端轴力；ng为搭接体的自重及其所在上承载体传到搭接体上的竖向荷载形成的合力；v1为上梁水平构件的梁端剪力，v2为下梁水平构件的梁端剪力；a为上层框架柱与下层框架柱的偏位距离；b为ng与n2作用点之间的水平距离；h为上梁水平构件与下梁水平构件的间距。

24、可选地，当桁架弦杆与桁架斜腹杆、桁架水平腹杆的节点连接为铰接且各杆件上不承受外力时，桁架弦杆与桁架斜腹杆、桁架水平腹杆为轴心受力构件，按公式(4)～(6)进行构件截面强度计算，按公式(7)进行稳定性计算，并满足现行相关标准的容许长细比限值要求；

25、毛截面屈服：

26、净截面断裂：

27、采用高强度螺栓摩擦性连接的受拉构件净截面断裂：

28、

29、毛截面屈服：

30、式中：δ为正应力；

31、n为所计算截面处的轴向力设计值(n)；

32、f为钢材的抗拉/抗压强度设计值(n/mm2)；

33、a为构件的毛截面面积(mm2)；

34、an为构件的净截面面积(mm2)

35、fu为钢材的抗拉强度最小值(n/mm2)

36、n为在节点或拼接处，构件一端连接的高强度螺栓数目；

37、n1为所计算截面(最外列螺栓处)高强度螺栓数目；

38、为轴心受压构件的稳定系数。

39、可选地，当桁架弦杆、桁架斜腹杆或桁架水平腹杆为实腹式轴心受压构件时，应满足现行相关标准关于局部稳定和屈曲后强度的相关要求。

40、可选地，当桁架弦杆与桁架斜腹杆、桁架水平腹杆的节点连接为刚接时，在竖向荷载作用下，桁架斜腹杆主要受轴力，按公式(4)～(7)进行强度和稳定性计算；桁架弦杆、桁架水平腹杆为拉(压)弯构件，按公式(8)～(9)进行强度计算，按公式(10)～(13)进行稳定性计算，并满足现行有关标准的构造要求；

41、除圆管截面外的构件强度计算：

42、圆形截面构件强度计算：

43、平面内稳定性计算：

44、nex'＝π2ea/(1.1λx2)  (11)

45、平面外稳定性计算：

46、

47、式中，n为同一截面处的轴心压力设计值(n)；

48、mx、my分别为同一截面处(构件计算段范围内)对x轴和y轴的(最大)弯矩设计值(n·mm)；

49、γx、γy为截面塑性发展系数；

50、γm为圆形构件的截面塑性发展系数；

51、wn为构件的净截面模量(mm3)；

52、nex'参数，按公式(11)计算；

53、为弯矩作用平面内轴心受压构件稳定系数；

54、w1x为在弯矩作用平面内对受压最大纤维的毛截面模量(mm3)；

55、为弯矩作用平面外的轴心受压构件稳定系数；

56、为均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数；

57、η为截面影响系数，闭口截面η＝0.7，其他截面η＝1.0；

58、w2x为无翼缘端的毛截面模量(mm3)

59、可选地，当桁架弦杆、桁架斜腹杆或桁架水平腹杆上有外加荷载时，按照拉(压)弯构件，采用公式(8)～(13)进行强度及稳定性计算。

60、综上所述，本发明竖向空间桁架式搭接柱的搭接方式不仅传力途径清晰、受力分析简单，将传统的搭接块弯剪扭复杂空间受力方式转化为简单的轴力方式，而且大幅减少刚度突变和应力集中，提高了结构安全度，大幅减少建筑材料用量，且施工便利，能够满足复杂多变的建筑空间，最大限度提高空间利用率，值得业界推广使用。