桁架结构体系

1,桁架结构体系,一、概述 桁架结构是由直杆在端部相互连接而成的以抗弯为主的格构式结构。,2,桁架一般由上弦杆、腹杆（竖杆和斜腹杆）组成。 桁架结构受力合理，计算简单，施工方便，适应性强，对支座没有横向推力，因此在工程中得到广泛的应用。 在房屋建筑中，桁架常用作为屋盖承重结构，称为屋架。目前在工业厂房结构中常见的屋架就是典型的桁架。 如今，桁架结构已经有多种多样的形式，不局限于屋架，在一些大跨度结构、高层建筑、桥梁中都有非常广泛的应用。,3,桁架结构的应用,排架结构一般指由屋架和柱组成的结构体系，常用于单层工业厂房，比起刚架结构，更适合于有大跨度要求的工业建筑。,4,5,桁架桥,桁架桥指的是以桁架作为上部结构主要承重构件的桥梁。 桁架桥一般由主桥梁、上下水平纵向联结系、桥门架和中间横撑架以及桥面系组成。 在桁架中，弦杆是组成桁架外围的杆件，包括上弦杆和下弦杆，连接上、下弦杆的杆件叫腹杆，按腹杆方向的不同又区分为斜杆和竖杆。弦杆与腹杆所在的平面就叫主桁平面。,6,大跨度桥架的高度沿跨径方向变化，形成曲弦桁架；中、小跨度采用不变的桁高，即所谓平弦桁架或直弦桁架。,苏格兰福斯海湾桥,7,关西国际机场联络桥,8,9,屋架的主要缺点是结构高度大。结构高度大，增加了屋面及围护墙的用料，同时也增加了采暖，通风，采光等设备的负荷，并给音响控制带来困难。 侧向刚度小，对于钢屋架特别明显，受压的上弦平面外稳定性差，也难以抵抗房屋纵向的侧向力，需要设置支撑。一般房屋纵向的侧向力并不大，但支撑很多，都按构造（长细比）要求确定截面，故耗钢量不少但未能材尽其用。,10,1、 组成桁架的所有各杆都是直杆，所有各杆的中心线（轴线）都在同一平面内，这一平面称为桁架的中心平面； 2、 桁架的杆件与杆件相连接的节点均为铰接节点； 3、 所有外力（荷载和支座反力）都作用在桁架的中心平面内，并集中作用于节点上。,桁架结构的内力,计算的假定,11,分析矩形桁架、三角形桁架和折线形桁架内力,1、矩形桁架 1)弦杆：矩形桁架高度相等，下弦各节间的内力随外荷载产生的总弯矩而变化，跨中节间轴力大、靠近支座处轴力较小或为零，下弦内力变化较大。 2)腹杆：沿跨度方向各腹杆的轴力变化与剪力图一致，跨中小而支座处大，其值变化较大。,12,2、三角形桁架 上、下弦杆内力在跨中节间最小，在靠近支座处最大。 因高度变化速度大于剪力变化速度，故斜腹杆和竖腹杆的受力都是跨中大，支座处小。,13,3、折线形桁架 高度呈抛物线型的桁架是最理想的桁架形式。 上弦曲线做成圆形使屋架外形与抛物线弯矩图接近，为便于制作，常将桁架上弦各节点与弯矩图重合，而在各节点之间取直线，成为折线形桁架。这时，上、下弦杆内各节间轴力基本相等。 (斜)腹杆内力全部为零。,14,二、屋架结构的型式,按材料分：木屋架、钢-木组合屋架、钢屋架、轻型钢屋架、钢筋混凝土屋架、预应力混凝土屋架、钢筋混凝土钢组合屋架等。 按屋架外形分：三角形、梯形、抛物线、折线形、平行弦等。,15,（一）木屋架,常用的木屋架是方木或原木齿连接的豪式木屋架。分为三角形和梯形（如上图）。大都在工地手工制作。 豪式木屋架的节间长度23m，一般为48节间，适用跨度为1218m，高跨比宜在1/51/4之间。当屋架跨度不大时，上弦可用整根木料。,16,三角形屋架适用于跨度在18m以内(取12m)的建筑。坡度大，适用于屋面材料为粘土瓦，水泥瓦及小青瓦等要求排水坡度较大的情况。 梯形屋架受力性能比三角形屋架合理，可用于跨度较大房屋适用跨度为1218m。,17,18,（三）钢屋架,三角形屋架： 用于屋面坡度较大的屋盖结构中。内力变化较大，弦杆内力在支座处最大，在跨中最小，材料强度不能充分发挥作用。一般用于中小跨度的轻屋盖结构。 芬克式屋架，腹杆受力合理，长杆受拉，短杆受压，可分为两榀小屋架制作，现场安装，施工方便。,19,梯形屋架 用于屋面坡度较小的屋盖中，受力性能比三角形屋架优越，适用于较大跨度或荷载的工业厂房。 用于无檩体系屋盖，屋面材料大多用大型屋面板。,20,（四）混凝土屋架,1、梯形屋架,常见形式有：梯形、折线形、拱形、无斜腹杆屋架等。 根据是否对屋架下弦施加预应力，分为：钢筋混凝土屋架和预应力混凝土屋架，前者适用跨度为1524m，后者适用跨度为1836m或更大。,上弦为直线，屋面坡度为1/101/12，适用于卷材防水屋面。上弦节间为3m，下弦节间为6m，矢高与跨度之比为1/61/8，屋架端部高度为1.82.2m。梯形屋架自重较大，刚度好。适用于重型、高温及采用井式或横向天窗的厂房。,21,2、折线形屋架,外形较合理，结构自重较轻，屋面坡度为1/31/4，适用于非卷材防水屋面的中型厂房或大中型厂房。 屋面坡度平缓，适用于卷材防水屋面的中型厂房，为改善屋架端部的屋面坡度，减少油毡下滑，一般可在端部增加两个杆件，使整个屋面的坡度较为均匀。,22,3、拱形屋架,上弦为曲线形，采用抛物线形，为制作方便，可采用折线形，但折线的节点应落在抛物线上。 屋架外形合理，杆件内力均匀，自重轻，经济指标良好，但屋架端部屋面坡度太陡，可在上弦上不加设短柱，矢高比为1/61/8。,23,三、屋架结构的选型与布置,（一）屋架结构的主要尺寸 1、矢高 矢高大，弦杆受力小，但腹杆长、长细比大、易压曲，用料反而会增多。 矢高小，弦杆受力大，截面大、且屋架刚度小，变形大。 因此，矢高不宜过大和过小，一般取1/101/5。 2、坡度 当采用瓦类屋面时，屋架上弦坡度应大些，一般不小于1/3； 当采用大型屋面板并做卷材防水时，屋面坡度可平缓些，一般为1/81/12。,24,3、节间长度 上弦受压，节间长度应小些，下弦受拉，节间长度可大些。屋面荷载应直接作用在节点上，以优化杆件的受力状态。 为减少屋架制作工作量，减少杆件与节点数目，节间长度可取大些，一般为1.54m。,25,（二）屋架结构的选型 1、屋架结构的受力 抛物线状的拱式结构：受力最为合理，但施工复杂。 折线形屋架：与弯矩图最接近，力学性能良好。 梯形屋架：力学性能较好，上下弦均为直线施工方便，在大中跨建筑中被广泛应用。 三角形屋架：力学性能较差，适用于中小跨度。 矩形屋架：力学性能较差，用作托架或荷载较特殊情况下使用。,26,（二）屋架结构的选型 2、屋面防水构造 三角形、陡坡梯形屋架：屋面材料采用粘土瓦、机制平瓦或水泥瓦。 拱形、折线形屋架：采用卷材防水、金属薄板材料。 3、材料耐久性 木材、钢材：易腐蚀，维修费用高，不宜用于有侵蚀性的工业厂房和通风不良的建筑。 预应力混凝土屋架：提高屋架下弦的抗裂性，防止钢筋腐蚀。,27,（二）屋架结构的选型 4、跨度 18m以下：钢筋混凝土钢组合屋架，构造简单、施工方便、技术经济指标较好。 36m以下：预应力混凝土屋架，节省钢材，有效控制裂缝宽度和挠度。 36m以上（大跨度或振动荷载较大）：钢屋架，结构自重轻，提高结构的耐久性和可靠性。,28,（三）屋架结构的布置 1、屋架的跨度 一般以3m为模数。 我国制订了相应的标准图集可拱查用。 2、屋架的间距 等间距平行排列，与房屋纵向柱列的间距一致，屋架直接搁置在柱顶。常见的有：6m、7.5m、9m、12m等。,29,（三）屋架结构的布置 3、屋架的支座 支座标高由建筑外形的要求确定，在同层中屋架的支座取同一标高。 在力学上可简化为铰接支座。 当跨度较小时，把屋架直接搁置在墙、柱或圈梁上；跨度较大时，应采取专门的构造措施。,30,工程用地面积21644m2，占地面积11530 m2，总建筑面积62800 m2，地下两层，地上6层，高度为40m。 方案中最引人注目的是呈反拱的月牙形屋盖，纵向长100.4m，横向宽94m，纵向悬挑26m，横向悬挑30.9m，反拱圆弧半径R=93m，拱高11.5m。 屋盖体系采用交叉刚接钢桁架结构。 纵向为两榀主桁架和两榀次桁架， 在每榀主桁架下各设三个由电梯 井筒壁形成的薄壁柱，作为整个 屋架结构的支座，次桁架仅起到 保证屋盖整体性的作用。,31,反拱的月牙形屋盖结构复杂，内力较大，采用刚接桁架结构较为合理，以保证屋盖结构的整体刚度和承载能力。 月牙形屋架采用无斜腹杆屋架，既可满足建筑对钢屋盖内部纵向交通的要求，又使杆件总数减少，节点构造简便。受力性能好，具有很大的抗扭刚度和双向抗弯刚度，整体稳定性墙，可省去大量支撑。,