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。 101、 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1 8 m以内(取1 2 m)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1 2 1 8 m。 17 （二）钢-木组合屋架形式：（1）豪式（2）芬克式（3）梯形（4）下折式。由于不易取得符合下弦材质标准的上等木材，特别是原木和方木干燥较慢，干裂缝对下弦不利，采用钢拉杆作为屋架的下弦，每平方米建筑面积的用钢量增加24kg，但显著提高了结构 的可靠性和屋架刚度。 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 .5 4 m。 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2 1 6 4 4 m2，占地面积1 1 5 3 0 m2，总建筑面积6 2 8 0 0 m2，地下两层，地上6层，高度为4 0 m。方案中最引人注目的是呈反拱的月牙形屋盖，纵向长1 0 0 .4 m，横向宽9 4 m，纵向悬挑2 6 m，横向悬挑3 0 .9 m，反拱圆弧半径R=9 3 m，拱高1 1 .5 m。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。