建筑结构选型-第二章-桁架(屋架)结构课件

1 第二章 桁架结构第一节 桁架结构的受力特点第二节 屋架结构的型式第三节 屋架结构的选型与布置教学要求教学要求了解桁架结构的受力特点及其型式，了解桁架结构的受力特点及其型式，掌握屋架结构选型与布置掌握屋架结构选型与布置第五节 张弦结构第六节 桁架结构的其他应用型式 第四节 立体桁架2 第二章 桁架结构 桁架桁架（truss）:由直杆组成的一般具有由直杆组成的一般具有三角形三角形单元的平面或空间结构。在房屋建筑中单元的平面或空间结构。在房屋建筑中,桁架常用桁架常用来作为屋盖承重结构来作为屋盖承重结构,又称为又称为屋架屋架。3 第二章 桁架结构 桁架桁架（truss）:由直杆组成的一般具有三角形由直杆组成的一般具有三角形单元的平面或空间结构。在房屋建筑中单元的平面或空间结构。在房屋建筑中,桁架常用桁架常用来作为屋盖承重结构来作为屋盖承重结构,又称为屋架。又称为屋架。4 2.1 桁架结构的受力特点 组成桁架的所有各杆都是直杆，所有各杆组成桁架的所有各杆都是直杆，所有各杆的中心线的中心线 (轴线轴线)都在同一平面内。都在同一平面内。桁架结构计算的假定桁架结构计算的假定5 2.1 桁架结构的受力特点桁架结构计算的假定桁架结构计算的假定桁架的杆件与杆件相连接的节点均为铰接节点。桁架的杆件与杆件相连接的节点均为铰接节点。6 2.1 桁架结构的受力特点鲁班锁7 2.1 桁架结构的受力特点桁架结构计算的假定桁架结构计算的假定 所有外力所有外力 (包括荷载及支座反力包括荷载及支座反力)都作用在桁都作用在桁架的中心平面内架的中心平面内,并集中作用于节点上。并集中作用于节点上。8 2.1 桁架结构的受力特点桁架结构的内力桁架结构的内力 矩形桁架矩形桁架为等高为等高度度,沿跨度方向各沿跨度方向各腹杆腹杆的轴力变化与的轴力变化与剪力图一致剪力图一致,跨中跨中小而支座处大小而支座处大,其其值变化较大。值变化较大。弦杆弦杆跨中节间轴力大、跨中节间轴力大、靠近支座处轴力较靠近支座处轴力较小或为零小或为零9 2.1 桁架结构的受力特点桁架结构的内力桁架结构的内力 三角形桁架三角形桁架的高的高度自跨中最大处向度自跨中最大处向支座节点最小处呈支座节点最小处呈线性线性变化变化,而弯矩而弯矩的变化自跨中向支的变化自跨中向支座呈座呈抛物线抛物线变化变化,弯矩的减小速度比弯矩的减小速度比桁架高度的减小速桁架高度的减小速度慢度慢,故上、下弦故上、下弦杆内力在跨中节间杆内力在跨中节间最小最小,而在靠近支而在靠近支座处最大。座处最大。-x10 2.1 桁架结构的受力特点桁架结构的内力桁架结构的内力 高度呈高度呈抛物线型抛物线型的桁架是最理想的的桁架是最理想的桁架形式。因桁架桁架形式。因桁架高度的变化与外荷高度的变化与外荷载所产生的弯矩图载所产生的弯矩图完全一致完全一致,使上、使上、下弦杆各节间轴力下弦杆各节间轴力也完全相等。也完全相等。11 2.1 桁架结构的受力特点桁架结构的内力桁架结构的内力 斜腹杆的斜腹杆的布置方布置方向向对腹杆受力的符对腹杆受力的符号号 (拉或压拉或压)有直有直接的关系。对于矩接的关系。对于矩形桁架形桁架,斜腹杆外斜腹杆外倾受拉倾受拉,内倾受压内倾受压,竖腹杆受力方向与竖腹杆受力方向与斜腹杆相反。斜腹杆相反。12 2.1 桁架结构的受力特点桁架结构的内力桁架结构的内力 斜腹杆的斜腹杆的布置方布置方向向对腹杆受力的符对腹杆受力的符号号 (拉或压拉或压)有直有直接的关系。接的关系。对于对于三角形桁架三角形桁架,斜腹斜腹杆外倾受压杆外倾受压,内倾内倾受拉受拉,而竖腹杆则而竖腹杆则总是受拉。总是受拉。13三角形桁架三角形桁架 三角形屋架一般三角形屋架一般用于屋面用于屋面坡度较大坡度较大的屋盖结构中。一的屋盖结构中。一般宜用于般宜用于中小跨度中小跨度的轻屋盖结构。的轻屋盖结构。2.2 屋架结构的型式14梯形桁架梯形桁架 梯型屋架一般用梯型屋架一般用于屋面于屋面坡度较小坡度较小的的屋盖中。其受力性屋盖中。其受力性能比三角形屋架优能比三角形屋架优越越,适用于适用于较大跨较大跨度度或荷载的工业厂或荷载的工业厂房。房。2.2 屋架结构的型式15梯形桁架梯形桁架矩形桁架矩形桁架 矩形屋架也称为矩形屋架也称为平行弦屋架平行弦屋架。其上。其上下弦平行下弦平行,腹杆长腹杆长度一致度一致,杆件类型杆件类型少少,易于满足标准易于满足标准化、工业化生产的化、工业化生产的要求。常用于要求。常用于托架托架或或支撑系统支撑系统。2.2 屋架结构的型式16木屋架木屋架 一般为三角形屋一般为三角形屋架，内力支座处大架，内力支座处大而跨中小。适用于而跨中小。适用于跨度在跨度在1818米以内的米以内的建筑中。建筑中。2.2 屋架结构的型式17钢钢-木组合屋架木组合屋架 采用钢拉杆作为采用钢拉杆作为屋架的下弦杆，消屋架的下弦杆，消除接头的非弹性变除接头的非弹性变形，从而提高屋架形，从而提高屋架结构的刚度。结构的刚度。2.2 屋架结构的型式18钢屋架钢屋架 改善上弦杆受力情况，采用再分式腹杆改善上弦杆受力情况，采用再分式腹杆的形式。的形式。2.2 屋架结构的型式19钢屋架钢屋架 改善上弦杆受力情况，采用再分式腹杆改善上弦杆受力情况，采用再分式腹杆的形式。的形式。2.2 屋架结构的型式20钢屋架钢屋架 2.2 屋架结构的型式21钢屋架钢屋架 2.2 屋架结构的型式22混凝土屋架混凝土屋架 2.2 屋架结构的型式23钢筋混凝土钢筋混凝土-钢组合屋架钢组合屋架 上弦杆采用钢筋上弦杆采用钢筋混凝土，下弦杆采混凝土，下弦杆采用型钢。充分利用用型钢。充分利用两种材料的特性。两种材料的特性。2.2 屋架结构的型式24梯形桁架梯形桁架屋架结构的主要尺寸屋架结构的主要尺寸 屋架的矢高直接影响结构的屋架的矢高直接影响结构的刚度刚度与与经济指标经济指标。矢高。矢高大、弦杆受力小大、弦杆受力小,但腹杆长、长细比大、易压曲但腹杆长、长细比大、易压曲,用料用料反而会增多。矢高小反而会增多。矢高小,则弦杆受力大、截面大、且屋架则弦杆受力大、截面大、且屋架刚度小、变形大。一般矢高可取跨度的刚度小、变形大。一般矢高可取跨度的 1/101/5。2.3 屋架结构的选型及布置矢高矢高 屋架上弦坡度的确定应与屋面屋架上弦坡度的确定应与屋面防水防水构造相适应。当构造相适应。当采用瓦类屋面时采用瓦类屋面时,屋架上弦坡度应大些屋架上弦坡度应大些,一般不小于一般不小于1/3,以利于排水。当采用大型屋面板并做卷材防水时以利于排水。当采用大型屋面板并做卷材防水时,屋面坡度可平缓些屋面坡度可平缓些,一般为一般为1/8l/12。坡度坡度25梯形桁架梯形桁架屋架结构的主要尺寸屋架结构的主要尺寸 屋架节间长度的大小与屋架的屋架节间长度的大小与屋架的结构型式结构型式,材料材料及荷及荷载有关。一般上弦受压载有关。一般上弦受压,节间长度应小些节间长度应小些,下弦受拉下弦受拉,节节间长度可大些。间长度可大些。屋架上弦节间长度常取屋架上弦节间长度常取 3m。当屋盖采用有檩体当屋盖采用有檩体系时系时,则屋架上弦节间长度应与檩条间距一致。则屋架上弦节间长度应与檩条间距一致。2.3 屋架结构的选型及布置节间距节间距26梯形桁架梯形桁架屋架结构的选型屋架结构的选型 2.3 屋架结构的选型及布置 屋架结构的选型应考虑房屋的屋架结构的选型应考虑房屋的用途、建筑用途、建筑造型、屋面防水构造、屋架的跨度、结构材造型、屋面防水构造、屋架的跨度、结构材料的供应、施工技术条件料的供应、施工技术条件等因素等因素,做到受力做到受力合理、技术先进、经济适用。合理、技术先进、经济适用。27梯形桁架梯形桁架屋架结构的选型屋架结构的选型 从结构受力来看从结构受力来看,抛物线状抛物线状的拱式结构受力最为的拱式结构受力最为合合理理。但拱式结构上弦为曲线。但拱式结构上弦为曲线,施工复杂。施工复杂。折线型折线型屋架屋架,与抛物线弯矩图最为接近与抛物线弯矩图最为接近,故力学性能良好。梯形屋架故力学性能良好。梯形屋架,因其既具有较好的力学性能因其既具有较好的力学性能,上下弦均为直线施工方便上下弦均为直线施工方便,故在故在大中跨建筑大中跨建筑中被中被广泛应用广泛应用。三角形屋架与矩形屋三角形屋架与矩形屋架力学性能较差架力学性能较差。三角形三角形屋架一般仅适用于屋架一般仅适用于中小跨度中小跨度,矩形矩形屋架常用作屋架常用作托架托架或或荷载较特殊情况荷载较特殊情况下使用。下使用。2.3 屋架结构的选型及布置受力受力28梯形桁架梯形桁架屋架结构的选型屋架结构的选型 屋面防水构造决定了屋面排水坡度屋面防水构造决定了屋面排水坡度,进而决定屋盖进而决定屋盖的建筑造型。的建筑造型。一般来说一般来说,当屋面防水材料采用粘土瓦、机制平瓦当屋面防水材料采用粘土瓦、机制平瓦或水泥瓦时或水泥瓦时,应选用应选用三角形屋架、陡坡梯形屋架三角形屋架、陡坡梯形屋架。当屋。当屋面防水采用卷材防水、金属薄板防水时面防水采用卷材防水、金属薄板防水时,应选用应选用拱形屋拱形屋架、折线形屋架和缓坡梯形屋架架、折线形屋架和缓坡梯形屋架。2.3 屋架结构的选型及布置防水防水29梯形桁架梯形桁架屋架结构的选型屋架结构的选型 木材及钢材木材及钢材均易腐蚀均易腐蚀,维修费用较高。因此维修费用较高。因此,对于相对于相对湿度较大而又通风不良的建筑对湿度较大而又通风不良的建筑,或有侵蚀性介质的工或有侵蚀性介质的工业厂房业厂房,不宜选用木屋架和钢屋架不宜选用木屋架和钢屋架,宜选用预应力混凝宜选用预应力混凝土屋架土屋架,2.3 屋架结构的选型及布置材料材料30梯形桁架梯形桁架屋架结构的选型屋架结构的选型 跨度在跨度在18m以下时以下时,可选用钢筋混凝土可选用钢筋混凝土-钢组合屋架钢组合屋架;这种屋架构造简单、施工吊装方便这种屋架构造简单、施工吊装方便,技术经济指标较技术经济指标较好。好。跨度在跨度在36m以下时以下时,宜选用预应力混凝土屋架宜选用预应力混凝土屋架,既可既可节省钢材节省钢材,又可有效地控制裂缝宽度和挠度。又可有效地控制裂缝宽度和挠度。跨度在跨度在36m以上的大跨度建筑或受到较大振动荷载以上的大跨度建筑或受到较大振动荷载作用的屋架作用的屋架,宜选用钢屋架宜选用钢屋架,以减轻结构自重以减轻结构自重,提高结构提高结构的耐久性与可靠性。的耐久性与可靠性。2.3 屋架结构的选型及布置跨度跨度31梯形桁架梯形桁架屋架结构的布置屋架结构的布置 屋架的跨度屋架的跨度,一般以一般以 3m为模数。为模数。2.3 屋架结构的选型及布置跨度跨度 屋架一般宜等间距平行排列屋架一般宜等间距平行排列,与房屋纵向柱列的间与房屋纵向柱列的间距一致距一致,屋架直接搁置在柱顶。屋架的间距同时即为屋屋架直接搁置在柱顶。屋架的间距同时即为屋面板或檩条、吊顶龙骨的跨度面板或檩条、吊顶龙骨的跨度,最常见的为最常见的为6m,有时也有时也有有7.5m、9m、间距间距 在同层中屋架的支座取同一标高。屋架的支座形式在同层中屋架的支座取同一标高。屋架的支座形式,在力学上可简化为在力学上可简化为铰接铰接支座。支座。支座支座32梯形桁架梯形桁架屋架结构的支撑屋架结构的支撑 包括设置在屋架之间的垂直支撑、水平系杆以及设包括设置在屋架之间的垂直支撑、水平系杆以及设置在上下弦平面内的横向支撑和通常设置在下弦平面置在上下弦平面内的横向支撑和通常设置在下弦平面内的纵向水平支撑。内的纵向水平支撑。垂直支撑和水平系杆是为了保证侧向稳定性。垂直支撑和水平系杆是为了保证侧向稳定性。上弦横向支撑为了增强屋盖的整体性和屋架上弦的上弦横向支撑为了增强屋盖的整体性和屋架上弦的侧向稳定性。侧向稳定性。下弦纵向水平支撑是为了增强屋盖的空间刚度，下弦纵向水平支撑是为了增强屋盖的空间刚度，增强排架的空间工作性能。增强排架的空间工作性能。2.3 屋架结构的选型及布置内容内容33 2.4 立体桁架v 平面屋架结构虽然有很好的平面内受力性能，平面屋架结构虽然有很好的平面内受力性能，但其在平面外的刚度很小。为保证结构的整体性，但其在平面外的刚度很小。为保证结构的整体性，必须要设置各类支撑。支撑结构的布置要消耗很必须要设置各类支撑。支撑结构的布置要消耗很多材料，且常常以长细比等构造要求控制，材料多材料，且常常以长细比等构造要求控制，材料强度得不到充分发挥。采用立体桁架可以避免上强度得不到充分发挥。采用立体桁架可以避免上述缺点。立体桁架的截面形式有矩形、正三角形、述缺点。立体桁架的截面形式有矩形、正三角形、倒角形。倒角形。34 2.4 立体桁架35 2.4 立体桁架36 2.4 立体桁架v当跨度较大时，因上弦压力较大，截面大，可把上弦当跨度较大时，因上弦压力较大，截面大，可把上弦一分为二，构成倒三角形立体桁架。一分为二，构成倒三角形立体桁架。v立体桁架由于具有较大的平面外刚度，有利于吊装和使用，立体桁架由于具有较大的平面外刚度，有利于吊装和使用，节省用于支撑的钢材，因而具有较大的优越性。但三角形节省用于支撑的钢材，因而具有较大的优越性。但三角形截面的立体桁架杆长计算繁琐，杆件的空间角度非整数，截面的立体桁架杆长计算繁琐，杆件的空间角度非整数，节点构造复杂，焊缝要求高，制作复杂。节点构造复杂，焊缝要求高，制作复杂。2.5 张弦结构v张弦结构是由上弦刚性压弯构件(或结构)与下弦柔性索组合,通过合理布置撑杆而形成的自平衡受力体系。张弦结构的上弦刚性构件可以是梁、拱、立体桁架、网壳等多种形式。柔性下弦是引入预应力的柔索，包括拉索、小直径圆钢拉杆、大直径钢棒等多种形式。1.1.张弦结构的特点张弦结构的特点v承载能力高v结构刚度大v结构稳定性强v支座推力小v建筑造型适应性强v制作、运输、施工方便2.2.张弦结构的形式张弦结构的形式v张弦梁结构按受力特点可以分为平面张弦梁结构和空间张弦梁结构。v（1）平面张弦梁结构是指其结构构件位于同一平面内，且以平面内受力为主的张弦梁结构。平面张弦梁结构根据上弦构件的形状可以分为三种基本形式：直线型张弦梁、拱形张弦梁、人字型张弦梁结构。v直梁型张弦梁结构主要用于楼板结构和小坡度屋面结构，拱形张弦梁结构充分发挥了上弦拱得受力优势适用于大跨度的屋盖结构，人字型张弦梁结构适用于跨度较小的双坡屋盖结构。2.2.张弦结构的形式张弦结构的形式v（2）空间张弦梁结构是以平面张弦梁结构为基本组成单元，通过不同形式的空间布置所形成的张弦梁结构。空间张弦梁结构主要有单向张弦梁结构、双向张弦梁结构、多向张弦梁结构、辐射式张弦梁结构。v单向张弦梁结构由于设置了纵向支撑索形成的空间受力体系，保证了平面外的稳定性，适用于矩形平面的屋盖结构。双向张弦梁结构由于交叉平面张弦梁相互提供弹性支撑，形成了纵横向的空间受力体系，该结构适用于矩形、圆形、椭圆形等多种平面屋盖结构。多向张弦梁结构是平面张弦梁结构沿多个方向交叉布置而成的空间受力体系，该结构形式适用于圆形和多边形平面的屋盖结构。辐射式张弦梁结构是由中央按辐射状放置上弦梁，梁下设置撑杆用环向索而连接形成的空间受力体系，适用于圆形平面或椭圆形平面的屋盖结构。2.2.张弦结构的形式张弦结构的形式3.3.张弦结构的受力性能张弦结构的受力性能v（1）张弦结构的形态定义v（2）张弦结构的预应力特性v（3）平面外稳定及纵向受力v（4）张弦结构的抗风作用4.4.张弦结构的选型张弦结构的选型v（1）上弦刚性受压构件v（2）张弦结构上弦矢高和下弦垂度v（3）撑杆数量5.5.张弦结构的实例张弦结构的实例v（1）上海世博会主题馆v（2）上海浦东国际机场v（3）哈尔滨国际会议展览体育中心主馆45 2.6 桁架结构的其他应用形式v1.1.刚接桁架结构（无斜腹杆屋架）：无斜腹杆刚接桁架结构（无斜腹杆屋架）：无斜腹杆屋架的特点是没有斜腹杆，结构造型简单，屋架的特点是没有斜腹杆，结构造型简单，便于制作。这种屋架的综合技术经济指标较便于制作。这种屋架的综合技术经济指标较好。但对于无斜腹杆屋架，没有斜腹杆，仅好。但对于无斜腹杆屋架，没有斜腹杆，仅有竖腹杆。这时若再把桁架节点简化为铰节有竖腹杆。这时若再把桁架节点简化为铰节点，则整个结构就成为一个几何可变的机构，点，则整个结构就成为一个几何可变的机构，所以必须采用刚节点的桁架，可按多次超静所以必须采用刚节点的桁架，可按多次超静定结构计算，也可按拱结构计算，按拱结构定结构计算，也可按拱结构计算，按拱结构计算时，上弦为拱，下弦为拱的拉杆。计算时，上弦为拱，下弦为拱的拉杆。46无斜腹杆屋架v2.主次桁架结构v主次桁架结构体系是由平面桁架组成的一种特殊形式的空间桁架结构。武汉水利电力学院体育馆即为其中的一例。它是以建筑屋盖中部气楼提供的建筑空间，布置两榀跨度为42m的主桁架，辅以跨度为18m和12m的小型桁架即所谓的次桁架。次桁架支撑于主桁架上，形成主次桁架组成的屋架系统。v3.悬挑桁架形式v4.悬挂桁架形式