桁架結(jié)構(gòu)體系

1、 桁架結(jié)構(gòu)體系 在本小節(jié)中我們要給大家介紹 桁架結(jié)構(gòu)體系的組成、優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍；桁架結(jié)構(gòu)體系 的合理布置原則及及受力特點(diǎn)。 桁架結(jié)構(gòu)組成：一般由豎桿，水平桿與斜桿組成(圖1-23)。 圖1 - 23桁架結(jié)構(gòu) 在房屋建筑中，桁架常用來(lái)作為屋蓋承重結(jié)構(gòu)，這時(shí)常稱為屋架。 用于屋蓋的桁架體系有兩類： (1) 平面桁架,用于平面屋架； (2) 空間桁架,用于空間網(wǎng)架。 這兩類桁架的共同特點(diǎn)就是它們都由一系列只受同向拉力或壓力的桿件連接而成。作為 桁架結(jié)構(gòu)的整體來(lái)說(shuō)，它們?cè)诤奢d作用下受彎、受剪;但作為桁架結(jié)構(gòu)中的桿件來(lái)說(shuō)，只承受軸 向力，不承受彎矩、剪力與扭矩。 桁架結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)就是，把整體受彎轉(zhuǎn)化

2、為局部構(gòu)件的受壓或受拉，從而有效地發(fā)揮 出材料的潛力并增大結(jié)構(gòu)的跨度。 桁架結(jié)構(gòu)受力合理、計(jì)算簡(jiǎn)單、施工方便、適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)支座沒(méi)有橫向推力，因而在結(jié)構(gòu) 工程中得到了廣泛的應(yīng)用。 屋架的主要缺點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)高度大，側(cè)向剛度小。 結(jié)構(gòu)高度大，增加了屋面及圍護(hù)墻的用料，同時(shí)也增加了采暖、通風(fēng)、采光等設(shè)備的負(fù)荷， 并給音響控制帶來(lái)困難。側(cè)向剛度小，對(duì)于鋼屋架特別明顯，受壓的上弦平面外穩(wěn)定性差也難 以抵抗房屋縱向的側(cè)向力，這就需要設(shè)置支撐。 桁架就是較大跨度建筑的屋蓋中常用的結(jié)構(gòu)型式之一。在一般情況下，當(dāng)房屋的跨度大 于18m時(shí),屋蓋結(jié)構(gòu)采用桁架比梁經(jīng)濟(jì)。屋架按其所采用的材料區(qū)分，有鋼屋架、木屋架、鋼 木屋

3、架與鋼筋混凝土屋架等。鋼筋混凝土屋架當(dāng)其下弦采用預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)，稱為預(yù)應(yīng)力鋼筋 混凝土屋架。目前，我國(guó)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土屋架的跨度已做到60多米,鋼屋架的跨度已做到70 多米。 一、桁架結(jié)構(gòu)的型式與受力特點(diǎn) 屋架結(jié)構(gòu)的型式很多： (1) 按屋架外形的不同，有三角形屋架、梯形屋架、拋物線屋架、折線型屋架、平行弦屋 架等 (2) 根據(jù)結(jié)構(gòu)受力的特點(diǎn)及材料性能的不同，也可采用橋式屋架、無(wú)斜腹桿屋架或剛接桁 架、立體桁架等。 我國(guó)常用的屋架有三角形、矩形、梯形、拱形與無(wú)斜腹桿屋架等多種型式，見(jiàn)圖1-24。 圖1-24常用的屋架型式 （a）三角形屋架（b）平行弦屋架（矩形）（c）梯形屋架（再分式） （d）拱

4、形屋架（e）下?lián)问轿菁埽╢）無(wú)斜腹桿屋架 盡管桁架結(jié)構(gòu)中以軸力為主，其構(gòu)件的受力狀態(tài)比梁的結(jié)構(gòu)合理，但在桁架結(jié)構(gòu)各桿件 單元中，內(nèi)力的分布就是不均勻的。屋架的幾何形狀有矩形的（即平行弦屋架）、三角形、梯形、 折線形的與拋物線形的等等。它們的內(nèi)力分布隨形狀的不同而變化。 在一般情況下，屋架的主要荷載類型就是均勻分布的結(jié)點(diǎn)荷載。我們首先分析在結(jié)點(diǎn)荷 載作用下平行弦屋架的內(nèi)力分布特點(diǎn)，見(jiàn)圖1-25。然后，引伸至其它形式的屋架。 從圖1-25中可以得出如下結(jié)論： （1）弦桿軸力： 上弦受壓，下弦受拉，其軸力由力矩平衡方程式得出（矩心取在屋架結(jié)點(diǎn)）。 N= 士 M 0h （1-1） 式中：（負(fù)值表示上弦

5、受壓，正值表示下弦受拉） M0一簡(jiǎn)支梁相應(yīng)于屋架各結(jié)點(diǎn)處的截面彎矩； h 一屋架高度。 圖1-25桁架內(nèi)力計(jì)算 從上式可以瞧出，上下弦的軸力 N與M0成正比,與h成反比。由于屋架的高度 h值不變，而 M0愈接近屋架兩端愈小，所以中間弦桿軸力大，愈向兩端弦桿軸力愈小。 (2)腹桿內(nèi)力 屋架內(nèi)部的桿件稱為腹桿，包括豎桿與斜桿。腹桿的內(nèi)力可以根據(jù)隔離體的平衡法則，由 力的豎向投影方程求得： Y= V0 (1-2) 式中，丫 一斜桿的豎向分力與豎桿的軸力； V0 一簡(jiǎn)支梁相應(yīng)于屋架節(jié)間的剪力。 從圖1-26可以瞧出，V0值在跨中小兩端大，所以相應(yīng)的腹桿內(nèi)力也就是中間桿件小而兩 端桿件大，其內(nèi)力圖見(jiàn)圖1

6、-26。 以上的分析可以瞧出：從整體來(lái)瞧，屋架相當(dāng)于一個(gè)受彎構(gòu)件，弦桿承受彎矩，腹桿承受剪 力,而從局部來(lái)瞧，屋架的每個(gè)桿件只承受軸力(拉力或壓力)。 用同樣的方法可以分析三角形與拋物線形屋架的內(nèi)力分布情況，見(jiàn)圖1-36b、c所示。 由于這兩種屋架上弦結(jié)點(diǎn)的高度中間大，愈向兩端愈小，所以,雖然上弦仍受壓下弦仍受 拉,但就是內(nèi)力大小的分布就是各不相同的。 從圖1-26可以瞧出，屋架桿件內(nèi)力與其形式有著密切的關(guān)系。 (1) 平行弦屋架內(nèi)力就是不均勻的，弦桿內(nèi)力由兩端向跨度中間增大，腹桿內(nèi)力由中間向 兩端增大； (2) 三角形屋架內(nèi)力分布也就是不均勻的，弦桿的內(nèi)力由中間向兩端增大，腹桿內(nèi)力由兩 端向

7、中間增大； 圖1 26不同形式的桁架及內(nèi)力圖 拋物線屋架的內(nèi)力分布比較均勻，從受力角度瞧，它就是比較好的屋架形式，因?yàn)樗?形狀與同跨度同荷載簡(jiǎn)支梁的彎矩圖形相似，也就就是說(shuō)，其形狀符合內(nèi)力變化的規(guī)律。 (1)屋架結(jié)構(gòu)的選型 屋架型式的選擇一般與下列因素有關(guān) (1) 建筑物的使用要求 (2) 跨度與荷載大小 (3) 材料供應(yīng) (4) 施工技術(shù)水平 選擇屋架型式的一般原則就是適用、經(jīng)濟(jì)、美觀與制造簡(jiǎn)單。 a、屋架結(jié)構(gòu)的受力 從結(jié)構(gòu)受力來(lái)瞧，拋物線狀的拱式結(jié)構(gòu)受力最為合理。但拱式結(jié)構(gòu)上弦為曲線，施工復(fù) 雜。折線型屋架，與拋物線彎矩圖最為接近，故力學(xué)性能良好。梯形屋架，因其既具有較好的力 學(xué)性能，上

8、下弦均為直線施工方便，故在大中跨建筑中被廣泛應(yīng)用。三角形屋架與矩形屋架力 學(xué)性能較差。三角形屋架一般僅適用于中小跨度，矩形屋架常用作托架或荷載較特殊情況下 使用。 b、屋面防水構(gòu)造 屋面防水構(gòu)造決定了屋面排水坡度，進(jìn)而決定屋蓋的建筑造型。 一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)屋面防水材料采用粘土瓦、機(jī)制平瓦或水泥瓦時(shí)，應(yīng)選用三角形屋架、陡坡 梯形屋架。當(dāng)屋面防水采用卷材防水、金屬薄板防水時(shí)，應(yīng)選用拱形屋架、折線形屋架與緩 坡梯形屋架。 c、材料的耐久性及使用環(huán)境 木材及鋼材均易腐蝕，維修費(fèi)用較高。因此，對(duì)于相對(duì)濕度較大而又通風(fēng)不良的建筑 ，或有 侵蝕性介質(zhì)的工業(yè)廠房，不宜選用木屋架與鋼屋架 ，宜選用預(yù)應(yīng)力混凝土屋架

9、，可提高屋架下 弦的抗裂性，防止鋼筋腐蝕。 d、屋架結(jié)構(gòu)的跨度 跨度在18m以下時(shí)，可選用鋼筋混凝土一鋼組合屋架；這種屋架構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工吊裝方便 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好。跨度在36m以下時(shí),宜選用預(yù)應(yīng)力混凝土屋架，既可節(jié)省鋼材，又可有效地 控制裂縫寬度與撓度。對(duì)于跨度在36m以上的大跨度建筑或受到較大振動(dòng)荷載作用的屋架 宜選用鋼屋架，以減輕結(jié)構(gòu)自重，提高結(jié)構(gòu)的耐久性與可靠性。 (2)屋架結(jié)構(gòu)的基本尺寸 屋架結(jié)構(gòu)的基本尺寸包括屋架的矢高、坡度、節(jié)間長(zhǎng)度。 a、矢咼 屋架矢高主要由結(jié)構(gòu)剛度條件確定，屋架的矢高直接影響結(jié)構(gòu)的剛度與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。矢高 大、弦桿受力小，但腹桿長(zhǎng)、長(zhǎng)細(xì)比大、易壓曲，用料反而會(huì)增多。

10、矢高小，則弦桿受力大、截 面大、且屋架剛度小、變形大。 因此，矢高不宜過(guò)大也不宜過(guò)小。屋架的矢高也要根據(jù)屋架的結(jié)構(gòu)型式。一般矢高可取 跨度的1/101/5。 b、坡度 屋架上弦坡度的確定應(yīng)與屋面防水構(gòu)造相適應(yīng)。 當(dāng)采用瓦類屋面時(shí)，屋架上弦坡度應(yīng)大些，一般不小于1/3,以利于排水。當(dāng)采用大型屋面 板并做卷材防水時(shí)，屋面坡度可平緩些，一般為1/81/12。 c、節(jié)間長(zhǎng)度 屋架節(jié)間長(zhǎng)度的大小與屋架的結(jié)構(gòu)型式，材料及受荷條件有關(guān)。 一般上弦受壓，節(jié)間長(zhǎng)度應(yīng)小些，下弦受拉，節(jié)間長(zhǎng)度可大些。屋面荷載應(yīng)直接作用在節(jié)點(diǎn) 上,以優(yōu)化桿件的受力狀態(tài)。為減少屋架制作工作量，減少桿件與節(jié)點(diǎn)數(shù)目，節(jié)間長(zhǎng)度可取大 些。但

11、節(jié)間桿長(zhǎng)也不宜過(guò)大 ，一般為1、54m。 屋架的寬度主要由上弦寬度決定。鋼筋混凝土屋架當(dāng)采用大型屋面板時(shí)，上弦寬度主考 慮屋面板的搭接要求，一般不小于20cm。 跨度較大的屋架將產(chǎn)生較大的撓度。因此，制作時(shí)要采取起拱的辦法抵消荷載作用下產(chǎn) 生的撓度?？缍却笥?8m的三角形屋架與跨度大于24m的梯形屋架，起拱度一般為跨度 1/500。 (3) 屋架結(jié)構(gòu)的布置 屋架結(jié)構(gòu)的布置，包括屋架結(jié)構(gòu)的跨度、間距、標(biāo)高等，主要考慮建筑外觀造型及建筑使 用功能方面的要求來(lái)決定。對(duì)于矩形的建筑平面，一般采用等跨度、等間距、等標(biāo)高布置的 同一種類的屋架，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)構(gòu)造、方便結(jié)構(gòu)施工。 為了構(gòu)造簡(jiǎn)單，制作方便，屋架的

12、弦桿通常設(shè)計(jì)成等截面的。所以確定屋架的形式時(shí)應(yīng)盡 量使弦桿沿全長(zhǎng)的內(nèi)力分布基本相同。如果各節(jié)間的內(nèi)力相差太大，容易造成材料的浪費(fèi)。 屋架的腹桿布置要合理，盡量避免非結(jié)點(diǎn)荷載。 少，使結(jié)點(diǎn)匯集的桿件少，構(gòu)造簡(jiǎn)單。 結(jié)點(diǎn)構(gòu)造要簡(jiǎn)單合理。桿件的交角不宜太小 a、屋架的跨度 屋架的跨度應(yīng)根據(jù)工藝使用與建筑要求確定 用跨度，我國(guó)都制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)圖集可供查用 并盡量使長(zhǎng)腹桿受拉，短腹桿受壓，腹桿數(shù)目宜 ，一般在250750之間。 ，一般以3m為模數(shù)。對(duì)于常用屋架型式的常 ，從而可加快設(shè)計(jì)及施工的進(jìn)度。 對(duì)于矩形平面的建筑，一般可選用同一種型號(hào)的屋架 ，僅端部或變形縫兩側(cè)屋架中的預(yù) 埋件稍有不同。對(duì)于非矩

13、形平面的建筑，各根屋架的跨度就不可能一樣，這時(shí)應(yīng)盡量減少其類 型以方便施工。 b、屋架的間距 屋架一般宜等間距平行排列，與房屋縱向柱列的間距一致，屋架直接擱置在柱頂。間距的 大小除考慮建筑平面柱網(wǎng)布置的要求外，還要考慮屋面結(jié)構(gòu)及吊頂構(gòu)造的經(jīng)濟(jì)合理性。屋架 的間距同時(shí)即為屋面板或檁條、吊頂龍骨的跨度，最常見(jiàn)的為6m,有時(shí)也有7、5m、9m、12m 等。 c、屋架的支座 屋架支座的標(biāo)高由建筑外形的要求確定，一般為在同層中屋架的支座取同一標(biāo)高。當(dāng)一 根屋架兩端支座的標(biāo)高不一致時(shí) ，要注意可能會(huì)對(duì)支座產(chǎn)生水平推力。屋架的支座形式，在力 學(xué)上可簡(jiǎn)化為鉸接支座。實(shí)際工程中，當(dāng)跨度較小時(shí)，一般把屋架直接擱置

14、在墻、垛、柱或圈 梁上。當(dāng)跨度較大時(shí)，則應(yīng)采取專門(mén)的構(gòu)造措施，以滿足屋架端部發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的要求。 (4) 屋架結(jié)構(gòu)的支撐 屋架支撐的位置在有山墻時(shí)設(shè)在房屋兩端的第二開(kāi)間內(nèi)，對(duì)無(wú)山墻(包括伸縮縫處)的房 屋設(shè)在房屋兩端的第一開(kāi)間內(nèi)；在房屋中間每隔一定距離(一般W 60m)亦需設(shè)置一道支撐，對(duì) 于木屋架，距離為2030m。 支撐體系包括上弦水平支撐、下弦水平支撐與垂直支撐，它們把上述開(kāi)間相鄰的兩桁架 連結(jié)成穩(wěn)定的整體。在下弦平面通過(guò)縱向系桿，與上述開(kāi)間空間體系相連，以保證整個(gè)房屋的 空間剛度與穩(wěn)定性。 支撐的作用有三個(gè)： (1) 保證屋蓋的空間剛度與整體穩(wěn)定； (2) 抵抗并傳遞由屋蓋沿房屋縱向傳來(lái)的

15、側(cè)向水平力，如山墻承受的風(fēng)力、縱向地震作用 防止桁架上弦平面外的壓曲，減少平面外長(zhǎng)細(xì)比，并防止桁架下弦平面外的振動(dòng)。 ，如圖1-27所示。 1、貝寧體育館 位于貝寧科托努市的貝寧友誼體育場(chǎng)的多功能綜合體育館 體育館可容納觀眾 5000名，總建筑面積14015m 2,屋蓋結(jié)構(gòu)考慮到當(dāng)?shù)氐氖┕l件 及實(shí)際情況,采用梭形立體桁架 胯度為65、3m,高跨比為1/13,中間起拱1/330。上弦及 腹桿采用Q235無(wú)縫鋼管，下弦用Q345無(wú)縫鋼管。 圖1- 27貝寧科托努市，貝寧體育館 2、上海大劇院 上海大劇院就是由上海市人民政府投資的大型歌舞劇院，位于上海市中心人民廣場(chǎng) 西北側(cè)。工程用地面積 21644m 2,占地面積11530m 2,總建筑面積62800m 2,地下兩層 地上6層,高度為40m。該工程通過(guò)國(guó)際招標(biāo)，法國(guó)建筑師以其“天地呼應(yīng) ，中西合壁”的 構(gòu)思，獨(dú)特的立