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，水平桿和斜桿組成（圖1-23 ）。圖 1 23 桁架結(jié)構(gòu)在房屋建筑中，桁架常用來作為屋蓋承重結(jié)構(gòu)，這時常稱為屋架。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)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)的整體來說， 它們在荷載作用下受彎、 受剪；但作為桁架結(jié)構(gòu)中的桿件來說，只承受軸向力，不承受彎矩、剪力和扭矩。桁架結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是， 把整體受彎轉(zhuǎn)化為局部構(gòu)件的受

2、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、計算簡單、施工方便、適應(yīng)性強(qiáng)，對支座沒有橫向推力，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)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，并給音響控制帶來困難。側(cè)向剛度小，對于鋼屋架特別明顯，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，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、鋼木屋架和鋼筋混凝土屋架等。鋼筋混凝土

3、屋架當(dāng)其下弦采用預(yù)應(yīng)力鋼筋時，稱為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土屋架。目前，我國預(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、無斜腹桿屋架或剛接桁架、立體桁架等。我國常用的屋架有三角形、矩形、梯形、拱形和無斜腹桿屋架等多種型式，見圖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 ）拱形屋架 （e ）下?lián)问轿菁?

4、（f）無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、折線形的和拋物線形的等等。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=±M0h（ 1-1 ）式中 :（負(fù)值表示上弦受壓，正值表示下弦受拉）M

5、0 一簡支梁相應(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)力計算從上式可以看出，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， Y 一斜桿的豎向分力和豎桿的軸力;V 0一簡支梁相應(yīng)于屋架節(jié)間的剪力。從圖 1-26 可以看出， V 0值在跨中小兩端大，所以相應(yīng)的腹桿內(nèi)力也是中間桿件小而兩端桿件大，其內(nèi)力圖見圖1-26 。以上

6、的分析可以看出：從整體來看，屋架相當(dāng)于一個受彎構(gòu)件，弦桿承受彎矩，腹桿承受剪力，而從局部來看，屋架的每個桿件只承受軸力（拉力或壓力）。用同樣的方法可以分析三角形和拋物線形屋架的內(nèi)力分布情況，見圖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，但是內(nèi)力大小的分布是各不相同的。從圖 1-26 可以看出，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)力由兩端向中間增大；.圖1 26 不

7、同形式的桁架及內(nèi)力圖（ 3）拋物線屋架的內(nèi)力分布比較均勻，從受力角度看，它是比較好的屋架形式，因為它的形狀與同跨度同荷載簡支梁的彎矩圖形相似，也就是說，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）跨度和荷載大?。?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是適用、經(jīng)濟(jì)、美觀和制造簡單。a.屋架結(jié)構(gòu)的受力從結(jié)構(gòu)受力來看， 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， 上下弦均為直線施工方便， 故在大中跨

8、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。一般來說， 當(dāng)屋面防水材料采用粘土瓦、機(jī)制平瓦或水泥瓦時，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，應(yīng)選用拱形屋架、折線形屋架和緩坡梯形屋架。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，對于相對濕度較大而又通風(fēng)不良的建筑，或有侵蝕性介質(zhì)的工業(yè)廠房， 不宜選用木屋架和鋼屋架， 宜選用預(yù)應(yīng)力混凝土屋架， 可提高屋架下弦的抗裂性，防止鋼筋腐蝕。d

9、.屋架結(jié)構(gòu)的跨度跨度在 18m以下時，可選用鋼筋混凝土一鋼組合屋架；這種屋架構(gòu)造簡單、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，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和撓度。對于跨度在36m以上的大跨度建筑或受到較大振動荷載作用的屋架，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)間長度。a.矢高屋架矢高主要由結(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、 長細(xì)比大、 易壓曲， 用料反而會增多。 矢高小， 則弦桿受力大、截面大、且屋架剛

10、度小、變形大。因此，矢高不宜過大也不宜過小。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 1/10 1/5 。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，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，屋面坡度可平緩些，一般為1/8 1/12 。c.節(jié)間長度屋架節(jié)間長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)間長度應(yīng)小些，下弦受拉，節(jié)間長度可大些。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)間長度可取大些。但節(jié)間桿長也不宜過大，一般為1.5 4m 。屋架的

11、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，上弦寬度主考慮屋面板的搭接要求，一般不小于20cm ?？缍容^大的屋架將產(chǎn)生較大的撓度。因此，制作時要采取起拱的辦法抵消荷載作用下產(chǎn)生的撓度。跨度大于18m的三角形屋架和跨度大于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決定。對于矩形的建筑平面，一般采用等跨度、等間距、等標(biāo)高布置的同一種類的屋架，以簡化結(jié)構(gòu)構(gòu)造、方便結(jié)構(gòu)施工。為了構(gòu)造簡單， 制作方便， 屋架的弦桿通常設(shè)計成等截面的。所以確定屋架的形式時應(yīng)盡量使弦桿

12、沿全長的內(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。并盡量使長腹桿受拉，短腹桿受壓，腹桿數(shù)目宜少，使結(jié)點(diǎn)匯集的桿件少，構(gòu)造簡單。結(jié)點(diǎn)構(gòu)造要簡單合理。桿件的交角不宜太小，一般在250 750 之間。a.屋架的跨度屋架的跨度應(yīng)根據(jù)工藝使用和建筑要求確定，一般以3m 為模數(shù)。對于常用屋架型式的.常用跨度，我國都制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)圖集可供查用，從而可加快設(shè)計及施工的進(jìn)度。對于矩形平面的建筑， 一般可選用同一種型號的屋架， 僅端部或變形縫兩側(cè)屋架中的預(yù)埋件稍有不同。 對于非矩形平面的建筑， 各根屋架的跨度就不可能一樣， 這時應(yīng)盡量減少其類型以方

13、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。屋架的間距同時即為屋面板或檁條、吊頂龍骨的跨度，最常見的為6m ，有時也有 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， 要注意可能會對支座產(chǎn)生水平推力。 屋架的支座形式， 在力學(xué)上可簡化為鉸接支座。實際工程中，當(dāng)跨度較小時，一般把屋架直接擱置在墻、垛、柱或圈梁上。當(dāng)跨度較大時，則應(yīng)采取專門的構(gòu)造措施，以滿足屋

14、架端部發(fā)生轉(zhuǎn)動的要求。（ 4）屋架結(jié)構(gòu)的支撐屋架支撐的位置在有山墻時設(shè)在房屋兩端的第二開間內(nèi)，對無山墻 （包括伸縮縫處）的房屋設(shè)在房屋兩端的第一開間內(nèi)；在房屋中間每隔一定距離（一般 60m ）亦需設(shè)置一道支撐，對于木屋架，距離為20 30m 。支撐體系包括上弦水平支撐、 下弦水平支撐與垂直支撐， 它們把上述開間相鄰的兩桁架連結(jié)成穩(wěn)定的整體。 在下弦平面通過縱向系桿， 與上述開間空間體系相連， 以保證整個房屋的空間剛度和穩(wěn)定性。支撐的作用有三個：（ 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的側(cè)向水平力，如山墻承受的風(fēng)力、縱向地震作用等；（ 3）防止桁架上弦平面外的

15、壓曲， 減少平面外長細(xì)比， 并防止桁架下弦平面外的振動。1. 貝寧體育館.位于貝寧科托努市的貝寧友誼體育場的多功能綜合體育館，如圖1-27 所示。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件及實際情況，采用梭形立體桁架，跨度為65.3m ，高跨比為 1/13 ，中間起拱 1/330 。上弦及腹桿采用Q235 無縫鋼管，下弦用Q345 無縫鋼管。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 。該工程通過國際招標(biāo)，法國建筑師以其“天地呼應(yīng)，中西合壁”的構(gòu)思，獨(dú)特的立面造型而中標(biāo)，