桁架結(jié)構(gòu)分析與實(shí)例

1第1頁/共63頁2021/10/10星期日概述桁架結(jié)構(gòu)是由直桿在端部相互連接而成的以抗彎為主的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)。上弦桿下弦桿斜腹桿桁架示意圖豎桿2第2頁/共63頁2021/10/10星期日概述在房屋建筑中，桁架常用來作為屋蓋承重結(jié)構(gòu)，這時稱為屋架?，F(xiàn)今，桁架結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展起多種多樣的形式，不僅局限于屋架，在一些大跨度結(jié)構(gòu)、高層建筑、橋梁中都有非常廣泛的應(yīng)用。桁架結(jié)構(gòu)包括了平面桁架結(jié)構(gòu)和空間桁架結(jié)構(gòu)。3第3頁/共63頁2021/10/10星期日概述桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍：工業(yè)與民用建筑的屋蓋吊車梁橋梁起重機(jī)水工閘門海洋平臺大跨度公共建筑結(jié)構(gòu)4第4頁/共63頁2021/10/10星期日桁架的演變歷史古羅馬人曾用桁架修建橫跨多瑙河的特雷江橋的上部結(jié)構(gòu)（發(fā)現(xiàn)于羅馬的浮雕中）。文藝復(fù)興時期，意大利建筑師（拔拉雕Palladio）開始采用木桁架建橋，出現(xiàn)了朗式、湯式（斜交格柵）、豪式桁架。英國最早的金屬桁架建于1845年，是和湯式木桁架相似的格構(gòu)桁架，第二年又采用了三角形的華倫式桁架。現(xiàn)代桁架多由此衍生而來，如鋼桁梁標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中的帶豎桿華倫式桁架和帶豎桿的菱形（雙三角形）桁架5第5頁/共63頁2021/10/10星期日桁架的演變歷史朗式桁架橋6第6頁/共63頁2021/10/10星期日桁架的演變歷史豪式桁架拱橋7第7頁/共63頁2021/10/10星期日桁架的演變歷史

帶豎桿華倫式桁架華倫式桁架帶豎桿菱形桁架8第8頁/共63頁2021/10/10星期日桁架的演變歷史

E.Brandt1876年出版的著作《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教程》中的桁架梁9第9頁/共63頁2021/10/10星期日桁架的演變歷史

巴黎的萬國博覽會大廳，1867年建成。建筑師為LeopoldHardy，Jean－BaptisteKrantz成功使用了由CamillePolonceau發(fā)明的Polonceau桁架。它證實(shí)了建筑技術(shù)的飛躍源于新材料的運(yùn)用：鐵、玻璃、波紋金屬薄片材料。10第10頁/共63頁2021/10/10星期日桁架的演變歷史

巴黎的GalerdesMachines采用了當(dāng)時非常先進(jìn)的鉸接支座采用了由Fife－Lille發(fā)明的預(yù)制桁架構(gòu)件的連接裝配方法11第11頁/共63頁2021/10/10星期日桁架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)受力特點(diǎn)從結(jié)構(gòu)整體來說，桁架多應(yīng)用于受彎構(gòu)件，在外荷載的作用下所產(chǎn)生的彎矩圖和剪力圖都與在簡支梁的情況相似。但桁架結(jié)構(gòu)具有與簡支梁完全不同的受力性能。12第12頁/共63頁2021/10/10星期日桁架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)受力性能比較

簡支梁在彎矩的作用下，沿梁軸線的彎矩和剪力的分布和截面內(nèi)的正應(yīng)力和剪應(yīng)力的分布極不均勻。中間部分材料不能充分發(fā)揮作用，一般以上下邊緣處材料的強(qiáng)度作為控制。13第13頁/共63頁2021/10/10星期日桁架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)受力性能比較

桁架的上弦受壓，下弦受拉，由此形成力偶來平衡外荷載所產(chǎn)生的彎矩，外荷載所產(chǎn)生的剪力則由腹桿承受。材料得到充分的發(fā)揮。14第14頁/共63頁2021/10/10星期日桁架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)15第15頁/共63頁2021/10/10星期日桁架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)16第16頁/共63頁2021/10/10星期日桁架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)高度大平面桁架的側(cè)向剛度?。ㄐ枰O(shè)置支撐）受壓構(gòu)件需要滿足穩(wěn)定性要求，故不能材盡其用(結(jié)構(gòu)選型時盡量考慮）優(yōu)點(diǎn)：受力合理計(jì)算簡單施工方便適應(yīng)性強(qiáng)

17第17頁/共63頁2021/10/10星期日桁架結(jié)構(gòu)計(jì)算假設(shè)組成桁架的所有桿件均為直桿，所有桿件的中心線（軸線）都在同一平面內(nèi)（中心平面）。桁架的桿件與桿件相連接的節(jié)點(diǎn)均為鉸接節(jié)點(diǎn)。所有外力都作用在桁架的中心平面內(nèi)，并集中作用于節(jié)點(diǎn)上。18第18頁/共63頁2021/10/10星期日屋架的形式按外形不同分類三角形屋架梯形屋架拋物線屋架折線形屋架平行弦屋架19第19頁/共63頁2021/10/10星期日屋架的形式平行弦桁架（柏式）拋物線形桁架三角形桁架20第20頁/共63頁2021/10/10星期日屋架的形式按腹桿布置不同分類三角形腹桿系（即華倫式桁架）帶豎桿的三角形腹桿系半斜桿腹系（如K式桁架）組合腹系（亦稱再分式桁架）21第21頁/共63頁2021/10/10星期日屋架的形式

K式桁架再分式桁架22第22頁/共63頁2021/10/10星期日屋架的形式按桁架幾何組成方式分類簡單桁架聯(lián)合桁架（由幾個簡單桁架按幾何不變體系的簡單組成規(guī)則聯(lián)合組成）復(fù)雜桁架（不同于前兩種的其它靜定桁架）23第23頁/共63頁2021/10/10星期日屋架的形式

聯(lián)合桁架復(fù)雜桁架24第24頁/共63頁2021/10/10星期日屋架的形式25第25頁/共63頁2021/10/10星期日屋架的形式按所受水平推力分類無推力的梁式桁架（與相應(yīng)的實(shí)體梁結(jié)構(gòu)比較，掏空率大，上下弦桿聯(lián)合抗彎，腹桿主要抗剪，受力合理，用材經(jīng)濟(jì)）有推力的拱式桁架（拱圈與拱上結(jié)構(gòu)聯(lián)為一體，整體性好，便于施工，跨越能力強(qiáng)，節(jié)省鋼材料）26第26頁/共63頁2021/10/10星期日屋架的形式

伸臂梁式桁架懸臂梁式桁架拱式桁架27第27頁/共63頁2021/10/10星期日屋架的形式按結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)分類橋式屋架無斜腹桿屋架剛接桁架立體桁架28第28頁/共63頁2021/10/10星期日屋架的形式按材料使用不同分類木屋架鋼-木組合屋架鋼屋架輕型鋼屋架鋼筋混凝土屋架預(yù)應(yīng)力混凝土屋架鋼-混凝土組合屋架29第29頁/共63頁2021/10/10星期日木屋架常用的木屋架是方木或原木齒接的豪式木屋架30第30頁/共63頁2021/10/10星期日木屋架31第31頁/共63頁2021/10/10星期日木屋架32第32頁/共63頁2021/10/10星期日鋼-木組合屋架鋼-木組合屋架的形式有豪式屋架、芬克式屋架、梯形屋架和下折式屋架采用鋼拉桿作為屋架的下弦，提高屋架結(jié)構(gòu)的剛度，消除了接頭的非彈性變形33第33頁/共63頁2021/10/10星期日鋼屋架由于鋼屋架承載力高，自重輕，適用于跨度大的屋架。安裝、施工方便。34第34頁/共63頁2021/10/10星期日鋼屋架35第35頁/共63頁2021/10/10星期日鋼屋架拼裝36第36頁/共63頁2021/10/10星期日鋼屋架拼裝37第37頁/共63頁2021/10/10星期日鋼屋架拼裝38第38頁/共63頁2021/10/10星期日鋼屋架拼裝39第39頁/共63頁2021/10/10星期日鋼屋架拼裝40第40頁/共63頁2021/10/10星期日鋼屋架吊裝41第41頁/共63頁2021/10/10星期日鋼屋架吊裝42第42頁/共63頁2021/10/10星期日輕型鋼屋架采用薄壁型鋼、小型熱軋型鋼等輕型鋼材的屋架主要有三角形屋架、三鉸拱屋架、棱形屋架輕型屋架適用于小跨度、設(shè)置有起重量小于50t的中輕級工作制橋式吊車的工業(yè)廠房和小跨度的民用房屋的屋蓋結(jié)構(gòu)43第43頁/共63頁2021/10/10星期日輕型鋼屋架三鉸拱輕鋼屋架

桿件受力合理斜梁腹桿短經(jīng)濟(jì)效果好拱拉桿比較細(xì)柔、不能承壓整個屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度較差三鉸拱輕鋼屋架44第44頁/共63頁2021/10/10星期日輕型鋼屋架棱形屋架棱形屋架有平面桁架式和空間桁架式截面中心低空間剛度好棱形屋架45第45頁/共63頁2021/10/10星期日輕鋼屋架46第46頁/共63頁2021/10/10星期日混凝土屋架混凝土屋架常見形式有梯形屋架、折線形屋架、拱形屋架、無斜腹桿屋架、橋式屋架

鋼筋混凝土-鋼組合橋式屋架47第47頁/共63頁2021/10/10星期日混凝土屋架48第48頁/共63頁2021/10/10星期日鋼-鋼筋混凝土組合屋架屋架上弦和壓腹桿采用鋼筋混凝土，下弦及受拉桿采用鋼拉桿，充分發(fā)揮兩種不同材料的力學(xué)性能。自重輕省材料技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好49第49頁/共63頁2021/10/10星期日空間桁架（立體桁架）平面桁架結(jié)構(gòu)雖然有很好的平面力學(xué)性能，但其平面外剛度很小。為保證結(jié)構(gòu)的整體性，必須要設(shè)置各類支撐。支撐結(jié)構(gòu)布置需要消耗很多材料，且常常以長細(xì)比等構(gòu)造要求控制，材料強(qiáng)度得不到充分的發(fā)揮?？臻g桁架結(jié)構(gòu)能很好地避免上述缺點(diǎn)。50第50頁/共63頁2021/10/10星期日空間桁架結(jié)構(gòu)倒三角空間桁架曲線梁武昌火車站月臺51第51頁/共63頁2021/10/10星期日剛接桁架剛接桁架沒有斜腹桿，僅有豎腹桿，為了使結(jié)構(gòu)構(gòu)成幾何不變體系，必須采用剛節(jié)點(diǎn)。52第52頁/共63頁2021/10/10星期日剛接桁架剛接月牙形屋架上海大劇院53第53頁/共63頁2021/10/10星期日剛接桁架上海大劇院54第54頁/共63頁2021/10/10星期日桁架結(jié)構(gòu)的選型桁架結(jié)構(gòu)的選型應(yīng)考慮建筑的用途、建筑造型、屋面防水構(gòu)造、屋架的跨度、結(jié)構(gòu)材料的供應(yīng)、施工技術(shù)各種桁架有其適用范圍做到受力合理、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)適用55第55頁/共63頁2021/10/10星期日排架結(jié)構(gòu)排架結(jié)構(gòu)一般指由屋架和柱組成的結(jié)構(gòu)體系常用于單層工業(yè)廠房比起剛架結(jié)構(gòu)，更適合于有大跨度要求的工業(yè)建筑單跨排架、多跨排架等高排架、不等高排架、鋸齒形排架56第56頁/共63頁2021/10/10星期日工程實(shí)例香港中國銀行大廈由貝聿銘設(shè)計(jì)，為巨型桁架體系，主體結(jié)構(gòu)為八榀巨型桁架，其中四榀沿正方形平面的周邊布置，另四榀沿對角線方向布置。平面為52m×52m，四角為型鋼配筋的大型鋼筋混凝土立柱，底部最大截面為4800mm×4100mm，直接落地深入基礎(chǔ)，向上逐漸減小截面。正方形平面中心外的立柱由頂層向下通到第25層結(jié)束，支承在金字塔形的空間桁架中心。在巨型桁架平面內(nèi)還設(shè)置若干吊桿，將樓層荷載通過巨型桁架斜桿傳給角柱。使角柱承擔(dān)幾乎全部全力荷載，增強(qiáng)了巨型桁架的抗傾覆能力。57第57頁/共63頁2021/10/10星期日工程實(shí)例埃菲爾鐵塔是1887年1月26日動工，1889年5月15日開放的，距今已有100多年的歷史了。建筑師為GustaveEiffel。埃菲爾鐵塔占地一公頃，聳立在巴黎市區(qū)賽納河畔的戰(zhàn)神廣場上。除了四個腳是用鋼筋水泥之外，全身都用鋼鐵構(gòu)成，塔身總重量7000噸。塔分三層，第一層高57米，第二層115米，第三層274米。除了第三層平臺沒有縫隙外，其他部分全是透空的。從塔座到塔