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。45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89•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。122、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。133、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2~3m，一般为4~8节间，适用跨度为12~18m，高跨比宜在1/5~1/4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18m以内(取12m)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12~18m。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2~4kg，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15~24m，后者适用跨度为18~36m或更大。上弦为直线，屋面坡度为1/10~1/12，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1/6~1/8，屋架端部高度为1.8~2.2m。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。212、折线形屋架外形较合理，结构自重较轻，屋面坡度为1/3~1/4，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。223、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1/6~1/8。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1/10~1/5。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1/8~1/12。243、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1.5~4m。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21644m2，占地面积11530m2，总建筑面积62800m2，地下两层，地上6层，高度为40m。•方案中最引人注目的是呈反拱的月牙形屋盖，纵向长100.4m，横向宽94m，纵向悬挑26m，横向悬挑30.9m，反拱圆弧半径R=93m，拱高11.5m。•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。