第三章-桁架结构

第三章第三章桁架桁架((屋架屋架))结构结构只受结点荷载作用的等直杆的理想铰结体系称桁架结构。它是由一些杆轴交于一点的工程结构抽象简化而成的。它在历史上出现很早，公元前500年罗马人就在多瑙河上修建了桁架桥梁；后来迅速成为普遍的结构形式应用于土木工程大跨度的结构中，在房屋建筑中尤其得到广泛推广。1．优点：受力合理、计算简单、施工方便、适应性强，对支座无横向推力，应用广泛。2．缺点：结构高度大，侧向刚度小。¾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。¾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，这就需要设置支撑。一般房屋的纵向侧向力并不大，但支撑很多，都按构造(长细比)要求确定截面，故耗钢不少却未能材尽其用。第三章第三章桁架结构桁架结构3.1桁架结构的受力特点3.2屋架结构的型式3.3屋架结构的选型与布置3.4立体桁架3.5张弦结构3.6桁架结构的其他型式3.13.1桁架结构的受力特点3.1.13.1.1桁架结构的组成桁架结构的组成从受弯方面来说工字形截面梁优于矩形截面梁。3.1.13.1.1桁架结构的组成桁架结构的组成↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓梁式桁架（桁梁）实际上是对实腹梁中性区的掏空和改进，有助于减轻自重，增加承受外荷载的数量比，适合于向大跨度发展。梁梁桁架桁架3.1.13.1.1桁架结构的组成桁架结构的组成计算简图上弦下弦斜杆竖杆结间斜腹杆―受拉上弦杆―受压竖腹杆―受压下弦杆―受拉为什么要把斜杆设计成受拉，而竖杆设计成受压？为什么要把斜杆设计成受拉，而竖杆设计成受压？桁架一般由上弦杆、腹杆（竖杆和斜腹杆）组成。桁架的受力与梁的区别桁架的受力与梁的区别11、、上弦受压、下弦受拉，形成力偶来平衡外荷载所产生上弦受压、下弦受拉，形成力偶来平衡外荷载所产生的弯矩。的弯矩。22、由斜腹杆轴力中的竖向分量来平衡外荷载所产生的剪、由斜腹杆轴力中的竖向分量来平衡外荷载所产生的剪力。力。33、桁架结构中，各杆单元均为轴向受拉或轴向受压构、桁架结构中，各杆单元均为轴向受拉或轴向受压构件，使材料的强度可以得到充分的发挥。件，使材料的强度可以得到充分的发挥。主桁架（（11）直杆：组成桁架的所有各杆都是直杆，所有各杆的中心）直杆：组成桁架的所有各杆都是直杆，所有各杆的中心线线((轴线轴线))都在同一平面内，这一平面称为桁架的中心平面。都在同一平面内，这一平面称为桁架的中心平面。木材木材――――榫接、钉连接榫接、钉连接钢桁架钢桁架――――焊接或螺栓连接焊接或螺栓连接3.1.23.1.2桁架结构计算的假定桁架结构计算的假定（（22）节点均为铰节点：桁架的杆件与杆件相连接的节点均为）节点均为铰节点：桁架的杆件与杆件相连接的节点均为铰接节点。铰接节点。钢筋混凝土钢筋混凝土――――刚性连接刚性连接严格地说，钢桁架和钢筋混凝土桁架都应该按刚架结构计算，严格地说，钢桁架和钢筋混凝土桁架都应该按刚架结构计算，各杆件除承受轴力外还承受弯矩的作用。但进一步的理论各杆件除承受轴力外还承受弯矩的作用。但进一步的理论分析和工程实践经验表明，上述杆件内的弯矩所产生的应分析和工程实践经验表明，上述杆件内的弯矩所产生的应力很小，只要在节点构造上采取适当的措施，该应力对结力很小，只要在节点构造上采取适当的措施，该应力对结构或构件不会造成危害，故一般计算中桁架结构节点均按构或构件不会造成危害，故一般计算中桁架结构节点均按铰接处理。铰接处理。3.1.23.1.2桁架结构计算的假定桁架结构计算的假定（（22）节点均为铰节点：桁架的杆件与杆件相连接的节点均为）节点均为铰节点：桁架的杆件与杆件相连接的节点均为铰接节点。铰接节点。（（33）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))都作用在中心平面内，都作用在中心平面内，并集中作用于节点上。并集中作用于节点上。对于桁架上直接搁置屋面板的结构，当屋面板的宽度对于桁架上直接搁置屋面板的结构，当屋面板的宽度和桁架上弦的节间长度不等时，上弦将受到节间荷载的作和桁架上弦的节间长度不等时，上弦将受到节间荷载的作用并产生弯矩；或对下弦承受吊顶荷载的结构，当吊顶梁用并产生弯矩；或对下弦承受吊顶荷载的结构，当吊顶梁间距与下弦节间长度不等时也会在下弦产生节间荷载及弯间距与下弦节间长度不等时也会在下弦产生节间荷载及弯矩。这将使上、下弦杆件由轴向受压或轴向受拉变为压弯矩。这将使上、下弦杆件由轴向受压或轴向受拉变为压弯或拉弯构件，是极为不利的。或拉弯构件，是极为不利的。11、木桁架与钢筋混凝土桁架：、木桁架与钢筋混凝土桁架：上、下弦截面尺寸较大，节间荷载所产生的弯矩对构件的上、下弦截面尺寸较大，节间荷载所产生的弯矩对构件的影响可通过增大截面或采取构造措施。影响可通过增大截面或采取构造措施。22、钢桁架：、钢桁架：因其上、下弦截面尺寸很小，节间荷载所产生的弯矩对构因其上、下弦截面尺寸很小，节间荷载所产生的弯矩对构件受力有较大影响，桁架节间的划分应考虑屋面板、檩条、吊件受力有较大影响，桁架节间的划分应考虑屋面板、檩条、吊顶梁的布置要求使荷载尽量作用在节点上。顶梁的布置要求使荷载尽量作用在节点上。当节间长度较大时，在钢结构中，常采用再分式屋架，使当节间长度较大时，在钢结构中，常采用再分式屋架，使屋面荷载直接作用在上弦节点上，避免了上弦受弯。屋面荷载直接作用在上弦节点上，避免了上弦受弯。如何解决？如何解决？3.1.33.1.3桁架结构的内力桁架结构的内力桁架结构的内力以轴力为主，各杆件内力分布不均匀。桁架结构的内力以轴力为主，各杆件内力分布不均匀。弦杆的内力弦杆的内力上弦杆件的内力为轴向压力，下弦杆件的内力为轴向受上弦杆件的内力为轴向压力，下弦杆件的内力为轴向受拉，形成力偶抵抗弯矩作用。拉，形成力偶抵抗弯矩作用。腹杆的内力腹杆的内力竖腹杆和斜腹杆的内力可能为轴向拉力或轴向压力（由竖腹杆和斜腹杆的内力可能为轴向拉力或轴向压力（由杆件布置决定），抵抗剪力作用。杆件布置决定），抵抗剪力作用。斜腹杆―受拉上弦杆―受压竖腹杆―受压下弦杆―受拉1.1.平行弦桁架平行弦桁架常见桁架的受力特点：常见桁架的受力特点：¾¾弦杆：平行弦桁架高度相等，下弦各节间的内力弦杆：平行弦桁架高度相等，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、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。靠近支座处轴力较小或为零，下弦内力变化较大。¾¾腹杆：沿跨度方向各腹杆的轴力变化与剪力图一腹杆：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。致，跨中小而支座处大，其值变化较大。常见桁架的受力特点：常见桁架的受力特点：2.2.三角形桁架三角形桁架¾¾上、下弦杆内力在跨中节间最小，在靠近支座处上、下弦杆内力在跨中节间最小，在靠近支座处最大。最大。¾¾因高度变化速度大于剪力变化速度，故斜腹杆和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。竖腹杆的受力都是跨中大，支座处小。常见桁架的受力特点：常见桁架的受力特点：3.3.折线形桁架折线形桁架¾¾高度呈抛物线型的桁架是最理想的桁架形式。高度呈抛物线型的桁架是最理想的桁架形式。¾¾上弦曲线做成圆形使屋架外形与抛物线弯矩图接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。时，上、下弦杆内各节间轴力基本相等。¾¾（斜）腹杆内力全部为零。（斜）腹杆内力全部为零。常见桁架的受力特点：常见桁架的受力特点：¾¾梯形桁架高度的变化在矩形桁架与三角形桁架之间，因此其上、梯形桁架高度的变化在矩形桁架与三角形桁架之间，因此其上、下弦内力分布也在上述两种桁架之间。下弦内力分布也在上述两种桁架之间。¾¾根据梯形桁架防水层构造的不同，可分为缓坡梯形桁架和陡坡梯根据梯形桁架防水层构造的不同，可分为缓坡梯形桁架和陡坡梯形桁架。形桁架。¾¾缓坡梯形桁架适用于卷材防水屋面，因其屋架高度变化较小，其缓坡梯形桁架适用于卷材防水屋面，因其屋架高度变化较小，其内力变化接近矩形桁架。内力变化接近矩形桁架。¾¾陡坡梯形桁架适合于屋面板构件自防水屋面，屋面坡度常为陡坡梯形桁架适合于屋面板构件自防水屋面，屋面坡度常为1/51/5--1/31/3，其屋架高度变化较大，内力变化接近于三角形桁架。，其屋架高度变化较大，内力变化接近于三角形桁架。4.4.梯形桁架梯形桁架¾¾三角形桁架：三角形桁架：内力分布不均匀内力分布不均匀，弦杆要改变截面，施工困，弦杆要改变截面，施工困难，否则浪费材料，端点角度小，制造困难，但外型符合普难，否则浪费材料，端点角度小，制造困难，但外型符合普通粘土瓦屋面对坡度的要求，通粘土瓦屋面对坡度的要求，在跨度小，坡度大的屋盖中使在跨度小，坡度大的屋盖中使用用。。¾¾矩形桁架：矩形桁架：内力分布不均匀内力分布不均匀，施工困难，否则材料浪费，但，施工困难，否则材料浪费，但结构划一，腹杆标准，在轻型桁架中采用结构划一，腹杆标准，在轻型桁架中采用，便于采取相同截，便于采取相同截面的弦杆，而不致于造成很大浪费。面的弦杆，而不致于造成很大浪费。¾¾折线形桁架：折线形桁架：内力分布均匀内力分布均匀，使用材料最为经济，但上弦杆，使用材料最为经济，但上弦杆的倾角不同，结构复杂，施工不便，因此，的倾角不同，结构复杂，施工不便，因此，多在大跨结构中多在大跨结构中采用采用，节约材料有重大意义。，节约材料有重大意义。¾¾梯形屋架：梯形屋架：内力介于三角形桁架和矩形桁架之间。内力介于三角形桁架和矩形桁架之间。结论结论3.2屋架结构的形式¾¾按材料分类按材料分类木屋架、钢木屋架、钢--木组合屋架、钢屋架、轻型钢屋架、钢筋混凝土木组合屋架、钢屋架、轻型钢屋架、钢筋混凝土屋架、预应力混凝土屋架、钢筋混凝土屋架、预应力混凝土屋架、钢筋混凝土——钢组合屋架等。钢组合屋架等。¾¾按形状分类按形状分类三角形、梯形、抛物线、折线形、平行弦等。三角形、梯形、抛物线、折线形、平行弦等。¾¾按结构受力特点及材料性能分类：按结构受力特点及材料性能分类：桥式屋架、无斜腹杆屋架或刚接桁架、立体桁架等。桥式屋架、无斜腹杆屋架或刚接桁架、立体桁架等。¾¾按几何组成方式可以分：按几何组成方式可以分：简单桁架、联合桁架（由几个简单桁架按几何不变体系的简简单桁架、联合桁架（由几个简单桁架按几何不变体系的简单组成规则联合组成）和复杂桁架（不同于前两种的其他静单组成规则联合组成）和复杂桁架（不同于前两种的其他静定桁架）。定桁架）。3.2屋架结构的形式¾¾按是否存在水平推力分类：按是否存在水平推力分类：无推力的梁式桁架无推力的梁式桁架（与相应的实体梁结构比较，掏空率大，（与相应的实体梁结构比较，掏空率大，上下弦杆联合抗弯，腹杆主要抗剪，受力合理，用材经济）上下弦杆联合抗弯，腹杆主要抗剪，受力合理，用材经济）和和有推力的拱式桁架有推力的拱式桁架（拱圈与拱上结构联为一体，整体性（拱圈与拱上结构联为一体，整体性好，便于施工，跨越能力强，节省钢材）。好，便于施工，跨越能力强，节省钢材）。3.2屋架结构的形式3.2.13.2.1木屋架木屋架常用的木屋架是方木或原木齿连接的豪式木屋架。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。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豪式木屋架的节间长度2‾3m2‾3m，一般为，一般为4‾84‾8节间，适节间，适用跨度为用跨度为12‾18m12‾18m，高跨比宜在，高跨比宜在1/5‾1/41/5‾1/4之间。当屋架跨之间。当屋架跨度不大时，上弦可用整根木料。度不大时，上弦可用整根木料。¾¾三角形屋架适用于跨度在三角形屋架适用于跨度在