桁架結(jié)構(gòu)體系

1 桁架結(jié)構(gòu)體系一、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)。 2 桁架一般由上弦桿、腹桿（豎桿和斜腹桿）組成。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，因此在工程中得到廣泛的應(yīng)用。在房屋建筑中，桁架常用作為屋蓋承重結(jié)構(gòu)，稱為屋架。目前在工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)中常見的屋架就是典型的桁架。如今，桁架結(jié)構(gòu)已經(jīng)有多種多樣的形式，不局限于屋架，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。 3 桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用 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。 4 5 桁架橋桁架橋指的是以桁架作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁。桁架橋一般由主橋梁、上下水平縱向聯(lián)結(jié)系、橋門架和中間橫撐架以及橋面系組成。在桁架中，弦桿是組成桁架外圍的桿件，包括上弦桿和下弦桿，連接上、下弦桿的桿件叫腹桿，按腹桿方向的不同又區(qū)分為斜桿和豎桿。弦桿與腹桿所在的平面就叫主桁平面。 6 大跨度橋架的高度沿跨徑方向變化，形成曲弦桁架；中、小跨度采用不變的桁高，即所謂平弦桁架或直弦桁架。 蘇格蘭福斯海灣橋 7 關(guān)西國(guó)際機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)橋 8 9 屋架的主要缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)高度大。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，需要設(shè)置支撐。一般房屋縱向的側(cè)向力并不大，但支撐很多，都按構(gòu)造（長(zhǎng)細(xì)比）要求確定截面，故耗鋼量不少但未能材盡其用。 101、 組成桁架的所有各桿都是直桿，所有各桿的中心線（軸線）都在同一平面內(nèi)，這一平面稱為桁架的中心平面；2、 桁架的桿件與桿件相連接的節(jié)點(diǎn)均為鉸接節(jié)點(diǎn)；3、 所有外力（荷載和支座反力）都作用在桁架的 中心平面內(nèi)，并集中作用于節(jié)點(diǎn)上。桁架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算的假定 11 分析矩形桁架、三角形桁架和折線形桁架內(nèi)力 1、矩形桁架 1 )弦桿：矩形桁架高度相等，下弦各節(jié)間的內(nèi)力隨外荷載產(chǎn)生的總彎矩而變化，跨中節(jié)間軸力大、靠近支座處軸力較小或?yàn)榱?，下弦?nèi)力變化較大。 2 )腹桿：沿跨度方向各腹桿的軸力變化與剪力圖一致，跨中小而支座處大，其值變化較大。 12 2、三角形桁架上、下弦桿內(nèi)力在跨中節(jié)間最小，在靠近支座處最大。因高度變化速度大于剪力變化速度，故斜腹桿和豎腹桿的受力都是跨中大，支座處小。 13 3、折線形桁架高度呈拋物線型的桁架是最理想的桁架形式。上弦曲線做成圓形使屋架外形與拋物線彎矩圖接近，為便于制作，常將桁架上弦各節(jié)點(diǎn)與彎矩圖重合，而在各節(jié)點(diǎn)之間取直線，成為折線形桁架。這時(shí)，上、下弦桿內(nèi)各節(jié)間軸力基本相等。 (斜)腹桿內(nèi)力全部為零。 14 二、屋架結(jié)構(gòu)的型式按材料分：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、鋼筋混凝土鋼組合屋架等。按屋架外形分：三角形、梯形、拋物線、折線形、平行弦等。 15 （一）木屋架 常用的木屋架是方木或原木齒連接的豪式木屋架。分為三角形和梯形（如上圖）。大都在工地手工制作。 豪式木屋架的節(jié)間長(zhǎng)度23m，一般為48節(jié)間，適用跨度為1218m，高跨比宜在1/51/4之間。當(dāng)屋架跨度不大時(shí)，上弦可用整根木料。 16 三角形屋架適用于跨度在1 8 m以內(nèi)(取1 2 m)的建筑。坡度大，適用于屋面材料為粘土瓦，水泥瓦及小青瓦等要求排水坡度較大的情況。梯形屋架受力性能比三角形屋架合理，可用于跨度較大房屋適用跨度為1 2 1 8 m。 17 （二）鋼-木組合屋架形式：（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質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的上等木材，特別是原木和方木干燥較慢，干裂縫對(duì)下弦不利，采用鋼拉桿作為屋架的下弦，每平方米建筑面積的用鋼量增加24kg，但顯著提高了結(jié)構(gòu) 的可靠性和屋架剛度。 18 （三）鋼屋架 三角形屋架： 用于屋面坡度較大的屋蓋結(jié)構(gòu)中。內(nèi)力變化較大，弦桿內(nèi)力在支座處最大，在跨中最小，材料強(qiáng)度不能充分發(fā)揮作用。一般用于中小跨度的輕屋蓋結(jié)構(gòu)。 芬克式屋架，腹桿受力合理，長(zhǎng)桿受拉，短桿受壓，可分為兩榀小屋架制作，現(xiàn)場(chǎng)安裝，施工方便。 19 梯形屋架用于屋面坡度較小的屋蓋中，受力性能比三角形屋架優(yōu)越，適用于較大跨度或荷載的工業(yè)廠房。用于無(wú)檁體系屋蓋，屋面材料大多用大型屋面板。 20 （四）混凝土屋架1、梯形屋架 常見形式有：梯形、折線形、拱形、無(wú)斜腹桿屋架等。根據(jù)是否對(duì)屋架下弦施加預(yù)應(yīng)力，分為：鋼筋混凝土屋架和預(yù)應(yīng)力混凝土屋架，前者適用跨度為1524m，后者適用跨度為1836m或更大。 上弦為直線，屋面坡度為1/101/12，適用于卷材防水屋面。上弦節(jié)間為3m，下弦節(jié)間為6m，矢高與跨度之比為1/61/8，屋架端部高度為1.82.2m。梯形屋架自重較大 ，剛度好。適用于重型、高溫及采用井式或橫向天窗的廠房。 21 2、折線形屋架 外形較合理，結(jié)構(gòu)自重較輕，屋面坡度為1/31/4，適用于非卷材防水屋面的中型廠房或大中型廠房。 屋面坡度平緩，適用于卷材防水屋面的中型廠房，為改善屋架端部的屋面坡度，減少油氈下滑，一般可在端部增加兩個(gè)桿件，使整個(gè)屋面的坡度較為均勻。 22 3、拱形屋架 上弦為曲線形，采用拋物線形，為制作方便，可采用折線形，但折線的節(jié)點(diǎn)應(yīng)落在拋物線上。 屋架外形合理，桿件內(nèi)力均勻，自重輕，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好，但屋架端部屋面坡度太陡，可在上弦上不加設(shè)短柱，矢高比為1/61/8。 23 三、屋架結(jié)構(gòu)的選型與布置（一）屋架結(jié)構(gòu)的主要尺寸1、矢高矢高大，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。矢高小，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)大和過(guò)小，一般取1/101/5。2、坡度當(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；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。 24 3、節(jié)間長(zhǎng)度上弦受壓，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，一般為1 .5 4 m。 25 （二）屋架結(jié)構(gòu)的選型1、屋架結(jié)構(gòu)的受力 拋物線狀的拱式結(jié)構(gòu)：受力最為合理，但施工復(fù)雜。 折線形屋架：與彎矩圖最接近，力學(xué)性能良好。 梯形屋架：力學(xué)性能較好，上下弦均為直線施工方便，在大中跨建筑中被廣泛應(yīng)用。 三角形屋架：力學(xué)性能較差，適用于中小跨度。 矩形屋架：力學(xué)性能較差，用作托架或荷載較特殊情況下使用。 26 （二）屋架結(jié)構(gòu)的選型2、屋面防水構(gòu)造 三角形、陡坡梯形屋架：屋面材料采用粘土瓦、機(jī)制平瓦或水泥瓦。 拱形、折線形屋架：采用卷材防水、金屬薄板材料。3、材料耐久性木材、鋼材：易腐蝕，維修費(fèi)用高，不宜用于有侵蝕性的工業(yè)廠房和通風(fēng)不良的建筑。預(yù)應(yīng)力混凝土屋架：提高屋架下弦的抗裂性，防止鋼筋腐蝕。 27 （二）屋架結(jié)構(gòu)的選型4、跨度 18m以下：鋼筋混凝土鋼組合屋架，構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好。 36m以下：預(yù)應(yīng)力混凝土屋架，節(jié)省鋼材，有效控制裂縫寬度和撓度。 36m以上（大跨度或振動(dòng)荷載較大）：鋼屋架，結(jié)構(gòu)自重輕，提高結(jié)構(gòu)的耐久性和可靠性。 28 （三）屋架結(jié)構(gòu)的布置1、屋架的跨度 一般以3m為模數(shù)。 我國(guó)制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)圖集可拱查用。2、屋架的間距 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。常見的有：6m、7.5m、9m、12m等。 29 （三）屋架結(jié)構(gòu)的布置 3、屋架的支座支座標(biāo)高由建筑外形的要求確定，在同層中屋架的支座取同一標(biāo)高。在力學(xué)上可簡(jiǎn)化為鉸接支座。當(dāng)跨度較小時(shí)，把屋架直接擱置在墻、柱或圈梁上；跨度較大時(shí)，應(yīng)采取專門的構(gòu)造措施。 30 工程用地面積2 1 6 4 4 m2，占地面積1 1 5 3 0 m2，總建筑面積6 2 8 0 0 m2，地下兩層，地上6層，高度為4 0 m。方案中最引人注目的是呈反拱的月牙形屋蓋，縱向長(zhǎng)1 0 0 .4 m，橫向?qū)? 4 m，縱向懸挑2 6 m，橫向懸挑3 0 .9 m，反拱圓弧半徑R=9 3 m，拱高1 1 .5 m。屋蓋體系采用交叉剛接鋼桁架結(jié)構(gòu)?？v向?yàn)閮砷麒旒芎蛢砷舞旒?，在每榀主桁架下各設(shè)三個(gè)由電梯井筒壁形成的薄壁柱，作為整個(gè)屋架結(jié)構(gòu)的支座，次桁架僅起到保證屋蓋整體性的作用。 31 反拱的月牙形屋蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)力較大，采用剛接桁架結(jié)構(gòu)較為合理，以保證屋蓋結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載能力。月牙形屋架采用無(wú)斜腹桿屋架，既可滿足建筑對(duì)鋼屋蓋內(nèi)部縱向交通的要求，又使桿件總數(shù)減少，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)便。受力性能好，具有很大的抗扭剛度和雙向抗彎剛度，整體穩(wěn)定性墻，可省去大量支撐。