大跨度屋盖结构.docx

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大跨度屋盖结构

大跨度屋盖结构

一、桁架

桁架应用极广，适用跨度范围（6—60m）非常大。

以受力特点可分为：

平面桁架、立体桁架、空腹桁架。

通常所指的桁架全是平面桁架，只在强调其与立体桁架或空腹桁架有所区别时，才称之为平面桁架。

文艺复兴时期，改进完善了木桁架，解决了空间屋顶结构的问题；10世纪工业大发展，因工业、交通建设需要，进一步加大跨度。

出现了各种钢屋架采用桁架。

（一）桁架的基本特点

1．平面——外荷与支座反力都作用在全部桁架杆件轴线所在的平面内；

2．几何不变——桁架的杆件按三角形法则构成；

3．铰接——杆件相交的节点，计算按铰接考虑，木杆件的节点非常接近铰接；钢桁架或钢筋混凝土桁架的节点非铰接、实属于刚架，其杆件除轴向力外，还存在弯矩，会产生应力但很小，依靠节点构造措施能解决，故一般仍按结点铰接考虑；

4，轴向受力——结点既是铰接，故各杆件（弦杆、竖杆、斜杆）均受轴向力，这是

材尽其用的有效途径。

（二）桁架的合理形式

选择桁架形式的出发点是受力合理，能充分发挥材力，以取得良好的经济效益。

桁架杆件虽然是轴向受力，但桁架总体仍摆脱不了弯曲的控制，在节点竖向荷载作用下，其上弦受压、下弦受拉，主要抵抗弯矩，而腹杆则主要抵抗剪力。

由力分析可以看出，在其他条件相同的情况下，受力最合理，结点构造最简单，用料最经济，自重最轻巧，施工也可行的是多边形或弧形桁架，因其上弦非直线，制作较复杂，仅适用于较大跨度的情况。

一般为便于构造与制作，上下弦各采用等截面杆件，其截面按最大内力决定，故内力较小的节问，材料未尽其用；为充分发挥材力，应尽量使弦杆各节点内力值接近。

为进一步改进多边形桁架，使其上弦制作方便些，可作成折线形上弦的桁架，其高度变化接近于抛物线，这样适用于中、大跨（l>18m），但其制作仍比三角形或梯形桁架复杂，三角形桁架的最大特点是上弦为两根直料，构造与制作最简单，其受力极不均匀，仅适用于小、中跨（l≤18m）的桁架情况。

（三）桁架选型选择桁架形式时，除了要考虑桁架受力与经济合理外，还需要考虑下列问题：

（1）建筑体型与美观；

（2）屋面材料及其坡度；（3）制作与吊装。

（四）桁架的空间支撑支撑的位置设在山墙位置两端的第二开间内，对无山墙（包括伸缩缝处）房屋没在房屋两端第一开间内，房屋中间每隔一定距离（一般≤60m）亦需设置一道支撑，木屋架为20～30m。

支撑包括上弦水平支撑、下弦水平支撑与垂直支撑，把上述开间相邻两端桁架联结成稳定的整体。

在下弦平面通过纵向系杆，与上述开间空间体系相边，以保证整个房屋的空间刚度和稳定性。

支撑的作用有三：

（1）保证屋盖的空间刚度与整体稳定；

（2）抵抗并传递屋盖纵向侧力，如山墙风力、纵向地震力等；（3）保证桁架上弦平面外的压曲，减少平面外长细比，并可以防止桁架下弦平面外的振动。

（五）桁架的优缺点1．优点

（1）桁架的设计、制作、安装均为简便；

（2）桁架适应跨度范围很大，故其应用非常广泛。

2。

缺点

（1）结构空间大，其跨中高度H较大，一般为（1／10—1／5）l0，给建筑体型带来笨重的大山头，单层建筑尤难处理；

（2）侧向刚度小，钢屋架尤甚，需要设置支撑，把各榀桁架联成整体，使之具有空间刚度，以抵抗纵向侧力，支撑按构造（长细比）要求确定截面，耗钢而未能材尽其用。

（六）立体桁架解决上述未尽其用的问题使桁架材料充分发挥其潜力的办法，是改平面桁架为空间桁架，即立体桁架。

这样一来桁架本身就具有足够的侧向刚度与稳定性，以简化或从根本上取消支撑。

（七）空腹桁架由于使用上的需要或建筑功能上的要求，如在桁架高度范围内开门窗或天窗、或在桁架高度范围内作设备层、或需要穿越管道与人行道，或桁架暴露于室外需要适当美观等原因，不允许桁架有斜腹杆，只有竖杆的桁架，即是空腹桁架。

本节所述之平面桁架、立体桁架与空腹桁架，其总体仍然是受弯构件，本质是格构式梁或梁式桁架。

二、拱壳拱是抗压材料的理想形式，拱形的土穴、岩洞是自然界存在最多的天然结构。

拱是受压的，土与石承压性能好，因此天然结构中拱形的土穴与岩洞占绝大多数。

壳体具有三大功能，即强度大、刚度大和板架合一，这是由于壳能双向直接传力、具有极大空间刚度和屋面与承重合一的面系结构。

本节将拱与壳分述如下：

（一）拱东西方古国，很早就产生了拱结构。

如：

中国的弧拱、古埃及、希腊的券拱；古罗马的半圆拱；拜占庭的帆拱；罗马建筑的肋形拱；哥特建筑的尖拱等。

现代的拱结构多采用圆弧拱或抛物线拱，其所采用的材料相当广泛，可用砖、石、混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土，也有采用木材和钢材的。

拱结构的应用范围很广；最初用于桥梁，在建筑中，拱主要用于屋盖、或跨门窗洞口，有时也用作楼盖、承托围墙或地下沟道顶盖。

拱所承受的荷载不同，其压力曲线的线形也不相同，一般按恒载下压力曲线确定；在活载作用下，拱内力可能产生弯矩，这时铰的设置就会影响拱内弯矩的分布状况。

与刚架相仿，只有地基良好或两侧拱肢处有稳定边跨结构时才采用无铰拱，这种拱很少用于房屋建筑。

双铰拱应用较多，为适应软弱地基上支座沉降差及拱拉杆变形，最好采用静定结构的三铰拱，如西安秦俑博物馆展览厅，由于地基为Ⅰ-Ⅱ级湿陷性土而采用67m跨的三铰拱。

拱身可分为两大类，即梁式拱和板式拱。

粱式拱有两种：

（1）肋形拱；

（2）格构式拱。

2．板式拱有六种：

（1）筒拱；

（2）凹波拱；（3）凸波拱；（4）双波拱；（5）折板拱；（6）箱形拱。

拱以曲杆抗衡并传递外力给支座，故铰支座不仅承受竖向力，并有相当大的水平向外的拱脚推力，其合力就位于拱轴曲线在支座点的切线方向上。

拱脚有推力是其主要力学特征之一，矢高f越小，推力越大。

一次超静定的双铰拱，支座的垂直或水平位移均会引起内力变化，对支座在推力作用下无变位的要求就更严格。

由此可见，为了使拱保持正常工作，务必确保其支座能承受住推力而不位移，故拱脚推力的结构处理，是拱结构设计的中心问题。

3．一般，抵抗推力结构的处理方案，有下列几种：

（1）推力由拉杆直接承担；

（2）推力由水平结构承担。

4．结合拱脚部位有下列的处理方案：

（1）连续拱的中间支座，两侧恒载作用下拱脚推力相抵消，故中间各跨可不设拉杆；非对称活荷（雪、风荷等）作用下，两侧不平衡推力，可由作为中间支座的梁来抗衡。

（2）边跨拱的边支座处理；1）边圈梁；2）挑檐板；3）边跨平顶。

（3）推力由竖向结构承担。

竖向结构有下列四种形式：

1）扶壁墙墩；2）飞券；3）斜托墩；4）边跨结构。

（4）推力直接传给基础一落地拱。

拱结构布置有下列六种：

1）并列布置；2）径向布置；3）环向布置；4）井式布置；5）多叉布置；6）拱环布置。