大跨建筑桁架结构形式与建筑造型实例分析Word格式文档下载.docx

大跨建筑桁架结构形式与建筑造型实例分析Word格式文档下载.docx

《大跨建筑桁架结构形式与建筑造型实例分析Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大跨建筑桁架结构形式与建筑造型实例分析Word格式文档下载.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

选择桁架型式的一般原则是适用经济美观和制造简单。

桁架可用木材、钢材、钢筋混凝土等材料制造，由于每种材料的力学性能各不相同，所以不同材料制造的屋架，其型式也各不一样。

这种屋架型式适用于木屋架。

桁架是由杆件组成的格构体系，其节点一般假定为铰结点，当荷载作用在结点上时，桁架的杆件内力与

桁架的外形有着密切的关系。

平行弦桁架的杆件内力是不均匀的，弦杆内力是两端小而向中间逐渐增大，腹杆内力是两端大而向中间逐渐减小。

桁架的外形及腹杆形式;

三角形屋架，人字式腹杆，豪式腹杆，梯形屋架，再分式腹杆，平行弦屋架交叉式腹杆。

本文还介绍了关于桁架选用及屋架结构的选型。

2桁架结构的基本概念

桁架结构中的桁架指的是桁架梁，是格构化的一种梁式结构。

桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中。

由于大多用于建筑的屋盖结构，桁架通常也被称作屋架。

2.1桁架的历史演变

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。

桁架在建造木桥和屋架上最先见诸实用。

古罗马人用桁架修建横跨多瑙河的特雷江桥的上部结构（发现于罗马的浮雕中），文艺复兴时期，意大利建筑师（拔拉雕）也开始采用木桁架建桥出现朗式、汤式、豪式桁架。

英国最早的金属桁架是在1845年建成的，适合汤式木桁架相似的格构桁架，第二年又采用了三角形的华伦式桁架。

2.2桁架种类

根据桁架的外形分为：

平行弦桁架（便于布置双层结构；

利于标准化生产，但杆力分布不够均匀）、折弦桁架（如抛物线形桁架梁，外形同均布荷载下简支梁的弯矩图，杆力分布均匀，材料使用经济，构造较复杂）、三角形桁架（杆力分布更不均匀，构造布置困难，但斜面符合屋顶排水需要）。

以桁架几何组成方式分：

简单桁架（由一个基本铰结三角形依次增加二元体组成）、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）、复杂桁架（不同于前两种的其它静定桁架）。

按所受水平推力分：

无推力的梁式桁架（与相应的实梁结构比较，掏空率大，上下弦杆抗弯，腹杆主要抗剪，受力合理，用材经济）、有推力的拱式桁架（拱圈与拱上结构联为一体整体性好，便于施工，跨越能力强，节省钢材料）。

2.3桁架内力特征

受力特点是结构内力只有轴力，而没有弯矩和剪力。

这一受力特性反映了实）际结构的主要因素，轴力称桁架的主内力。

实际结构（如钢筋混凝土屋架，铆（栓）接或焊接的钢桁架桥）中由于结点的非理想铰结等原因，还同时存在微小的弯矩和剪力，对轴力也有很小的影响（因结点刚性和桁架杆横截面积与惯性矩比值的大小而异，一般减小5%～0.1%），称为次内力。

考虑桁架各结点的平衡，结点承受汇交力系作用，逐次建立各结点的投影平衡方程，可求出所有的未知杆力，这种方法称结点法，最适用于简单桁架。

求解时宜根据组成特点先判定零杆，并尽可能避免解联立方程。

有时只需求少数杆件内力或者对于联合桁架和复杂桁架，结点法无法奏效时，需用截面法。

有选择地截断杆件（一般不超过三杆）以桁架的局部为平衡对象，由平衡方程即可求得所需杆件轴力。

对于某些桁架（如K式桁架），联合应用结点法和截面法更有效。

对于杆件很多的复杂桁架或空间桁架，最好的选择应是计算机方法。

2.4主要结构特点

各杆件受力均以单向拉、压为主，通过对上下弦杆和腹杆的合理布置，可适应结构内部的弯矩和剪力分布。

由于水平方向的拉、压内力实现了自身平衡，整个结构不对支座产生水平推力。

结构布置灵活，应用范围非常广。

桁架梁和实腹梁（即我们一般所见的梁）相比，在抗弯方面，由于将受拉与受压的截面集中布置在上下两端，增大了内力臂，使得以同样的材料用量，实现了更大的抗弯强度。

在抗剪方面，通过合理布置腹杆，能够将剪力逐步传递给支座。

这样无论是抗弯还是抗剪，桁架结构都能够使材料强度得到充分发挥，从而适用于各种跨度的建筑屋盖结构。

更重要的意义还在于，它将横弯作用下的实腹梁内部复杂的应力状态转化为桁架杆件内简单的拉压应力状态，使我们能够直观地了解力的分布和传递，便于结构的变化和组合。

2.5桁架结构的优点

（1）扩大了粱式结构的适用跨度。

（2）桁架可用各种材料制造，如钢筋混凝土、钢材、木材均可。

（3）桁架是由杆件组成的，桁架体型可以多样化。

如平行弦桁架、三角形桁架、梯形桁架、弧形桁架等型式。

（4）施工方便，桁架可以整体制造吊装，也可以在施工现场高空进行杆件拼装。

3结构的形式及选型布置

3.1按材料分类

按材料分类可分为木屋架、钢屋架、钢～木组合屋架、轻型钢屋架、混凝土屋架、钢筋混凝土屋架、钢筋混凝土～钢组合屋架等。

3.1.1木屋架

（1）屋架的节间大小均匀，屋架的杆件内力不致突变太大。

因为木材强度较低，这对采用木材作杆件提供有利条件。

（2）木屋架的结点采用齿联结。

这种屋架结点上相交的杆件不多，为齿联结提供可能性。

豪式木屋架的适用跨度为9～2l米，最经济跨度为9～l5米；

豪式木屋架的节间数目主要考虑节间长度要适中，如节间长度太长，则杆件长度太长，受力不利；

如节间长度太短，则节点太多，制造麻烦。

一般应控制节间长度在1.5～2.5米之间。

所以设计上常常是：

跨度6～9米时，采用四节间；

跨度9～12米时，采用六节间；

跨度12～15米时，采用八节间。

3.1.2钢屋架

（1）因钢材是一种柔性材料，虽然强度高，但抗弯性能差，而屋架上弦是压弯构件，为了适应钢材这个弱点，把上弦分成左右两个小桁架，小桁架内的杆件长度就变得较短，由此来能适应钢材柔性的特点。

（2）这种屋架型式的下弦中段虽然长，但因下弦内力是受拉，钢材抗拉最适宜，所以，这段杆件虽长但无害处。

钢～木组合屋架中的上弦为木结构、下弦为钢拉杆。

形式有豪式屋架、芬克式屋架、梯形屋架和下折式屋架。

跨度在15米以上时，因考虑竖腹杆的拉力太大而采用钢－木组合豪式屋架

3.1.3钢筋混凝土屋架

钢筋混凝土的各种受力强度都较高，是制造屋架的理想材料，利用它制造屋架无特殊要求，故屋架无固定型式。

只要受力合理，节省材料，构造简单，施工方便就可以。

钢筋混凝土屋架设计时，为了结点构造简单，要求每个结点上相交的杆件数目不多于五根，而且腹杆与弦杆的交角不小于30°

。

3.1.4轻型钢屋架

轻型钢屋架常见的有圆钢轻型钢屋架，小角钢轻型钢屋架和薄壁型钢屋架。

轻型钢屋架主要有三角形屋架、三铰拱屋架和梭形屋架等三种，其中最常用的是三角形屋架。

三角形屋架和三铰拱屋架的屋面坡度较大，通常取1/2～1/3。

轻型钢屋架适用于跨度≤18m，柱距4～6m，设置有起重量≤5t的中、轻级工作制桥式吊车的工业建筑和跨度≤18m的民用房屋的屋盖结构。

其受力特点为：

常用的三角形轻型钢屋架为芬克式，其特点为长杆受拉，短杆受压，结构受力比较合理，制作亦方便，可以分为两个运输单元。

三铰拱屋架由两根斜梁和一根拉杆组成，斜梁有平面桁架式和空间桁架式两种，拉杆可用圆钢或角钢，这种屋架的特点是杆件受力合理，斜梁腹杆短，取材方便，经济效果好。

梭形屋架有平面桁架式和空间桁架式两种，适用于跨度为9～15m，间距为3～4.2m的屋盖体系。

屋架的高跨比为1/9～1/12。

3.1.5钢筋混凝土－钢组合屋架

屋架在荷或作用下上弦主要承受压力，有时还承受弯矩，下弦承受拉力。

为了合理地发挥材料的作用，屋架的上弦和受压腹杆可采用钢筋混凝土杆件，下弦及受拉腹杆可采用钢拉杆，这种屋架称为钢筋混凝－钢组合屋架。

组合屋架的自重轻，节省材料，常用跨度为9～18米。

常用的组合屋架有折线形屋架，下撑式五角形屋架以及三铰、两铰屋架等。

三铰屋架受力明确，杆件短，施工用地小。

两铰屋架杆件少，构造简单。

下撑式五角形屋架的特点是重心低，因下撑而改善了屋架的受力性能，使内力分布比较均匀，但影响了房屋的净空，增加了柱子的高度。

组合屋架已大量采用，由于制造简单、施工占地小、自重轻，不需要重型起重设备，因此特别适于山区中、小型建筑。

3.2按形状分类

3.2.1屋架形式

主要形式有三角形屋架、梯形屋架、矩形屋架等。

三角形H/L=1/4～1/6坡度大；

梯形屋架上弦坡度为1/8～1/12时，H/L=1/6～1/10；

矩形屋架不宜用于大跨度建筑中，一般常用于托架或支撑系统中。

主要形式有三角形屋架、三角拱屋架和梭形屋架等。

三角形屋架和三铰拱最常用，斜坡屋面。

跨度L=18m时，屋面坡度通常取1/2～1/3；

梭形屋架坡度通常取1/12～1/8。

梭形桁架～～跨度约15m，上弦是角钢，下弦、腹杆是钢筋。

跨度L为15～24m，预应力混凝土桁架L为18～36m或更大时，梯形屋架：

上弦为直线，屋面薄度为1/10～1/12，适用于卷材防水屋面；

折线形：

外形较合理，结构自重较轻，屋面薄度为1/3～1/4，适用于非卷材防水屋面；

折线形屋架：

屋面坡度平缓，适用于卷材防水屋面；

拱形：

拱形屋架矢高比一般为1/6～1/8；

无斜腹杆：

上弦一般为抛物线拱。

常见的有折线形屋架、三铰屋架、两铰屋架。

上弦及受压腹杆为钢筋混凝土，下弦及受拉腹杆为角钢，适用于跨度12～18m，屋面坡度为1/4；

两铰或三铰组合屋架：

上弦为钢筋混凝土或预应力混凝土构件，下弦为型钢或钢筋；

桥式屋架：

将屋面板与屋架合二为一的结构体系。

屋架的上弦为钢筋混凝土屋面板，下弦和腹杆可为钢筋，或型钢。

3.2.2屋架的基本尺寸和适应范围

屋架的跨度，一般以3米为模数。

无论哪一种型式或哪一种材料的屋架，弦件通常都设计成等截面，以便于设计和施工，所以确定屋架的形式时，应尽量使弦杆沿全长的内力分布基本均匀。

如果各节间的内力相差太大，容易造成材料的浪费。

例如：

采用木材三角屋架时，因圆木的头径与尾径大小不相同，为使弦杆的截面大小与内力大小相适应，设计时应将圆木头径放在屋架的端部，尾径放在屋架的中部。

1、三角形屋架

三角形屋架使建筑物屋盖形成坡屋顶，造型美观，而且，三角形屋架的上弦坡度较陡，有利于屋面排水。

当屋面采用瓦类材料，如粘土瓦、石棉瓦、水泥平瓦、预应力瓦等时，排水坡度一般为i＝1/2～l/3，屋架的高跨比—般为h/L＝1/4～1/6。

2、梯形屋架

梯形屋架形成的屋盖具有较大的空间，便于管道的通过和人的通行，故剧院屋盖常采用它，梯形屋架的端部高度一般为1.8～2.1米，随屋架的跨度而定。

屋架节间长度上弦为3米，下弦为6米。

屋架上弦坡度一般为i＝1/12，屋架的高跨比一般为l/6～l/8。

梯形屋架可采用钢筋混换土或钢材制造。

钢筋混凝土梯形屋架的杆件一般采用矩形截面，宽度一般为20～2