完整word版桁架结构体系Word文档格式.docx

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屋架的主要缺点是结构高度大，侧向刚度小。

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，这就需要设置支撑。

桁架是较大跨度建筑的屋盖中常用的结构型式之一。

在一般情况下，当房屋的跨度大于18m时，屋盖结构采用桁架比梁经济。

屋架按其所采用的材料区分，有钢屋架、木屋架、钢木屋架和钢筋混凝土屋架等。

钢筋混凝土屋架当其下弦采用预应力钢筋时，称为预应力钢筋混凝土屋架。

目前，我国预应力钢筋混凝土屋架的跨度已做到60多米，钢屋架的跨度已做到70多米。

一、桁架结构的型式与受力特点

屋架结构的型式很多:

（1）按屋架外形的不同，有三角形屋架、梯形屋架、抛物线屋架、折线型屋架、平行弦屋架等。

（2）根据结构受力的特点及材料性能的不同，也可采用桥式屋架、无斜腹杆屋架或刚接桁架、立体桁架等。

我国常用的屋架有三角形、矩形、梯形、拱形和无斜腹杆屋架等多种型式，见图1-24。

图1-24常用的屋架型式

（a）三角形屋架（b）平行弦屋架（矩形）（c）梯形屋架（再分式）

　（d）拱形屋架（e）下撑式屋架（f）无斜腹杆屋架

尽管桁架结构中以轴力为主，其构件的受力状态比梁的结构合理，但在桁架结构各杆件单元中，内力的分布是不均匀的。

屋架的几何形状有矩形的（即平行弦屋架）、三角形、梯形、折线形的和抛物线形的等等。

它们的内力分布随形状的不同而变化。

在一般情况下，屋架的主要荷载类型是均匀分布的结点荷载。

我们首先分析在结点荷载作用下平行弦屋架的内力分布特点，见图1-25。

然后，引伸至其它形式的屋架。

从图1-25中可以得出如下结论：

（1）弦杆轴力：

上弦受压，下弦受拉，其轴力由力矩平衡方程式得出（矩心取在屋架结点）。

N=±

M

h

（1-1）

式中:

（负值表示上弦受压，正值表示下弦受拉）

M0一简支梁相应于屋架各结点处的截面弯矩；

h一屋架高度。

图1-25桁架内力计算

从上式可以看出，上下弦的轴力N与M0成正比，与h成反比。

由于屋架的高度h值不变，而M0愈接近屋架两端愈小，所以中间弦杆轴力大，愈向两端弦杆轴力愈小。

（2）腹杆内力

屋架内部的杆件称为腹杆，包括竖杆与斜杆。

腹杆的内力可以根据隔离体的平衡法则，由力的竖向投影方程求得：

Y=±

V0

（1-2）

式中，Y一斜杆的竖向分力和竖杆的轴力;

V0一简支梁相应于屋架节间的剪力。

从图1-26可以看出，V0值在跨中小两端大，所以相应的腹杆内力也是中间杆件小而两端杆件大，其内力图见图1-26。

以上的分析可以看出：

从整体来看，屋架相当于一个受弯构件，弦杆承受弯矩，腹杆承受剪力，而从局部来看，屋架的每个杆件只承受轴力（拉力或压力）。

用同样的方法可以分析三角形和抛物线形屋架的内力分布情况，见图1-36b、c所示。

由于这两种屋架上弦结点的高度中间大，愈向两端愈小，所以，虽然上弦仍受压下弦仍受拉，但是内力大小的分布是各不相同的。

从图1-26可以看出，屋架杆件内力与其形式有着密切的关系。

（1）平行弦屋架内力是不均匀的，弦杆内力由两端向跨度中间增大，腹杆内力由中间向两端增大；

（2）三角形屋架内力分布也是不均匀的，弦杆的内力由中间向两端增大，腹杆内力由两端向中间增大；

图1－26不同形式的桁架及内力图

（3）抛物线屋架的内力分布比较均匀，从受力角度看，它是比较好的屋架形式，因为它的形状与同跨度同荷载简支梁的弯矩图形相似，也就是说，其形状符合内力变化的规律。

（1）屋架结构的选型

屋架型式的选择一般与下列因素有关:

（1）建筑物的使用要求

（2）跨度和荷载大小

（3）材料供应

（4）施工技术水平

选择屋架型式的一般原则是适用、经济、美观和制造简单。

a.屋架结构的受力

从结构受力来看，抛物线状的拱式结构受力最为合理。

但拱式结构上弦为曲线，施工复杂。

折线型屋架，与抛物线弯矩图最为接近，故力学性能良好。

梯形屋架，因其既具有较好的力学性能，上下弦均为直线施工方便，故在大中跨建筑中被广泛应用。

三角形屋架与矩形屋架力学性能较差。

三角形屋架一般仅适用于中小跨度，矩形屋架常用作托架或荷载较特殊情况下使用。

b.屋面防水构造

屋面防水构造决定了屋面排水坡度，进而决定屋盖的建筑造型。

一般来说，当屋面防水材料采用粘土瓦、机制平瓦或水泥瓦时，应选用三角形屋架、陡坡梯形屋架。

当屋面防水采用卷材防水、金属薄板防水时，应选用拱形屋架、折线形屋架和缓坡梯形屋架。

c.材料的耐久性及使用环境

木材及钢材均易腐蚀，维修费用较高。

因此，对于相对湿度较大而又通风不良的建筑，或有侵蚀性介质的工业厂房，不宜选用木屋架和钢屋架，宜选用预应力混凝土屋架，可提高屋架下弦的抗裂性，防止钢筋腐蚀。

d.屋架结构的跨度

跨度在18m以下时，可选用钢筋混凝土一钢组合屋架；

这种屋架构造简单、施工吊装方便，技术经济指标较好。

跨度在36m以下时，宜选用预应力混凝土屋架，既可节省钢材，又可有效地控制裂缝宽度和挠度。

对于跨度在36m以上的大跨度建筑或受到较大振动荷载作用的屋架，宜选用钢屋架，以减轻结构自重，提高结构的耐久性与可靠性。

（2）屋架结构的基本尺寸

屋架结构的基本尺寸包括屋架的矢高、坡度、节间长度。

a.矢高

屋架矢高主要由结构刚度条件确定，屋架的矢高直接影响结构的刚度与经济指标。

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，则弦杆受力大、截面大、且屋架刚度小、变形大。

因此，矢高不宜过大也不宜过小。

屋架的矢高也要根据屋架的结构型式。

一般矢高可取跨度的1/10～1/5。

b.坡度

屋架上弦坡度的确定应与屋面防水构造相适应。

当采用瓦类屋面时，屋架上弦坡度应大些，一般不小于1/3，以利于排水。

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。

c.节间长度

屋架节间长度的大小与屋架的结构型式，材料及受荷条件有关。

一般上弦受压，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。

但节间杆长也不宜过大，一般为1.5～4m。

屋架的宽度主要由上弦宽度决定。

钢筋混凝土屋架当采用大型屋面板时，上弦宽度主考虑屋面板的搭接要求，一般不小于20cm。

跨度较大的屋架将产生较大的挠度。

因此，制作时要采取起拱的办法抵消荷载作用下产生的挠度。

跨度大于18m的三角形屋架和跨度大于24m的梯形屋架，起拱度一般为跨度1/500。

（3）屋架结构的布置

屋架结构的布置，包括屋架结构的跨度、间距、标高等，主要考虑建筑外观造型及建筑使用功能方面的要求来决定。

对于矩形的建筑平面，一般采用等跨度、等间距、等标高布置的同一种类的屋架，以简化结构构造、方便结构施工。

为了构造简单，制作方便，屋架的弦杆通常设计成等截面的。

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相同。

如果各节间的内力相差太大，容易造成材料的浪费。

屋架的腹杆布置要合理，尽量避免非结点荷载。

并尽量使长腹杆受拉，短腹杆受压，腹杆数目宜少，使结点汇集的杆件少，构造简单。

结点构造要简单合理。

杆件的交角不宜太小，一般在250～750之间。

a.屋架的跨度

屋架的跨度应根据工艺使用和建筑要求确定，一般以3m为模数。

对于常用屋架型式的常用跨度，我国都制订了相应的标准图集可供查用，从而可加快设计及施工的进度。

对于矩形平面的建筑，一般可选用同一种型号的屋架，仅端部或变形缝两侧屋架中的预埋件稍有不同。

对于非矩形平面的建筑，各根屋架的跨度就不可能一样，这时应尽量减少其类型以方便施工。

b.屋架的间距

屋架一般宜等间距平行排列，与房屋纵向柱列的间距一致，屋架直接搁置在柱顶。

间距的大小除考虑建筑平面柱网布置的要求外，还要考虑屋面结构及吊顶构造的经济合理性。

屋架的间距同时即为屋面板或檩条、吊顶龙骨的跨度，最常见的为6m，有时也有7.5m、9m、12m等。

c.屋架的支座

屋架支座的标高由建筑外形的要求确定，一般为在同层中屋架的支座取同一标高。

当一根屋架两端支座的标高不一致时，要注意可能会对支座产生水平推力。

屋架的支座形式，在力学上可简化为铰接支座。

实际工程中，当跨度较小时，一般把屋架直接搁置在墙、垛、柱或圈梁上。

当跨度较大时，则应采取专门的构造措施，以满足屋架端部发生转动的要求。

（4）屋架结构的支撑

屋架支撑的位置在有山墙时设在房屋两端的第二开间内，对无山墙（包括伸缩缝处）的房屋设在房屋两端的第一开间内；

在房屋中间每隔一定距离（一般≤60m）亦需设置一道支撑，对于木屋架，距离为20～30m。

支撑体系包括上弦水平支撑、下弦水平支撑与垂直支撑，它们把上述开间相邻的两桁架连结成稳定的整体。

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

支撑的作用有三个：

（1）保证屋盖的空间刚度与整体稳定；

（2）抵抗并传递由屋盖沿房屋纵向传来的侧向水平力，如山墙承受的风力、纵向地震作用等；

（3）防止桁架上弦平面外的压曲，减少平面外长细比，并防止桁架下弦平面外的振动。

1.贝宁体育馆

位于贝宁科托努市的贝宁友谊体育场的多功能综合体育馆，如图1-27所示。

体育馆可容纳观众5000名，总建筑面积14015m2，屋盖结构考虑到当地的施工条件及实际情况，采用梭形立体桁架，跨度为65.3m，高跨比为1/13，中间起拱1/330。

上弦及腹杆采用Q235无缝钢管，下弦用Q345无缝钢管。

图1-27贝宁科托努市，贝宁体育馆

2.上海大剧院

上海大剧院是由上海市人民政府投资的大型歌舞剧院，位于上海市中心人民广场西北侧。

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。

该工程通过国际招标，法国建筑师以其“天地呼应，中西合壁”的构思，独特的立面造型而中标，见图1-28。

图1-28上海大剧院剖面律

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。

由于其独特的建筑造型和特殊的功能及工艺要求，大剧院的屋盖体系采用交叉刚接钢桁架结构。

屋盖结构纵向为两榀主桁架及两榀次桁架，在每根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。

横向为12榀半月牙形无斜腹杆屋架。

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