1,桁架結構體系,一、概述 桁架結構是由直桿在端部相互連接而成的以抗彎為主的格構式結構。,2,桁架一般由上弦桿、腹桿（豎桿和斜腹桿）組成。 桁架結構受力合理，計算簡單，施工方便，適應性強，對支座沒有橫向推力，因此在工程中得到廣泛的應用。 在房屋建筑中，桁架常用作為屋蓋承重結構，稱為屋架。目前在工業(yè)廠房結構中常見的屋架就是典型的桁架。 如今，桁架結構已經(jīng)有多種多樣的形式，不局限于屋架，在一些大跨度結構、高層建筑、橋梁中都有非常廣泛的應用。,3,桁架結構的應用,排架結構一般指由屋架和柱組成的結構體系，常用于單層工業(yè)廠房，比起剛架結構，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構主要承重構件的橋梁。 桁架橋一般由主橋梁、上下水平縱向聯(lián)結系、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,關西國際機場聯(lián)絡橋,8,9,屋架的主要缺點是結構高度大。結構高度大，增加了屋面及圍護墻的用料，同時也增加了采暖，通風，采光等設備的負荷，并給音響控制帶來困難。 側向剛度小，對于鋼屋架特別明顯，受壓的上弦平面外穩(wěn)定性差，也難以抵抗房屋縱向的側向力，需要設置支撐。一般房屋縱向的側向力并不大，但支撐很多，都按構造（長細比）要求確定截面，故耗鋼量不少但未能材盡其用。,10,1、 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，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)點均為鉸接節(jié)點； 3、 所有外力（荷載和支座反力）都作用在桁架的中心平面內，并集中作用于節(jié)點上。,桁架結構的內力,計算的假定,11,分析矩形桁架、三角形桁架和折線形桁架內力,1、矩形桁架 1)弦桿：矩形桁架高度相等，下弦各節(jié)間的內力隨外荷載產生的總彎矩而變化，跨中節(jié)間軸力大、靠近支座處軸力較小或為零，下弦內力變化較大。 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)點與彎矩圖重合，而在各節(jié)點之間取直線，成為折線形桁架。這時，上、下弦桿內各節(jié)間軸力基本相等。 (斜)腹桿內力全部為零。,14,二、屋架結構的型式,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、預應力混凝土屋架、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。當屋架跨度不大時，上弦可用整根木料。,16,三角形屋架適用于跨度在18m以內(取12m)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1218m。,17,18,（三）鋼屋架,三角形屋架： 用于屋面坡度較大的屋蓋結構中。內力變化較大，弦桿內力在支座處最大，在跨中最小，材料強度不能充分發(fā)揮作用。一般用于中小跨度的輕屋蓋結構。 芬克式屋架，腹桿受力合理，長桿受拉，短桿受壓，可分為兩榀小屋架制作，現(xiàn)場安裝，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、無斜腹桿屋架等。 根據(jù)是否對屋架下弦施加預應力，分為：鋼筋混凝土屋架和預應力混凝土屋架，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，結構自重較輕，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桿件，使整個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)點應落在拋物線上。 屋架外形合理，桿件內力均勻，自重輕，經(jīng)濟指標良好，但屋架端部屋面坡度太陡，可在上弦上不加設短柱，矢高比為1/61/8。,23,三、屋架結構的選型與布置,（一）屋架結構的主要尺寸 1、矢高 矢高大，弦桿受力小，但腹桿長、長細比大、易壓曲，用料反而會增多。 矢高小，弦桿受力大，截面大、且屋架剛度小，變形大。 因此，矢高不宜過大和過小，一般取1/101/5。 2、坡度 當采用瓦類屋面時，屋架上弦坡度應大些，一般不小于1/3； 當采用大型屋面板并做卷材防水時，屋面坡度可平緩些，一般為1/81/12。,24,3、節(jié)間長度 上弦受壓，節(jié)間長度應小些，下弦受拉，節(jié)間長度可大些。屋面荷載應直接作用在節(jié)點上，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)點數(shù)目，節(jié)間長度可取大些，一般為1.54m。,25,（二）屋架結構的選型 1、屋架結構的受力 拋物線狀的拱式結構：受力最為合理，但施工復雜。 折線形屋架：與彎矩圖最接近，力學性能良好。 梯形屋架：力學性能較好，上下弦均為直線施工方便，在大中跨建筑中被廣泛應用。 三角形屋架：力學性能較差，適用于中小跨度。 矩形屋架：力學性能較差，用作托架或荷載較特殊情況下使用。,26,（二）屋架結構的選型 2、屋面防水構造 三角形、陡坡梯形屋架：屋面材料采用粘土瓦、機制平瓦或水泥瓦。 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，維修費用高，不宜用于有侵蝕性的工業(yè)廠房和通風不良的建筑。 預應力混凝土屋架：提高屋架下弦的抗裂性，防止鋼筋腐蝕。,27,（二）屋架結構的選型 4、跨度 18m以下：鋼筋混凝土鋼組合屋架，構造簡單、施工方便、技術經(jīng)濟指標較好。 36m以下：預應力混凝土屋架，節(jié)省鋼材，有效控制裂縫寬度和撓度。 36m以上（大跨度或振動荷載較大）：鋼屋架，結構自重輕，提高結構的耐久性和可靠性。,28,（三）屋架結構的布置 1、屋架的跨度 一般以3m為模數(shù)。 我國制訂了相應的標準圖集可拱查用。 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）屋架結構的布置 3、屋架的支座 支座標高由建筑外形的要求確定，在同層中屋架的支座取同一標高。 在力學上可簡化為鉸接支座。 當跨度較小時，把屋架直接擱置在墻、柱或圈梁上；跨度較大時，應采取專門的構造措施。,30,工程用地面積21644m2，占地面積11530 m2，總建筑面積62800 m2，地下兩層，地上6層，高度為40m。 方案中最引人注目的是呈反拱的月牙形屋蓋，縱向長100.4m，橫向寬94m，縱向懸挑26m，橫向懸挑30.9m，反拱圓弧半徑R=93m，拱高11.5m。 屋蓋體系采用交叉剛接鋼桁架結構。 縱向為兩榀主桁架和兩榀次桁架， 在每榀主桁架下各設三個由電梯 井筒壁形成的薄壁柱，作為整個 屋架結構的支座，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構復雜，內力較大，采用剛接桁架結構較為合理，以保證屋蓋結構的整體剛度和承載能力。 月牙形屋架采用無斜腹桿屋架，既可滿足建筑對鋼屋蓋內部縱向交通的要求，又使桿件總數(shù)減少，節(jié)點構造簡便。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。,