桁架結(jié)構(gòu)體系

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)。1桁架結(jié)構(gòu)體系桁架一般由上弦桿、腹桿（豎桿和斜腹桿）組成。桁架結(jié)構(gòu)受力合理，計(jì)算簡單，施工方便，適應(yīng)性強(qiáng)，對支座沒有橫向推力，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。2桁架結(jié)構(gòu)體系桁架結(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。3桁架結(jié)構(gòu)體系4桁架結(jié)構(gòu)體系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。5桁架結(jié)構(gòu)體系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6桁架結(jié)構(gòu)體系關(guān)西國際機(jī)場聯(lián)絡(luò)橋

7桁架結(jié)構(gòu)體系8桁架結(jié)構(gòu)體系屋架的主要缺點(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，并給音響控制帶來困難。側(cè)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(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（長細(xì)比）要求確定截面，故耗鋼量不少但未能材盡其用。9桁架結(jié)構(gòu)體系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(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10桁架結(jié)構(gòu)體系分析矩形桁架、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)榱悖孪覂?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。11桁架結(jié)構(gòu)體系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。12桁架結(jié)構(gòu)體系

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。13桁架結(jié)構(gòu)體系二、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。14桁架結(jié)構(gòu)體系（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2~3m，一般為4~8節(jié)間，適用跨度為12~18m，高跨比宜在1/5~1/4之間。當(dāng)屋架跨度不大時(shí)，上弦可用整根木料。15桁架結(jié)構(gòu)體系三角形屋架適用于跨度在18m以內(nèi)(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12~18m。16桁架結(jié)構(gòu)體系（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2~4kg，但顯著提高了結(jié)構(gòu)的可靠性和屋架剛度。17桁架結(jié)構(gòu)體系（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。18桁架結(jié)構(gòu)體系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。19桁架結(jié)構(gòu)體系（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(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15~24m，后者適用跨度為18~36m或更大。

上弦為直線，屋面坡度為1/10~1/12，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1/6~1/8，屋架端部高度為1.8~2.2m。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。

20桁架結(jié)構(gòu)體系2、折線形屋架

外形較合理，結(jié)構(gòu)自重較輕，屋面坡度為1/3~1/4，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。21桁架結(jié)構(gòu)體系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1/6~1/8。22桁架結(jié)構(gòu)體系三、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、長細(xì)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1/10~1/5。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1/8~1/12。23桁架結(jié)構(gòu)體系3、節(jié)間長度上弦受壓，節(jié)間長度應(yīng)小些，下弦受拉，節(jié)間長度可大些。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)間長度可取大些，一般為1.5~4m。24桁架結(jié)構(gòu)體系（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。25桁架結(jié)構(gòu)體系（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。26桁架結(jié)構(gòu)體系（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。27桁架結(jié)構(gòu)體系（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。28桁架結(jié)構(gòu)體系（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。29桁架結(jié)構(gòu)體系工程用地面積21644m2，占地面積11530m2，總建筑面積62800m2，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?qū)?4m，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(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