《桁架結構》PPT課件

第七章 桁架結構,7.1 桁架結構的特點 7.2 桁架外形與內力的關系 7.3 屋架結構的形式與屋架材料 7.4 屋架結構的選型 7.5 屋架結構的工程實例,桁架結構：桁架結構是指由若干直桿在其兩端用鉸鏈連接而成的抗壓結構。 在房屋建筑中，桁架結構常用來作為屋蓋的承重結構，通常稱為屋架,桁結構實例,7.1 桁架結構的特點,7.1.1 桁架結構的產生 從梁結構截面應力的分布情況可以得到啟示，一根單跨簡支梁受荷后的截面正應力分布為壓區(qū)三角形和拉區(qū)三角形，中和軸處應力為零，離中和軸越近的應力越小。把截面上的中加部分削減成工字形截面，既可節(jié)省材料又可減輕結構自重。把截面中間部分挖空形成空腹形式，倘若大幅度挖空，中間剩下幾根很小的連桿時，九發(fā)展成為所謂的“桁架”。由此可見，桁架式從梁結構發(fā)展產生出來的。,7.1.2 桁結構的特點 特點：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。 桁架結構比梁結構具有的優(yōu)點： 擴大了梁結構的適用跨度。 桁架可以用各種材料制造。 桁架是由桿件組成的，桁架體型可以多樣化。 施工方便。,7.2 桁架結構外形與內力的關系,按屋架外形的分類： 三角形屋架 梯形屋架 拋物線形屋架 折線形屋架 平行弦屋架,7.2.1 桁架結構計算的假定 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。,盡管桁架結構中以軸力為主，其構件的受力狀態(tài)比梁的結構合理，但在桁架結構各桿件單元中，內力的分布是不均勻的。屋架的幾何形狀有平行弦桁架、三角形桁架、梯形桁架、折線形桁架等等，它們的內力分布隨形狀的不同而變化。,1、弦桿的內力 上弦桿受壓，下弦桿受拉，其軸力由力矩平衡方程式得出(矩心取在屋架節(jié)點) (負值表示上弦桿受壓，正值表示下弦桿受拉) 式中 簡支梁相應于屋架各節(jié)點處的截面彎矩； 屋架高度。,2、腹桿的內力 屋架內部的桿件稱為腹桿，包括豎腹桿與斜腹桿。腹桿的內力可以根據(jù)脫離體的平衡法則，由力的豎向投影方程求得： 式中 斜腹桿的豎向分力和豎腹桿的軸力； 簡支梁相應于屋架節(jié)間的剪力。,桁架桿件內力與桁架形式的關系如下： 平行弦桁架的桿件內力是不均勻的，弦桿內力是兩端小而向中間逐漸增大，腹桿內力由中間向兩端增大； 三角形桁架的桿件內力分布也是不均勻的，弦桿的內力是由中間向兩端逐漸增大，腹桿內力由兩端向中間逐漸增大； 折線形桁架的桿件內力分布大致均勻，從力學角度看，它是比較好的屋架形式，因為它的形狀與同跨度同荷載的簡支梁的彎矩圖形相似，其形狀符合內力變化的規(guī)律，比較經濟。,7.3 屋架結構的型式與屋架材料,按屋架外形的不同，有三角形屋架、梯形屋架、拋物線形屋架、折線形屋架、平行弦屋架等。 根據(jù)材料的不同，可分為木屋架、鋼屋架、鋼一木組合屋架、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。,7.3.1 木屋架,木屋架的典型型式是豪式屋架。這種屋架型式適用于木屋架的原因是： 1、屋架的節(jié)間大小均勻，屋架的桿件內力突變不大，比較均勻。 2、這種型式屋架的腹桿長度與桿件內力的變化相一致，兩者協(xié)調而不矛盾。 3、木屋架的節(jié)點采用齒聯(lián)結。這種屋架節(jié)點上相交的桿件不多，為齒聯(lián)結提供了可能性。,豪式木屋架的適用跨度為921m，最經濟跨度為915m。豪式木屋架的節(jié)間數(shù)目主要考慮節(jié)間長度要適中。如果節(jié)間長度太長，則桿件長度太長，受力不利；如果節(jié)間長度太短，則節(jié)點太多，制造麻煩。一般應控制節(jié)間長度在1.52.5m。 設計上通常的規(guī)定是：跨度69m時，采用四節(jié)間；跨度912m時，采用六節(jié)間；跨度1215m時，采用八節(jié)間。,三角形屋架的內力分布不均勻，支座處大而跨中小。一般適用于跨度在18m以內的建筑中。三角形屋架的上弦坡度大，有利于屋面排水。當屋面材料為粘土瓦、水泥瓦、小青瓦及石棉瓦等時，排水坡度一般為I=1213，屋架的高跨比一般為1416。 當房屋跨度較大時，選用梯形屋架較為適宜。梯形屋架受力性能比三角形屋架合理，當采用波形石棉瓦、鐵皮或卷材作屋面防水材料時，屋面坡度可取I=15。梯形屋架適用跨度為1218m。 跨度在15m以上時，因考慮豎腹桿的拉力較大，常采用豎桿為鋼桿、其余桿件為木材的鋼木組合豪式屋架。,7.3.2 鋼屋架,鋼屋架的型式主要有三角形屋架、梯形屋架、平行弦屋架。有時為改善上弦桿的受力情況，可采用再分式腹桿的形式。 三角形屋架用于陡坡屋面的屋蓋結構中。 芬克式屋架，是鋼屋架的典型型式，其特點是： 1、鋼材是一種柔性材料，強度高，但抗彎性能差。屋架上弦是壓彎構件，為了適應鋼材這個弱點，芬克式屋架把上弦分成左右兩個小桁架，小桁架內的桿件長度就變得較短。 2、屋架下弦中段雖較長，但因下弦內力是受拉，鋼材抗拉最適宜。,梯形屋架是由雙梯形合并而成，它的外形和荷載引起的彎矩圖形比較接近，因而弦桿內力沿跨度分布比較均勻，材料比較經濟。這種屋架在支座處有一定的高度，既可與鋼筋混凝土柱鉸接，也可與鋼柱做成固接，因而是目前采用無檁設計的工業(yè)廠房屋蓋中應用最廣泛的一種屋架形式。 梯形屋架的上弦坡度較小，對炎熱地區(qū)和高溫車間可以避免或減少油氈下滑和油膏的流淌現(xiàn)象，同時屋面的施工、修理、清灰等均較方便。另外，屋架之間形成較大的空間，便于管道和人穿行，因此影劇院的舞臺和觀眾廳的屋頂也常采用梯形屋架。,平行弦屋架的特點是桿件規(guī)格化，節(jié)點的構造也統(tǒng)一，因而便于制造，在均布荷載作用下，弦桿內力分布不均勻。傾斜式平行弦屋架常用于單坡屋面的屋蓋中，而水平式平行弦屋架多用做托架。平行弦屋架不宜用于桿件內力相差懸殊的大跨度建筑中。,7.3.3 鋼-木組合屋架,鋼-木組合屋架的型式有豪式屋架、芬克式屋架、梯形屋架和下折式屋架。木屋架的跨度一般為615m，大于15m時下弦通常采用鋼拉桿，就形成了鋼-木組合屋架。每平方米建筑面積的用鋼量僅增加24kg，但卻顯著地提高了結構的可靠性。同時由于鋼材的彈性模量高于木材，且還消除了接頭的非彈性變形，從而提高了屋架的剛度。鋼-木組合屋架的跨度根據(jù)屋架的外形而不同。三角形屋架跨度一般為1218m；梯形、折線形等多邊形屋架的跨度一般為1824m。,7.3.4 輕型鋼屋架,當屋蓋采用輕屋面時，屋架的桿力不大，可以采用小角鋼、圓鋼、薄壁型鋼或鋼管組成，稱為輕型鋼屋架。 最常用的型式有芬克式和三鉸拱式。兩者均適用于屋面較陡時，與鋼筋混凝土結構相比，用鋼量指標接近，不但節(jié)約了木材和水泥，還可減輕自重7080，給運輸、安裝及縮短工期等提供了有利條件。 它的缺點是：由于桿件截面小，組成的屋蓋剛度較差，因而使用范圍有一定限制，只宜用于跨度18m、吊車起重量不大于5t的輕中級工作制橋式吊車的房屋和倉庫建筑和跨度18m的民用房屋的屋蓋結構中，并宜采用瓦楞鐵、壓型鋼板或波形石棉瓦等輕屋面材料。,芬克式輕鋼屋架的特點是長桿受拉，短桿受壓，受力比較合理，制作也方便。內力分析方法與普通鋼屋架類似。 三鉸拱式屋架由兩根斜梁和一根水平拉桿組成，斜梁為壓彎桿件，一般采用剛度較好的桁架式，可以是平面桁架式，也可以是空間桁架式。這種屋架的特點是桿件受力合理、斜梁腹桿短、取材方便，不論選用小角鋼或圓鋼都可獲得好的經濟效果。,斜梁為平面桁架的三鉸拱屋架，桿件較少，構造較簡單，受力明確，用料較省，制作較方便。但其側向剛度較差，宜用于小跨度和小檁距的屋蓋中。 斜梁為空間桁架的三鉸拱屋架，桿件較多，構造較復雜，制作不便。但其側向剛度較好，宜用于跨度較大、檁距較大的屋蓋中。斜梁截面一般為倒三角形，為了保證整體穩(wěn)定性的要求，其截面高度與斜梁長度的比值一般取為l12118，不得小于118；截面寬度與截面高度的比值一般取為11.612.0，不得小于12.5。,7.3.5 鋼筋混凝土屋架,混凝土屋架的常見型式有梯形屋架、折線形屋架、拱形屋架、無斜腹桿屋架等。 混凝土屋架的常見型式有梯形屋架、折線形屋架、拱形屋架、無斜腹桿屋架等。根據(jù)是否對屋架下弦施加預應力，可分為鋼筋混凝土屋架和預應力混凝土屋架。鋼筋混凝土屋架的適用跨度為1524m，預應力混凝土屋架的適用跨度為1836m或更大。,折線形屋架外形較合理，結構自重較輕，屋面坡度為1314，適用于非卷材防水屋面的中型廠房或大中型廠房。 折線形屋架屋面坡度平緩，適用于卷材防水屋面的中型廠房。,梯形屋架上弦為直線，屋面坡度為110112，適用于卷材防水屋面。一般上弦節(jié)間為3m，下弦節(jié)間為6m，高跨比一般為l618，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。,拱形屋架上弦為曲線形，一般采用拋物線形，為制作方便，也可采用折線形，但應使折線的節(jié)點落在拋物線上。拱形屋架外形合理，桿件內力均勻，自重輕，經濟指標較好。但屋架端部屋面坡度太陡，這時可在上弦上部加設短柱而不改變屋面坡度，使之適合于卷材防水。拱形屋架高跨比一般為1618。,7.3.6 鋼筋混凝土-鋼組合屋架,為了合理地發(fā)揮材料的作用，屋架的上弦和受壓腹桿可采用鋼筋混凝土桿件，下弦及受拉腹桿可采用鋼拉桿，這種屋架稱為鋼筋混凝土-鋼組合屋架。 常用的組合屋架有折線形組合屋架、下?lián)问轿褰切谓M合屋架以及三鉸組合屋架、兩鉸組合屋架等。,7.3.7 板狀屋架,板狀屋架是將屋面板與屋架合二為一的結構體系。屋架的上弦采用鋼筋混凝土屋面板，下弦和腹桿可采用鋼筋，也可采用型鋼制作。屋面板可選用普通混凝土，也可選用加氣或陶粒等輕質混凝土制作。屋面板與屋架共同工作，屋蓋結構傳力簡捷、整體性好，減少了屋蓋構件，節(jié)省鋼材和水泥，結構自重輕，經濟指標較好。,7.3.8 桁架結構的其他型式,1、立體桁架 平面屋架結構雖然有很好的平面內受力性能，但其在平面外的剛度很小。為保證結構的整體性，必須要設置各類支撐。支撐結構的布置要消耗很多材料，且常常以長細比等構造要求控制，材料強度得不到充分發(fā)揮。采用立體桁架可以避免上述缺點。 立體桁架的截面形式有矩形、正三角形、倒角形。,當跨度較大時，因上弦壓力較大，截面大，可把上弦一分為二，構成倒三角形立體桁架。 立體桁架由于具有較大的平面外剛度，有利于吊裝和使用，節(jié)省用于支撐的鋼材，因而具有較大的優(yōu)越性。但三角形截面的立體桁架桿長計算繁瑣，桿件的空間角度非整數(shù)，節(jié)點構造復雜，焊縫要求高，制作復雜。,2、無斜腹桿屋架 無斜腹桿屋架的特點是沒有斜腹桿，結構造型簡單，便于制作。這種屋架的綜合技術經濟指標較好。但對于無斜腹桿屋架，沒有斜腹桿，僅有豎腹桿。這時若再把桁架節(jié)點簡化為鉸節(jié)點，則整個結構就成為一個幾何可變的機構，所以必須采用剛節(jié)點的桁架，可按多次超靜定結構計算，也可按拱結構計算，按拱結構計算時，上弦為拱，下弦為拱的拉桿。,7.4 屋架結構的選型 7.4.1屋架結構的幾何尺寸,屋架結構的幾何尺寸主要包括屋架的跨度、高度、坡度、節(jié)間長度。1、跨度 柱網縱向軸線的間距就是屋架的標志跨度，以3m為模數(shù)。屋架的計算跨度是屋架兩端支反力之間的距離。 通常情況取支座所在柱列軸線間的距離作為名義跨度。在屋架簡支于鋼筋混凝土柱的房屋中，規(guī)定各柱列軸線一般?。簩吜兄≈耐膺吘€，對中列柱取柱的中線。 因此，當屋架簡支于鋼筋混凝土柱或磚柱上且柱網采用封閉結合時，考慮屋架支座處的構造尺寸，屋架的計算跨度一般可取 -(300400mm)； 當屋架支承在鋼筋混凝土柱上而柱網采用非封閉結合時，計算跨度取標志跨度 。,2、高度 屋架的高度直接影響結構的剛度與經濟指標。高度大、弦桿受力小，但腹桿長，長細比大、壓桿易壓曲，用料反而會增多。高度小，則弦桿受力大、截面大，且屋架剛度小、變形大。因此，屋架的高度不宜過大也不宜過小。 屋架的高度一般可取跨度的l1015。 設計屋架時，首先根據(jù)屋架形式和設計經驗先確定屋架的端部高度h0，再按照屋面坡度計算跨中高度?？缰形菁芨叨葹閔=h0+i/h0,式中I是屋架上弦桿的坡度。 屋架上弦坡度的確定應與屋面防水構造相適應。當采用瓦類屋面時，屋架上弦坡度應大些，一般不小于13，以利于排水。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l8112。,3、節(jié)間長度 屋架節(jié)間長度的大小與屋架的結構型式、材料及荷載情況有關。 一般上弦受壓，節(jié)間長度應小些，下弦受拉，節(jié)問長度可大些。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)。如當屋架上鋪預制鋼筋混凝土大型屋面板時，因屋面板寬度為1.5m，故屋架上弦節(jié)間長度常取1.5m。當屋蓋采用有檁體系時，則屋架上弦節(jié)問長度應與檁條間距一致。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。但節(jié)間桿長也；不宜過大，一般為1.54m。,7.4.2 屋架結構的選型,屋架結構的選型應考慮房屋的用途、建筑造型、屋面防水構造、屋架的跨度、結構材料的供應、施工技術條件等因素，并進行全面的技術經濟分析，做到受力合理、技術先進、經濟適用。,1、屋架結構的受力 從結構受力來看，拋物線形狀的拱式結構受力最為合理。但拱式結構上弦為曲線，施工復雜。折線形屋架，與拋物線形狀的彎矩圖最為接近，故力學性能較好。梯形屋架，既具有較好的力學性能，上下弦又均為直線，因此施工方便，故在大中跨建筑中被廣泛應用。三角形屋架與矩形屋架因與拋物線形狀的彎矩圖相差較大，其力學性能較差。因此，三角形屋架一般僅適用于中小跨度，矩形屋架常用做托架或荷載較特殊情況下使用。,2、屋面防水構造 屋面防水構造決定了屋面排水坡度，進而決定屋蓋的建筑造型。一般來說，當屋面防水材料采用粘土瓦、機制平瓦或水泥瓦時，屋架上弦坡度應大些，以利于排水，所以一般應選用三角形屋架、陡坡梯形屋架。當屋面防水采用大型屋面板并做卷材有組織排水的屋面時，應選用拱形屋架、折線形屋架和緩坡梯形屋架。,3、材料的耐久性及使用環(huán)境 木材及鋼材均易腐蝕，維修費用較高。因此，對于相對濕度較大而又通風不良的建筑，或有侵蝕性介質的工業(yè)廠房，不宜選用木屋架和鋼屋架，宜選用預應力混凝土屋架，可提高屋架下弦的抗裂性，防止鋼筋腐蝕。,4、屋架結構的跨度 跨度在18m以下時，可選用鋼筋混凝土一鋼組合屋架。這種屋架構造簡單，施工吊裝方便，技術經濟指標較好?？缍仍?6m以下時，宜選用預應力鋼筋混凝土屋架，既可節(jié)省鋼材，又可有效地控制裂縫寬度和撓度。對于跨度在36m以上的大跨度建筑或受到較大振動荷載作用的屋架，宜選用鋼屋架，以減輕結構自重，提高結構的耐久性與可靠性。,7.4.3 屋架結構的布置,屋架結構的布置，包括屋架結構的跨度、間距、標高等，主要考慮建筑外觀造型及建筑使用功能方面的要求來決定。對于矩形的建筑平面，一般采用等跨度、等間距、等標高布置同一類型的屋架，以簡化結構構造，方便結構施工。,1、屋架的跨度 屋架的跨度，一般以3m為模數(shù)。對于常用屋架型式的常用跨度，我國都制訂了相應的標準圖集可供查用，從而可加快設計及施工的進度。對于矩形平面的建筑，一般可選用同一種類型的屋架，僅端部或變形縫兩側屋桑中的預埋件稍有不同。對于非矩形平面的建筑，各榀屋架或桁架的跨度就不可能一樣，這時應盡量減少其類型以方便施工。,2、屋架的間距 屋架的間距由經濟條件確定，也即屋架間距的大小除考慮建筑平面柱網布置的要求外，還要考慮屋面結構及吊頂構造的經濟合理性，應使屋架和檁條、屋面板的總造價最低。當屋架上直接鋪放屋面板時則還需與屋面板的長度規(guī)格相配合。 通常間距為46m，常用0.3m的模數(shù)。最常用的間距是6m，小跨度輕屋面屋架中可減小到3m，大跨度屋架中則可增加到912m。屋架一般宜等間距平行排列，與房屋縱向柱列的間距一致，屋架直接擱置在柱頂。屋架的間距同時即為屋面板或檁條、吊頂龍骨的跨度，最常見的為6m，有時也有7.5m、9m、12m等。,3、屋架的支座 屋架支座的標高由建筑外形的要求確定，一般為在同層中屋架的支座取同一標高。當一榀屋架兩端支座的標高不一致時，要注意可能會對支座產生水平推力。屋架的支座形式，在力學上可簡化為鉸接支座。實際工程中，當跨度較小時，一般把屋架直接擱置在墻體、墻垛、柱或圈梁上。當跨度較大時，則應采取專門的構造措施，以滿足屋架端部發(fā)生轉動的要求。,7.4.4 屋架結構的支撐,當采用平面桁架作為屋蓋、吊車梁、橋梁、起重機橋架等結構的主要承重構件時，桁架在其自身平面內為幾何形狀不可變體系并具有較大的剮度，能承受桁架平面內的各種荷載。 但是，平面桁架本身在垂直于桁架平面的側向(稱為桁架平面外)剛度和穩(wěn)定性則很差，不能承受水平荷載。因此，為使桁架結構具有足夠的空間剛度和穩(wěn)定性，必須在桁架間設置支撐系統(tǒng)。,桁架支撐通?？煞譃樗街?上弦和下弦平面、橫向和縱向)、垂直支撐(桁架兩端和中間)和系桿等幾種類型。,桁架支撐的作用主要是： 1、保證桁架結構的空間幾何穩(wěn)定性，即幾何形狀不變。 2、保證桁架結構的空間剛度和空間整體性。 3、為桁架弦桿提供必要的側向支承點。 4、承受并傳遞水平荷載。 5、便于結構安裝施工，保證結構安裝時的穩(wěn)定。,7.5 屋架結構的工程實例,