第三章桁架结构

建筑结构选型建筑结构选型第三章桁架结构第一节概述第二节桁架结构的特点第二节屋架结构的形式和适用范围第三节桁架的构造建筑结构选型第一节概述梁是典型的实服杆件，通过一侧受拉一侧受压来承受弯矩，通过截面的相互错动来传递剪力。桁架与梁相比，则有了很大变化。首先桁架由杆件组成，属于空腹杆件，减轻了自重。其次桁架所有杆件只承受拉力和压力，不再出现弯矩和剪力。梁、拱和桁架的内力传递状态，如图所示。a）梁的内力传递b）拱的内力传递c）桁架的内力传递建筑结构选型桁架结构的特点是受力合理，计算简单，施工方便，适应性强，对支座没有横向力。因此在结构工程中，桁架常用来作为屋盖承重结构，常称为屋架。屋架的主要缺点是结构高度大，侧向刚度小。由于结构高度大，不但增加了屋面及维护墙的用料，而且增加了采暖、通风、采光等设备的负荷；对音质控制也带来困难。桁架侧向刚度小，对于钢桁架特别明显，因为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。一般房屋纵向的侧向力并不大，但钢屋架的支撑很多，都按构造（长细比）要求确定截面，故耗钢量不少，但未能材尽其用。建筑结构选型图为桁架结构节点荷载下弦杆竖腹杆斜腹杆上弦杆第一节桁架结构的特点一、桁架结构的组成桁架结构主要由上弦杆、下弦杆和腹杆三部分组成，如图所示。简支梁在竖向均布荷载作用下，沿梁轴线的弯矩和剪力的分布及截面内的正应力和剪应力的分布都不均匀。建筑结构选型在弯矩作用下，截面正应力分别为受压区呈三角形分布，在中性轴处应力为零，在上、下边缘处分别是拉应力和压应力为最大，因此，若以上、下边缘处材料的强度作为控制值，则中间部分的材料不能充分发挥作用。同时，在剪力作用下，剪应力在中性轴处为最大，在上、下边缘处剪应力为零，分布在上、下边缘处的材料不能发挥其抗剪作用，尽管通过改变梁的截面形式（例如，把梁截面由矩形改变为工字形）、改变梁的截面尺寸（例如，在梁的跨中和支座附近变高度、变梁宽）等，可改善梁的受力性能，但这些都只是量的改变，而难以达到质的飞跃。建筑结构选型如图所示的桁架结构则具有与简支梁不同的受力性能，尽管从整体结构来说，外荷载所产生的弯矩图与剪力图与作用在简支梁上完全一致，但桁架结构内部则是桁架的上弦受压、下弦受拉，因此，形成了力偶来平衡外荷载所产生的弯矩。外荷载所产生的剪力则是由斜腹杆轴力中的竖向分量来平衡。因此，在桁架结构中，各杆件单元（上弦杆、下弦杆、斜腹杆、竖腹杆）均为轴向受拉或轴向受压构件，使材料的强度可以得到充分的发挥。建筑结构选型二、桁架结构计算的基本假定实际桁架结构的构造和受力情况一般是比较复杂的，为了简化计算，通常采用以下几个基本假定：1．组成桁架的所有杆件都是直杆，所有杆件的中心线（轴线）都在同一平面内，这一平面称为桁架的中心平面；2．桁架的杆件与杆件相连接的节点均为铰接点；3．所有外力（包括荷载及支座反力）都作用在桁架的中心平面内，并集中作用于节点上。建筑结构选型上述假定2是桁架结构简化计算模型的关键，在实际房屋建筑工程中，真正采用铰接节点的桁架是极小的。例如，木材常常采用榫接，与铰接的力学要求较为接近；钢材常用铆接或焊接，节点可以传递一定的弯矩；钢筋混凝土的节点构造则往往采用刚性连接，如图所示。因此，严格地说，钢桁架和钢筋混凝土桁架都应该按钢架结构计算，各杆件除承受轴力外，还承受弯矩的作用。但进一步的理论分析和工程实践经验表明，上述杆件内的弯矩所产生的盈利很小，只要在节点构造上采取适当的措施，其应力对结构或构件都会造成危害，故一般计算中均将桁架结构节点按铰接处理。建筑结构选型c)b)a)图为桁架结构的节点a）木桁架节点；b）钢桁架节点；c）钢筋混凝土桁架节点建筑结构选型将节点间化成铰接点后，为保证各杆仅承受轴力，还必须满足假定3的要求，即桁架结构仅受到节点荷载的作用。对于桁架上直接搁置的屋面板的结构，当屋面板的宽度和桁架上弦的节间长度不等时，上弦将受到节间荷载的作用并产生弯矩；或对下弦承受吊顶荷载的结构，当吊顶梁间距与下弦节间长度不等时，也会在下弦产生节间荷载及弯矩。这将使上、下弦杆件由轴向受压或轴向受拉变为压弯或拉弯构件（图a），是极为不利的。对于木桁架或钢筋混凝土桁架，因其上、下弦杆截面尺寸较大，节间荷载所产生的弯矩对构件受力的影响可通过适当增大截面或采取一些构造措施予以解决。建筑结构选型而对于钢桁架，因其上、下弦杆截面尺寸很小，节间荷载所产生的弯矩对构件受力有较大影响，将会引起材料用量的大幅度上涨。这时候，桁架节间的划分应考虑屋面板、檩条、吊顶梁的布置要求，使荷载尽量作用在节点上。当节间长度较大时，在钢结构中，常采用再分式屋架，如图b所示。使屋面荷载直接作用在上弦节点上，避免了上弦受弯。b)a)建筑结构选型312V图图三、桁架结构的内力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。若同一类杆件截面的大小一致，则杆件的截面尺寸应由同一类构件中内力最大者所决定，其余杆件的材料强度仍不能得到充分的发挥。下面我们以工程中最常见的平行桁架、三角形桁架、梯形桁架、折线形桁架为例，来分析桁架结构的内力分布特点。建筑结构选型第二节屋架结构的形式和适用范围桁架结构的形式很多，按所用材料的不同，可分为木屋架、钢-木组合屋架、混凝土屋架等。按屋架外形的不同，可分为三角形屋架、梯形屋架、抛物线屋架、折线型屋架、平行弦屋架等。根据结构受力的特点和材料性能的不同，也可分为桥式屋架、无斜腹杆屋架或刚接屋架、立体屋架等。建筑结构选型a)b)图为豪式木屋架a）三角形豪木屋架；b）梯形豪式屋架一、木屋架常用的木屋架是方木或原木齿连接的豪式木屋架，一般分为三角形（图a）和梯形（图b）两种，大多在工地上用手工制作。豪式木屋架的节间长度控制在2～3m的范围内为宜，一般为4～8节间，适用跨度为12～18m。当屋架跨度不大时，上弦杆可用整根木料，当屋架跨度较大，上弦杆需做接头时，四接头位置应尽量靠近节点，避免承受较大的弯矩。木屋架的高跨比宜在1/5～1/4之间。建筑结构选型三角形屋架的内力分布不均匀，内力分布为支座处大而跨中小。一般适用于跨度在18m以内的建筑中，三角形屋架的坡度大，因此，适用于屋面材料为粘土瓦、水泥瓦及小青瓦等要求排水坡度较大的情况。梯形屋架受力性能比三角形屋架合理，当房屋跨度较大时，选用梯形屋架较为适宜。当采用波形石棉瓦、铁皮或卷材作屋面防水材料时，屋面坡度需取i=1/5。梯形物件适用跨度为12～18m。建筑结构选型e)d)c)c)b)a)二、钢-木组合屋架钢—木组合屋架的形式有豪式屋架、芬克式屋架、梯形屋架和下沉式屋架（如图）。由于不易取得符合下弦杆材质标准的上等木材，特别是原木和方木干燥较慢，干裂缝对采用齿连接和螺栓连接的下弦干十分不利，而采用钢拉杆作为屋架的下弦，每平方米建筑面积的用钢量仅增加2～4㎏，却显著地提高了结构的可靠性。同时，由于钢材的弹性模量高于木材，且消除了接头的非弹性变形，从而提高了屋架结构的刚度。钢-木组合屋架的适用跨度视屋架结构的外形而定，对于三角形屋架，其跨度一般为12～18m，对于梯形、折线形等多边形屋架，其跨度可为18～24m。建筑结构选型三、钢屋架三、钢屋架钢屋架的形式主要有三角形屋架、梯形屋架、矩形（平行弦）屋架等，为改善上弦杆的受力情况，常采用再分式腹杆的形式，如图3-9b所示。三角形屋架一般用于屋面坡度较大的屋盖结构中，当屋面材料为粘土瓦、机制平瓦时，要求屋架的高跨比为1/4～1/6。三角形屋架上、下弦杆内力变化较大，弦杆内力在支座处最大，跨度小，材料强度不能充分发挥作用。一般宜用于中小跨度的轻屋盖结构，当荷载和跨度较大时，采用三角形屋架就不经济，三角网屋架的常用形式是芬克式屋架，它的腹杆受力合理，长杆受力，且可分为两榀小屋架制作，运至现场进行安装，施工方便，必要时可将下弦杆中段抬高，使房屋净空增加。建筑结构选型c)b)a)梯形屋架一般用于屋面坡度较小的屋盖中，其受力性能比三角形屋架优越，是用于较大跨度或荷载的工业厂房。当然上弦杆坡度为1/8～1/12时，梯形屋架的高度可取（1/6～1/10）L，当跨度大或屋面荷载较小时，取小值；跨度小或屋面荷载大时，取大值。建筑结构选型梯形屋架一般都用于无檩体系屋盖，屋面材料大多用大型屋面板。这时上弦杆节间长度应与大型屋面板尺寸相配合，使大型屋面板的主肋正好搁置在屋架上弦杆的节点上，在上弦杆中不产生局部弯矩，当节间过长时，可采用再分式腹杆的形式。当采用有檩体系屋盖时，则上弦杆节间长度可根据檩条的间距而定，一般为0.8～3.0m。b)c)a)建筑结构选型矩形屋架也称为平行弦屋架。因其上下弦杆平行，腹杆长度一致，杆件类型少，易于满足标准化、工业化生产的要求。矩形屋架在均布荷载作用下，杆件内力分布极不均匀，故材料强度得不到充分利用，不宜用于大跨度建筑中，一般常用于托架或支撑系统。当跨度较大时，为节约材料，也可采用不同的杆件截面尺寸。c)b)a)建筑结构选型四、轻型钢屋架轻型钢屋架按结构形式主要有三角形屋架、三角拱屋架和梭形屋架等三种，其中，最常用的是三角形屋架，屋架的上弦一般用小角钢，下弦和腹杆可用小角钢或圆钢。屋面有斜坡屋面和平坡屋面两种。三角形屋架和三角拱屋架适用于斜坡屋面，屋面坡度通常取1/2～1/3。棱形屋架的屋面坡度平坦，通常取1/12～1/8。轻型钢屋架适用于跨度小于等于18m，柱距4～6m，设置有起重量小于等于50kN的中、轻级工作制桥式吊车的工业建筑和跨度小于等于18m的民用房屋的屋盖结构。也有一些实际工程的跨度已超过了上述范围。建筑结构选型三角形轻型屋架常用的有芬克式和豪式两种。构件布置和受力特点与普通钢屋架相似。三角拱轻钢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，如图所示，拉杆可用于圆钢或角钢。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。三角拱屋架由于拱拉杆比较细柔，不能承压，并且无法设置垂直支撑和下弦水平支撑，整个屋盖结构的刚度较差，故不宜用于有震动荷载及屋架跨度超过18m的工业厂房。为满足整体稳定性要求，斜梁的高跨比宜取1/12～1/18。斜梁截面的宽度与高度之比宜取1/1.5～1/2。b)a)建筑结构选型1242ll1242ll1242ll棱形屋架有平面桁架式和空间桁架式两种。一般是上弦为角钢、其余则采用圆钢构成空间桁架结构，如图所示，具有取材方便、截面中心低、空间刚度好、一般可不设支撑等优点。图中nd为屋架跨度，d为一般节间距离。棱形屋架适用于跨度为9～15m，间距为3～4.2m的屋盖体系。棱形屋架的截面形式分正三角形和倒三角形两种。如图c所示。图中正三角形截面有A型和B型两种，倒三角形截面即C型。屋架高度H=A+B，其中A由屋面坡度确定；B愈大，则弦杆内里愈小。但腹杆长度增加。有的分析结果认为A=B较为合理。屋架的高跨比为1/9～1/12。型型型c)b)a)建筑结构选型五、混凝土屋架混凝土屋架常见的形式有梯形屋架、折线形屋架、拱形屋架、无斜腹杆屋架等。根据对屋架的下弦是否施加预应力，可分为钢筋混凝土屋架和预应力钢筋混凝土屋架两种，其跨度为18～36m或更大。混凝土屋架的常用形式如图所示。梯形屋架（图a）上弦为直线，屋面坡度为1/10～1/12，适用于卷材防水屋面。一般上弦节间为3m，下弦节间为6m，矢高与跨度之比1/6～1/8，屋架端部高度为1.8～2.2m。梯形屋架自重较大，刚度好。适用于重型、高温作业及采用井式或横向天窗的厂房。建筑结构选型1/51/5e)d)c)a)b)建筑结构选型折线形屋架，图b所示，外形较合理，结构自重较轻，屋面坡度为1/3～1/4，适用于非卷材防水屋面的中型厂房或大中型厂房。折线形屋架，图c所示，屋面坡度平缓，适用于卷材防水屋面的中型厂房。为改善屋架端部的屋面坡度，减少油毡下滑和油膏流淌，一般可在端部增加两个杆件，以使整个屋面的坡度较为均匀。拱形屋架，图d上弦为曲线形，一般采用抛物线形，为制作方便，也可采用折线形，但应使折线的节点落在抛物线上。拱