1、1,广州新白云机场,2,Chap 3 桁架结构,本章主要内容：1、桁架结构的受力特点2、桁架结构的形式3、桁架结构的适用范围4、屋架结构的选型与布置5、屋架结构的实例,3,4,1. 桁架结构的组成,桁架结构是指由若干直杆在其两端用铰联接而成的结构。,3.1 桁架结构的受力特点,5,2. 桁架结构的特点,（1）扩大了梁式结构的适用跨度；（2）桁架可用各种材料制造，如钢筋混凝土、 钢、木均可；（3）桁架是由杆件组成的，桁架体型可以多样 化，如平行弦桁架、三角形桁架、梯形 桁架、弧形桁架等型式；（4）施工方便，桁架可以整体制造后吊装，也 可以在施工现场高空进行杆件拼装。,6,3.桁架结构计算的假定,
2、(1)组成桁架的所有各杆都是直杆，所有各杆 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 节点；(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。,7,8,4. 桁架结构的内力（1）弦杆的内力上弦杆受压，下弦杆受拉，其轴力由力矩平衡方程式得出（矩心取在屋架节点） (负值表示上弦杆受压，正值表 示下弦杆受拉)式中： -简支梁相应于屋架各节点 处的截面弯矩； -屋架高度。,9,结论：上下弦杆的轴力与 成正比，与 成反比。由于屋架的高度值不变，而越接近屋架两端越小，所以中间弦杆的轴力大，越向两端弦杆的轴力
3、越小。,10,back,11,（2）腹杆的内力 屋架内部的杆件称为腹杆，包括竖腹杆与斜 腹杆。 -斜腹杆的竖向分力和竖腹杆的轴力 -简支梁相应于屋架节间的剪力,back,12,结论：从整体来看，屋架相当于一个格构化的受弯构件，弦杆承受弯矩，腹杆承受剪力；从局部来看，屋架的每个杆件只承受轴力（拉力或压力）。,back,13,桁架杆件内力与桁架形式的关系如下： 平行弦桁架的杆件内力是不均匀的，弦杆内力是两端小而向中间逐渐增大，腹杆内力由中间向两端增大； 三角形桁架的杆件内力分布也是不均匀的，弦杆的内力是由中间向两端逐渐增大，腹杆内力由两端向中间逐渐增大； 折线形桁架的杆件内力分布大致均匀，从力学角
4、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的简支梁的弯矩图形相似，其形状符合内力变化的规律，比较经济。,back,14,3.2 桁架结构的型式,1、木屋架用原木或方木齿连接的豪式木屋架 (1)节间长度23m，一般48节间，适用跨度1218m。高跨比宜在1/51/4间。(2)三角形屋架的杆件内力分布不均匀。支座处大、跨中小。适用的屋面材料：黏土瓦、水泥瓦及小青瓦等排水坡度较大的情况。(3)梯形受力性能较为合理。但屋面坡度较小。,back,15,2、钢-木组合屋架采用钢拉杆作屋架下弦。 豪式屋架 芬克式屋架 梯形屋架 下折式屋架,back,掌握受力特点及适用跨度,16,3、钢屋架三角形
5、屋架、梯形屋架、平行弦屋架有时为改善上弦杆的受力情况，可采用再分式腹杆的形式。,back,17,三角形钢屋架适用于坡度较大的屋盖结构中，因弦杆内力变化大，材料强度不能充分发挥，一般适用于中小跨度的轻屋盖中。因腹杆受力合理，施工方便，芬克式屋架使用广泛。,梯形钢屋架适用于坡度较小的屋盖结构中，受力性能较三角形的好。一般用于无檩体系中。注意屋面板尺寸或檩条间距与上弦节间长度的配合。,18,平行弦（矩形）钢屋架适用于跨度较小的结构中。优点：腹杆长度一致，杆件类型少，易于工业化生产。缺点：杆件内力分布极不均匀，故适用于跨度较小的结构中。一般常用于托架或支撑系统。,19,厂房托架梁,back,4、轻型钢
6、屋架当屋盖采用轻屋面时，屋架的杆力不大，屋架上弦可以采用小角钢（454及56364以下）、下弦和腹杆可以采用圆钢、薄壁型钢或钢管组成，称为轻型钢屋架。屋面可为斜坡屋面和平屋面。 适用跨度：18m；柱矩：46m仅有T50KN的中、轻级工作制桥式吊车厂房或民用房屋。可分为：三角形屋架、三角拱屋架和梭形屋架。 芬克式轻钢屋架的形式,21,三角形轻钢屋架常用形式：芬克式、豪式。上弦有平面桁架和空间桁架两种。芬克式和三铰拱式屋架适用于屋面坡度较大的屋盖中。三铰拱式屋架由于拱拉杆较细，无法设置垂直支撑和下弦水平支撑，故整个屋盖刚度较差，不能用于有振动荷载及跨度超过18m的工业建筑。,三铰拱式屋架的形式,1
7、,1,11,22,23,梭形屋架的结构型式，分平面桁架式和空间桁架式两种。一般上弦为角钢，其余用圆钢。优点：取材方便，截面重心低、空间刚度好，一般可不设支撑。适用跨度：918m 高跨比：1/91/12 梭形屋架的型式,24,5、钢筋混凝土屋架 为了结点构造简单，要求每个结点上相交的杆件数目不多于5根，而且腹杆与弦杆的交角不小于30。混凝土屋架的常见形式有梯形屋架、折线形屋架、拱形屋架、无斜腹杆屋架等。根据是否对屋架下弦施加预应力，可分为钢筋混凝土屋架和预应力混凝土屋架。钢筋混凝土屋架的适用跨度为1524m，预应力混凝土屋架的适用跨度为1836m或更大。,back,25,梯形屋架自重较大，刚度好
8、，适用于重型、高温作业及采用井式或横向天窗的厂房。,折线形屋架受力合理，自重轻，适用于非卷材防水屋面的中性或大中型厂房。,拱形屋架内力分布均匀，自重轻，适用于卷材防水屋面。,折线形屋架坡度平缓，适用于卷材防水屋面的中性厂房。,26,无斜腹杆屋架上弦为抛物线，结构构造简单，便于制作。屋面板可支承在下弦，适用于采用井式或横向天窗的厂房，可省去天窗架等构件，降低了结构高度，较为经济。注意：节点不再是铰接，而应为刚接。,6、钢筋混凝土-钢组合屋架 为了合理地发挥材料的作用，屋架的上弦和受压腹杆可采用钢筋混凝土杆件，下弦及受拉腹杆可采用钢拉杆，这种屋架称为钢筋混凝土组合屋架。组合屋架的自重轻，节省材料，
9、比较经济。组合屋架的常用跨度为918m。常用的组合屋架有折线形组合屋架、下撑式五角形组合屋架以及三铰组合屋架、两铰组合屋架等。 折线形组合屋架,back,28,下撑式五角形组合屋架 三铰组合屋架 两铰组合屋架,back,29,7、板状屋架板状屋架是将屋面板与屋架合二为一的结构体系。屋架的上弦采用钢筋混凝土屋面板，下弦和腹杆可采用钢筋，也可采用型钢制作。屋面板可选用普通混凝土，也可选用加气或陶粒等轻质混凝土制作。屋面板与屋架共同工作，屋盖结构传力简捷、整体性好，减少了屋盖构件，节省钢材和水泥，结构自重轻，经济指标较好。,back,30,无天窗 有天窗,back,31,3.3 屋架结构的选型与布置
10、,1、屋架结构的几何尺寸屋架结构的几何尺寸主要包括屋架的跨度、高度、坡度、节间长度。（1）跨度柱网纵向轴线的间距就是屋架的标志跨度，以3m为模数。屋架的计算跨度是屋架两端支反力（屋架支座中心间）之间的距离；但通常情况取支座所在处房屋或柱列轴线间的距离作为名义跨度，而屋架端部支座中心线缩进轴线150mm。,back,32,（2）高度屋架的高度直接影响结构的刚度与经济指标。高度大、弦杆受力小，但腹杆长，长细比大、压杆易压曲，用料反而会增多。高度小，则弦杆受力大、截面大，且屋架刚度小、变形大。因此，屋架的高度不宜过大也不宜过小。屋架跨中的最大高度由经济、刚度、建筑要求和运输界限限制等因素来决定。根据
11、屋架的容许挠度可确定最小高度，最大高度则取决于运输界限，例如铁路运输界限为3.85m；屋架的经济高度是根据上下弦杆和腹杆的总重量为最小的条件确定；有时，建筑设计也可能对屋架的最大高度加以某种限制。屋架的高度一般可取跨度的1/101/5。,back,33,（3）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（4）节间长度 屋架节间长度的大小与屋架的结构型式，材料及荷载情况有关。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。如当屋架上铺预制钢筋混凝土大型屋面板时，因屋面板宽度为1.5
12、m。当屋盖采用有檩体系时，则屋架上弦节间长度应与檩条间距一致。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1.54m。,back,34,2、屋架结构的选型屋架结构的选型应考虑房屋的用途、建筑造型、屋面防水构造、屋架的跨度、结构材料的供应、施工技术条件等因素，并进行全面的技术经济分析，做到受力合理、技术先进、经济适用。（1）屋架结构的受力 从结构受力来看，抛物线形状的拱式结构受力最为合理。 （2）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。 （3）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。,back,35,（4）
13、屋架结构的跨度跨度在18m以下时，可选用钢筋混凝土-钢组合屋架。跨度在36m以下时，宜选用预应力钢筋混凝土屋架 。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。,36,3、屋架结构的布置（1）屋架的跨度 屋架的跨度，一般以3m为模数。（2）屋架的间距屋架的间距由经济条件确定 。（3）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。,37,4、屋架结构的支撑 桁架支撑通常可分为水平支撑（上弦和下弦平面、横向和纵向）、垂直支撑（桁架两端和中间）和系杆等几种类型。桁架支撑的作用主要是：(1)保证桁架结构的空间几何稳定性，即几何形状不
14、变。平面桁架能保证桁架平面的几何稳定性，支撑系统可以保证桁架平面外的几何稳定性。(2)保证桁架结构的空间刚度和空间整体性。(3)为桁架弦杆提供必要的侧向支承点。(4)承受并传递水平荷载。(5)保证结构安装时的稳定和方便。,back,38,(a) 无支撑情况 (b) 有支撑情况1、屋架 2、天窗架 3、上弦横向水平支撑 4、垂直支撑 5、天窗架上弦横向水平支撑 6、天窗架垂直支撑 7、系杆（f应采用刚性系杆） 8、檩条或屋面板 屋盖支撑作用示意图,back,39,补充1 屋架结构的建筑实例,40,back,41,补充2 桁架结构的其他型式,1、立体桁架立体桁架的截面形式有矩形、正三角形、倒三角形
15、。它是由两榀平面桁架相隔一定的距离以连接杆件将两榀平面桁架成90或45夹角，构造与施工简单易行，但耗钢较多。 矩形立体桁架,back,42,倒三角形立体桁架 正三角形立体桁架,back,43,back,back,45,2、无斜腹杆屋架 一般情况下，桁架结构杆件与杆件的连接节点均简化为铰节点，一方面可简化计算，另一方面也比较符合结构的实际受力情况。但对于无斜腹杆屋架，没有斜腹杆，仅有竖腹杆。这时若再把桁架节点简化为铰节点，则整个结构就成为一个几何可变的机构，所以必须采用刚节点的桁架，可按多次超静定结构计算，也可按拱结构计算，按拱结构计算时，上弦为拱，下弦为拱的拉杆。上弦一般为抛物线形，在竖向均布荷载作用下，上弦拱主要承受轴力，能充分发挥材料的抗压性能，因而截面较小，结构比较经济。竖腹杆承受拉力，将作用在下弦上的竖向荷载传给上弦，避免或减少了下弦受弯。所以，这种屋架适合于下弦有较多吊重的建筑。由于没有斜杆，故屋架之间管道和人穿行以及进行检修工作均很方便。这种屋架的常用跨度为15m、18m、24m、30m。高跨比和拱形屋架相近。,back,
