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1、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
2、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
3、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。 101、 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。
4、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
5、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1 8 m以內(取1 2 m)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1 2 1 8 m。 17 (二)鋼-木組合屋架形式:(1)豪式(2)芬克式
6、(3)梯形(4)下折式。由于不易取得符合下弦材質標準的上等木材,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24kg,但顯著提高了結構 的可靠性和屋架剛度。 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
7、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
8、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
9、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)點數目,節(jié)間長度可取大些,一般為1 .5 4 m。 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
10、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
11、布置1、屋架的跨度 一般以3m為模數。 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2 1 6 4 4 m2,占地面積1 1 5 3 0 m2,總建筑面積6 2 8 0 0 m2,地下兩層,地上6層,高度為4 0 m。方案中最引人注目的是呈反拱的月牙形屋蓋,縱向長1 0 0 .4 m,橫向寬9 4 m,縱向懸挑2 6 m,橫向懸挑3 0 .9 m,反拱圓弧半徑R=9 3 m,拱高1 1 .5 m。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。