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1、1,桁架結(jié)構體系,一、概述 桁架結(jié)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(jié)構。,2,桁架一般由上弦桿、腹桿(豎桿和斜腹桿)組成。 桁架結(jié)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(jié)構,稱為屋架。目前在工業(yè)廠房結(jié)構中常見的屋架就是典型的桁架。 如今,桁架結(jié)構已經(jīng)有多種多樣的形式,不局限于屋架,在一些大跨度結(jié)構、高層建筑、橋梁中都有非常廣泛的應用。,3,,桁架結(jié)構的應用,排架結(jié)構一般指由屋架和柱組成的結(jié)構體系,常用于單層工業(yè)廠房,比起剛架結(jié)構,更適合于有大跨度要求的工業(yè)建筑。,,4,5,,桁架橋,桁架
2、橋指的是以桁架作為上部結(jié)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(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。,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(lián)絡橋,8,9,屋架的主要缺點是結(jié)構高度大。結(jié)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(cè)向剛度小,對于鋼屋架特別明顯,受
3、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,都按構造(長細比)要求確定截面,故耗鋼量不少但未能材盡其用。,10,,,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(nèi),并集中作用于節(jié)點上。,桁架結(jié)構的內(nèi)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(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
4、軸力較小或為零,下弦內(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。,12,2、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。,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(nèi)各節(jié)間軸力基本相等。 (斜)腹桿內(nèi)力全部為零。,14,二、屋架結(jié)構的型式,按材料分:木屋架、鋼-木組合屋架、鋼屋架、輕型
5、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。 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1218m。,17,18,(三)
6、鋼屋架,三角形屋架: 用于屋面坡度較大的屋蓋結(jié)構中。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。 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。,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(jù)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
7、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(jié)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
8、在拋物線上。 屋架外形合理,桿件內(nèi)力均勻,自重輕,經(jīng)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(jié)構的選型與布置,(一)屋架結(jié)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
9、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(shù)目,節(jié)間長度可取大些,一般為1.54m。,25,(二)屋架結(jié)構的選型 1、屋架結(jié)構的受力 拋物線狀的拱式結(jié)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,用作托架或荷載較特殊情況下使用。,26,(二)屋架結(jié)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
10、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(jié)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(jīng)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(jié)構自重輕,提高結(jié)構的耐久性和可靠性。,28,(三)屋架結(jié)構的布置 1、屋架的跨度 一般以3m為模數(shù)。 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、
11、7.5m、9m、12m等。,29,(三)屋架結(jié)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21644m2,占地面積11530 m2,總建筑面積62800 m2,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。 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(jié)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(jié)構復雜,內(nèi)力較大,采用剛接桁架結(jié)構較為合理,以保證屋蓋結(jié)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(nèi)部縱向交通的要求,又使桿件總數(shù)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。,