第2章_桁架结构

1、建筑结构选型吉林建筑大学吉林建筑大学2第二章 桁架结构第一节 桁架结构的受力特点第二节 屋架结构的型式第三节 屋架结构的选型与布置教学要求教学要求了解桁架结构的受力特点及其型式，了解桁架结构的受力特点及其型式，掌握屋架结构选型与布置掌握屋架结构选型与布置第四节 立体桁架和张弦结构第五节 屋架结构的其他型式3 第二章 桁架结构 桁架桁架（truss）: : 由直杆组成的一般具有由直杆组成的一般具有三角形三角形单元的平面或空间结构。在房屋建筑中单元的平面或空间结构。在房屋建筑中, ,桁架常用桁架常用来作为屋盖承重结构来作为屋盖承重结构, ,又称为又称为屋架屋架。4 2.1 桁架结构的受力特点 桁架

2、桁架（truss）: : 由直杆组成的一般具有三角形由直杆组成的一般具有三角形单元的平面或空间结构。在房屋建筑中单元的平面或空间结构。在房屋建筑中, ,桁架常用桁架常用来作为屋盖承重结构来作为屋盖承重结构, ,又称为屋架。又称为屋架。桁架结构的组成桁架结构的组成桁架结构的受力特点：拉、压杆件桁架结构的受力特点：拉、压杆件5 2.1 桁架结构的受力特点 1 1、组成桁架的所有各杆都是直杆，所有各杆、组成桁架的所有各杆都是直杆，所有各杆的中心线的中心线 ( (轴线轴线) )都在同一平面内。（桁架的中都在同一平面内。（桁架的中心平面）心平面）桁架结构计算的假定桁架结构计算的假定62.1 桁架结构的受

3、力特点桁架结构计算的假定桁架结构计算的假定2 2、桁架的杆件与杆件相连接的节点均为铰接节点。、桁架的杆件与杆件相连接的节点均为铰接节点。72.1 桁架结构的受力特点鲁班锁82.1 桁架结构的受力特点桁架结构计算的假定桁架结构计算的假定 3 3、所有外力、所有外力 ( (包括荷载及支座反力包括荷载及支座反力) )都作用都作用在桁架的中心平面内在桁架的中心平面内, ,并集中作用于节点上。并集中作用于节点上。92.1 桁架结构的受力特点桁架结构的内力桁架结构的内力 矩形桁架矩形桁架为等高为等高度度, ,沿跨度方向各沿跨度方向各腹杆腹杆的轴力变化与的轴力变化与剪力图一致剪力图一致, ,跨中跨中小而支座

4、处大小而支座处大, ,其其值变化较大。值变化较大。弦杆弦杆跨中节间轴力大、跨中节间轴力大、靠近支座处轴力较靠近支座处轴力较小或为零小或为零102.1 桁架结构的受力特点桁架结构的内力桁架结构的内力 三角形桁架三角形桁架的高的高度自跨中最大处向度自跨中最大处向支座节点最小处呈支座节点最小处呈线性线性变化变化, ,而弯矩而弯矩的变化自跨中向支的变化自跨中向支座呈座呈抛物线抛物线变化变化, ,弯矩的减小速度比弯矩的减小速度比桁架高度的减小速桁架高度的减小速度慢度慢, ,故上、下弦故上、下弦杆内力在跨中节间杆内力在跨中节间最小最小, ,而在靠近支而在靠近支座处最大。座处最大。112.1 桁架结构的受力

5、特点桁架结构的内力桁架结构的内力 高度呈高度呈抛物线型抛物线型的桁架是最理想的的桁架是最理想的桁架形式。因桁架桁架形式。因桁架高度的变化与外荷高度的变化与外荷载所产生的弯矩图载所产生的弯矩图完全一致完全一致, ,使上、使上、下弦杆各节间轴力下弦杆各节间轴力也完全相等。也完全相等。122.1 桁架结构的受力特点桁架结构的内力桁架结构的内力 斜腹杆的斜腹杆的布置方布置方向向对腹杆受力的符对腹杆受力的符号号 ( (拉或压拉或压) )有直有直接的关系。对于矩接的关系。对于矩形桁架形桁架, ,斜腹杆外斜腹杆外倾受拉倾受拉, ,内倾受压内倾受压, ,竖腹杆受力方向与竖腹杆受力方向与斜腹杆相反。斜腹杆相反。

6、132.1 桁架结构的受力特点桁架结构的内力桁架结构的内力 斜腹杆的斜腹杆的布置方布置方向向对腹杆受力的符对腹杆受力的符号号 ( (拉或压拉或压) )有直有直接的关系。接的关系。 对于对于三角形桁架三角形桁架, ,斜腹斜腹杆外倾受压杆外倾受压, ,内倾内倾受拉受拉, ,而竖腹杆则而竖腹杆则总是受拉。总是受拉。14三角形桁架三角形桁架 三角形屋架一般三角形屋架一般用于屋面用于屋面坡度较大坡度较大的屋盖结构中。一的屋盖结构中。一般宜用于般宜用于中小跨度中小跨度的轻屋盖结构。的轻屋盖结构。2.2 屋架结构的型式按屋架外形不同分：按屋架外形不同分：三角形桁架三角形桁架梯形屋架梯形屋架抛物线形屋架抛物线

7、形屋架折线形屋架折线形屋架平行弦形屋架平行弦形屋架15梯形桁架梯形桁架 梯型屋架一般用梯型屋架一般用于屋面于屋面坡度较小坡度较小的的屋盖中。其受力性屋盖中。其受力性能比三角形屋架优能比三角形屋架优越越, ,适用于适用于较大跨较大跨度度或荷载的工业厂或荷载的工业厂房。房。2.2 屋架结构的型式16梯形桁架梯形桁架矩形桁架矩形桁架 矩形屋架也称为矩形屋架也称为平行弦屋架平行弦屋架。其上。其上下弦平行下弦平行, ,腹杆长腹杆长度一致度一致, ,杆件类型杆件类型少少, ,易于满足标准易于满足标准化、工业化生产的化、工业化生产的要求。常用于要求。常用于托架托架或或支撑系统支撑系统。2.2 屋架结构的型式

8、17按使用材料不同分：按使用材料不同分：木屋架木屋架钢钢- -木组合屋架木组合屋架钢屋架钢屋架轻型钢屋架轻型钢屋架钢筋混凝土屋架钢筋混凝土屋架预应力混凝土屋架预应力混凝土屋架钢筋混凝土钢筋混凝土- -钢组合屋架钢组合屋架木屋架：木屋架： 一般为三角形屋架，一般为三角形屋架，内力支座处大而跨内力支座处大而跨中小。适用于跨度中小。适用于跨度在在1818米以内的建筑米以内的建筑中。中。高跨比：不宜小于高跨比：不宜小于1/51/41/51/4节间长度：节间长度：2323米米2.2 屋架结构的型式18钢钢- -木组合屋架木组合屋架 采用钢拉杆作为采用钢拉杆作为屋架的下弦杆，消屋架的下弦杆，消除接头的非弹

9、性变除接头的非弹性变形，从而提高屋架形，从而提高屋架结构的刚度。结构的刚度。2.2 屋架结构的型式19钢屋架钢屋架 改善上弦杆受力情况，采用再分式腹杆改善上弦杆受力情况，采用再分式腹杆的形式。的形式。2.2 屋架结构的型式20钢屋架钢屋架 改善上弦杆受力情况，采用再分式腹杆改善上弦杆受力情况，采用再分式腹杆的形式。的形式。2.2 屋架结构的型式21钢屋架钢屋架2.2 屋架结构的型式22钢屋架钢屋架2.2 屋架结构的型式23混凝土屋架混凝土屋架2.2 屋架结构的型式形式：梯形屋架、折线形屋架、拱式屋架、无腹杆屋架等， 可为普通钢筋混凝土屋架和预应力混凝土屋架跨度：钢筋混凝土屋架1524米，预应力

10、混凝土屋架1836米优缺点：取材宜、价格便宜用于中大跨度、刚度大、整体性好、传力简洁、耐高温、但自重大、施工复杂2.2 屋架结构的型式梯形屋架：上弦为直线，屋面坡度为1/121/10，适用于卷材防水屋面。 上弦节间距为3米，下弦节间距为6米，矢高与跨度比为1/81/6，屋架 端部刚度为1.82.2米。 自重大、刚度好，适用于重型、高温及采用井式或横向天窗的厂房折线形屋架：屋面坡度1/31/4，适用于卷材屋面的中大型厂房。 外形较合理，结构自重轻拱式屋架：上弦为曲线形，一般为抛物线形，也可用折线。矢高比一般为1/81/6 外形合理、杆件内力均匀、自重轻、经济指标好无斜腹杆屋架：上弦一般为抛物线拱

11、，屋面板可支承在上弦杆上。 构造简单、制作方便、屋架间可穿行管道、适用跨度可达36m 节点刚接、各杆件内均匀弯矩且在杆端节点处屋架最大，上弦为压 弯杆件、下弦为拉弯杆件，荷载在上弦时，竖腹杆受压，荷载在下 弦时， 竖腹杆受拉桥式屋架：是将屋面板和屋架合二为一的结构体系。 屋盖结构传力简捷、整体性好，充分利用了构件的承载能力，省材 施工复杂、须在柱间假设架梁例：江西某会堂大厅，平面尺寸27mx27m，采用钢筋混凝土桥式桁架扁壳组合屋盖25钢筋混凝土钢筋混凝土- -钢组合屋架钢组合屋架 上弦杆采用刚劲上弦杆采用刚劲混凝土，下弦杆采混凝土，下弦杆采用型钢。充分利用用型钢。充分利用两种材料的特性。两种

12、材料的特性。2.2 屋架结构的型式26梯形桁架梯形桁架屋架结构的主要尺寸屋架结构的主要尺寸 屋架的矢高直接影响结构的屋架的矢高直接影响结构的刚度刚度与与经济指标经济指标。矢高。矢高大、弦杆受力小大、弦杆受力小, ,但腹杆长、长细比大、易压曲但腹杆长、长细比大、易压曲, ,用料用料反而会增多。矢高小反而会增多。矢高小, ,则弦杆受力大、截面大、且屋则弦杆受力大、截面大、且屋架刚度小、变形大。一般矢高可取跨度的架刚度小、变形大。一般矢高可取跨度的 1/101/5。 2.3 屋架结构的选型及布置矢高矢高 屋架上弦坡度的确定应与屋面屋架上弦坡度的确定应与屋面防水防水构造相适应。当构造相适应。当采用瓦类

13、屋面时采用瓦类屋面时, ,屋架上弦坡度应大些屋架上弦坡度应大些, ,一般不小于一般不小于1/3, ,以以 利于排水。当采用大型屋面板并做卷材防水时利于排水。当采用大型屋面板并做卷材防水时, ,屋屋面坡度可平缓些面坡度可平缓些, ,一般为一般为1/8l/12。坡度坡度27梯形桁架梯形桁架2.3.12.3.1屋架结构的主要尺寸屋架结构的主要尺寸 屋架节间长度的大小与屋架的屋架节间长度的大小与屋架的结构型式结构型式, ,材料材料及荷及荷载有关。一般上弦受压载有关。一般上弦受压, ,节间长度应小些节间长度应小些, ,下弦受拉下弦受拉, ,节间长度可大些。节间长度可大些。 屋架上弦节间长度常取屋架上弦节

14、间长度常取 3m。 当屋盖采用有檩体当屋盖采用有檩体系时系时, ,则屋架上弦节间长度应与檩条间距一致。则屋架上弦节间长度应与檩条间距一致。2.3 屋架结构的选型及布置节间距节间距28梯形桁架梯形桁架2.3.22.3.2屋架结构的选型屋架结构的选型2.3 屋架结构的选型及布置 屋架结构的选型应考虑房屋的屋架结构的选型应考虑房屋的用途、建筑用途、建筑造型、屋面防水构造、屋架的跨度、结构材造型、屋面防水构造、屋架的跨度、结构材料的供应、施工技术条件料的供应、施工技术条件等因素等因素, ,做到受力做到受力合理、技术先进、经济适用。合理、技术先进、经济适用。29梯形桁架梯形桁架2.3.22.3.2屋架结

15、构的选型屋架结构的选型 从结构受力来看从结构受力来看, ,抛物线状抛物线状的拱式结构受力最为的拱式结构受力最为合合理理。但拱式结构上弦为曲线。但拱式结构上弦为曲线, ,施工复杂。施工复杂。折线型折线型屋架屋架, ,与抛物线弯矩图最为接近与抛物线弯矩图最为接近, ,故力学性能良好。梯形屋故力学性能良好。梯形屋架架, ,因其既具有较好的力学性能因其既具有较好的力学性能, ,上下弦均为直线施工上下弦均为直线施工方便方便, ,故在故在大中跨建筑大中跨建筑中被中被广泛应用广泛应用。三角形屋架与三角形屋架与矩形屋架力学性能较差矩形屋架力学性能较差。三角形三角形屋架一般仅适用于屋架一般仅适用于中中小跨度小跨

16、度, ,矩形矩形屋架常用作屋架常用作托架托架或或荷载较特殊情况荷载较特殊情况下使下使用。用。2.3 屋架结构的选型及布置1 1、屋架结构的受力、屋架结构的受力30梯形桁架梯形桁架2.3.22.3.2屋架结构的选型屋架结构的选型 屋面防水构造决定了屋面排水坡度屋面防水构造决定了屋面排水坡度, ,进而决定屋盖进而决定屋盖的建筑造型。的建筑造型。 一般来说一般来说, ,当屋面防水材料采用粘土瓦、机制平瓦当屋面防水材料采用粘土瓦、机制平瓦或水泥瓦时或水泥瓦时, ,应选用应选用三角形屋架、陡坡梯形屋架三角形屋架、陡坡梯形屋架。当。当屋面防水采用卷材防水、金属薄板防水时屋面防水采用卷材防水、金属薄板防水时

17、, ,应选用应选用拱拱形屋架、折线形屋架和缓坡梯形屋架形屋架、折线形屋架和缓坡梯形屋架。2.3 屋架结构的选型及布置2 2、屋面防水构造、屋面防水构造31梯形桁架梯形桁架2.3.22.3.2屋架结构的选型屋架结构的选型 木材及钢材木材及钢材均易腐蚀均易腐蚀, ,维修费用较高。因此维修费用较高。因此, ,对于对于相对湿度较大而又通风不良的建筑相对湿度较大而又通风不良的建筑, ,或有侵蚀性介质或有侵蚀性介质的工业厂房的工业厂房, ,不宜选用木屋架和钢屋架不宜选用木屋架和钢屋架, ,宜选用预应力宜选用预应力混凝土屋架。混凝土屋架。2.3 屋架结构的选型及布置3 3、材料的耐久性及使用环境、材料的耐久

18、性及使用环境32梯形桁架梯形桁架2.3.22.3.2屋架结构的选型屋架结构的选型 跨度在跨度在18m以下时以下时, ,可选用钢筋混凝土可选用钢筋混凝土- -钢组合屋钢组合屋架架; ;这种屋架构造简单、施工吊装方便这种屋架构造简单、施工吊装方便, ,技术经济指标技术经济指标较好。较好。 跨度在跨度在36m以下时以下时, ,宜选用预应力混凝土屋架宜选用预应力混凝土屋架, ,既既可节省钢材可节省钢材, ,又可有效地控制裂缝宽度和挠度。又可有效地控制裂缝宽度和挠度。 跨度在跨度在36m以上的大跨度建筑或受到较大振动荷以上的大跨度建筑或受到较大振动荷载作用的屋架载作用的屋架, ,宜选用钢屋架宜选用钢屋架

19、, ,以减轻结构自重以减轻结构自重, ,提高提高结构的耐久性与可靠性。结构的耐久性与可靠性。2.3 屋架结构的选型及布置4 4、屋架的跨度、屋架的跨度33梯形桁架梯形桁架2.3.32.3.3屋架结构的布置屋架结构的布置 屋架的跨度屋架的跨度, ,一般以一般以 3m为模数。为模数。2.3 屋架结构的选型及布置跨度跨度 屋架一般宜等间距平行排列屋架一般宜等间距平行排列, ,与房屋纵向柱列的间与房屋纵向柱列的间距一致距一致, ,屋架直接搁置在柱顶。屋架的间距同时即为屋架直接搁置在柱顶。屋架的间距同时即为屋面板或檩条、吊顶龙骨的跨度屋面板或檩条、吊顶龙骨的跨度, ,最常见的为最常见的为6m, ,有时有

20、时也有也有7.5m、9m间距间距 在同层中屋架的支座取同一标高。屋架的支座形在同层中屋架的支座取同一标高。屋架的支座形式式, ,在力学上可简化为在力学上可简化为铰接铰接支座。支座。支座支座34梯形桁架梯形桁架2.3.42.3.4屋架结构的支撑屋架结构的支撑 包括设置在屋架之间的垂直支撑、水平系杆以及包括设置在屋架之间的垂直支撑、水平系杆以及设置在上下弦平面内的横向支撑和通常设置在下弦平设置在上下弦平面内的横向支撑和通常设置在下弦平面内的纵向水平支撑。面内的纵向水平支撑。 垂直支撑和水平系杆是为了保证侧向稳定性。垂直支撑和水平系杆是为了保证侧向稳定性。 上弦横向支撑为了增强屋盖的整体性和屋架上弦

21、上弦横向支撑为了增强屋盖的整体性和屋架上弦的侧向稳定性。的侧向稳定性。 下弦纵向水平支撑是为了增强屋盖的空间刚度，下弦纵向水平支撑是为了增强屋盖的空间刚度，增强排架的空间工作性能。增强排架的空间工作性能。2.3 屋架结构的选型及布置内容内容352.4 立体桁架v 平面屋架结构虽然有很好的平面内受力性能，平面屋架结构虽然有很好的平面内受力性能，但其在平面外的刚度很小。为保证结构的整体性但其在平面外的刚度很小。为保证结构的整体性，必须要设置各类支撑。支撑结构的布置要消耗，必须要设置各类支撑。支撑结构的布置要消耗很多材料，且常常以长细比等构造要求控制，材很多材料，且常常以长细比等构造要求控制，材料强

22、度得不到充分发挥。采用立体桁架可以避免料强度得不到充分发挥。采用立体桁架可以避免上述缺点。立体桁架的截面形式有矩形、正三角上述缺点。立体桁架的截面形式有矩形、正三角形、倒角形。形、倒角形。 362.4 立体桁架372.4 立体桁架382.4 立体桁架v 当跨度较大时，因上弦压力较大，截面大，可把上弦当跨度较大时，因上弦压力较大，截面大，可把上弦一分为二，构成倒三角形立体桁架。一分为二，构成倒三角形立体桁架。 v 立体桁架由于具有较大的平面外刚度，有利于吊装和使用立体桁架由于具有较大的平面外刚度，有利于吊装和使用， 节省用于支撑的钢材，因而具有较大的优越性。但三节省用于支撑的钢材，因而具有较大的

23、优越性。但三角形截面的立体桁架杆长计算繁琐，杆件的空间角度非整角形截面的立体桁架杆长计算繁琐，杆件的空间角度非整数，节点构造复杂，焊缝要求高，制作复杂。数，节点构造复杂，焊缝要求高，制作复杂。 2.5 张弦结构v将平面桁架结构的受拉下弦杆用高强度拉索将平面桁架结构的受拉下弦杆用高强度拉索代替，并通过张拉拉索在结构中施加预应力代替，并通过张拉拉索在结构中施加预应力，形成张弦结构，可以有效的改变结构的受，形成张弦结构，可以有效的改变结构的受力性能。力性能。v组成：上弦的梁、拱、或桁架；下弦的拉索；组成：上弦的梁、拱、或桁架；下弦的拉索； 上下弦之间的竖向撑杆。上下弦之间的竖向撑杆。2.5 张弦结构

24、2.5.12.5.1张弦结构的特点张弦结构的特点v承载能力高；承载能力高；v结构刚度大；结构刚度大；v结构稳定性强；结构稳定性强；v支座推力小；支座推力小；v建筑造型适应性强；建筑造型适应性强；v制作、运输、施工方制作、运输、施工方便。便。2.5 张弦结构2.5.22.5.2张弦结构的形式张弦结构的形式 直线型直线型v平面张弦结构平面张弦结构 拱拱 型型 人字性人字性 单向张弦结构单向张弦结构v空间张弦结构空间张弦结构 双向张弦结构双向张弦结构 多向张弦结构多向张弦结构 辐射式张弦结构辐射式张弦结构2.5 张弦结构2.5.32.5.3张弦结构的受力性能张弦结构的受力性能 v张弦结构的形态定义：

25、张弦结构的形态定义： 零状态、初状态、荷载态零状态、初状态、荷载态v张弦结构的预应力特性：张弦结构的预应力特性： 没有外荷载作用下结构内部所维持的自平衡内力分布没有外荷载作用下结构内部所维持的自平衡内力分布v张弦结构的平面外稳定及纵向受力：张弦结构的平面外稳定及纵向受力： 措施：采用平面外刚度较大的上弦杆件；措施：采用平面外刚度较大的上弦杆件； 设置屋面水平支撑；设置屋面水平支撑；v张弦结构的抗风作用：张弦结构的抗风作用： 措施：增大屋面荷载、加大拉索预应力措施：增大屋面荷载、加大拉索预应力2.5 张弦结构2.5.42.5.4张弦结构的选型张弦结构的选型v上弦刚性受压构件：上弦刚性受压构件： 取决于跨度和撑杆间距离取决于跨度和撑杆间距离 v张弦结构上弦矢高和下弦垂度：张弦结构上弦矢高和下弦垂度： 垂跨比：下弦索的垂度与结构跨度的比值垂跨比：下弦索的垂度与结构跨度的比值 高跨比：上弦梁的矢高与结构跨度的比值高跨比：上弦梁的矢高与结构跨度的比值v撑杆数目：撑杆数目： 撑杆多时，上弦刚性构件内力均匀，弯矩小，