建筑结构选型-桁架结构

1第二章桁架架结构第一节桁桁架结构的受受力特点第二节屋架架结构的型式式第三节屋架架结构的选型型与布置教学要求了解桁架结构构的受力特点点及其型式，，掌握屋架结结构选型与布布置第五节张弦结构第六节桁架架结构的其他他应用型式第四节立体体桁架2第二章桁架架结构桁架（truss）:由直杆组成的的一般具有三角形单元的平面或或空间结构。。在房屋建筑筑中,桁架常用来作作为屋盖承重重结构,又称为屋架。3第二章桁架架结构桁架（truss）:由直杆组成的的一般具有三三角形单元的的平面或空间间结构。在房房屋建筑中,桁架常用来作作为屋盖承重重结构,又称为屋架。。42.1桁架结构的受受力特点组成桁架的所所有各杆都是是直杆，所有有各杆的中心心线(轴线)都在同一平面面内。桁架结构计算算的假定52.1桁架结构的受受力特点桁架结构计算算的假定桁架的杆件与与杆件相连接接的节点均为为铰接节点。。62.1桁架结构的的受力特点点鲁班锁72.1桁架结构的的受力特点点桁架结构计计算的假定定所有外力(包括荷载及及支座反力力)都作用在桁桁架的中心心平面内,并集中作用用于节点上上。82.1桁架结构的的受力特点点桁架结构的的内力矩形桁架为等高度,沿跨度方向向各腹杆的轴力变化化与剪力图图一致,跨中小而支支座处大,其值变化较较大。弦杆跨中节间轴轴力大、靠靠近支座处处轴力较小小或为零92.1桁架结构的的受力特点点桁架结构的的内力三角形桁架架的高度自跨跨中最大处处向支座节节点最小处处呈线性变化,而弯矩的变变化自跨中中向支座呈呈抛物线变化,弯矩的减小小速度比桁桁架高度的的减小速度度慢,故上、下弦弦杆内力在在跨中节间间最小,而在靠近支支座处最大大。--x102.1桁架结构的的受力特点点桁架结构的的内力高度呈抛物线型的桁架是最最理想的桁桁架形式。。因桁架高高度的变化化与外荷载载所产生的的弯矩图完完全一致,使上、下弦弦杆各节间间轴力也完完全相等。。-112.1桁架结构的的受力特点点桁架结构的的内力斜腹杆的布置方向对腹杆受力力的符号(拉或压)有直接的关关系。对于于矩形桁架架,斜腹杆外倾倾受拉,内倾受压,竖腹杆受力力方向与斜斜腹杆相反反。122.1桁架结构的的受力特点点桁架结构的的内力斜腹杆的布置方向对腹杆受力力的符号(拉或压)有直接的关关系。对于三角形形桁架,斜腹杆外倾倾受压,内倾受拉,而竖腹杆则则总是受拉拉。13三角形桁架架三角形屋架架一般用于于屋面坡度较大的屋盖结构构中。一般般宜用于中小跨度的轻屋盖结结构。2.2屋架结构的的型式14梯形桁架梯型屋架一一般用于屋屋面坡度较小的屋盖中。。其受力性性能比三角角形屋架优优越,适用于较大跨度或荷载的工工业厂房。。2.2屋架结构的的型式15梯形桁架矩形桁架矩形屋架也也称为平行弦屋架架。其上下弦弦平行,腹杆长度一一致,杆件类型少少,易于满足标标准化、工工业化生产产的要求。。常用于托架或支撑系统。2.2屋架结构的的型式16木屋架一般为三角角形屋架，，内力支座座处大而跨跨中小。适适用于跨度度在18米米以内的建建筑中。2.2屋架结构的的型式17钢-木组合合屋架采用钢拉杆杆作为屋架架的下弦杆杆，消除接接头的非弹弹性变形，，从而提高高屋架结构构的刚度。。2.2屋架结构的的型式18钢屋架改善上弦杆杆受力情况况，采用再再分式腹杆杆的形式。。2.2屋架结构的的型式19钢屋架改善上弦杆杆受力情况况，采用再再分式腹杆杆的形式。。2.2屋架结构的的型式20钢屋架2.2屋架结构的的型式21钢屋架2.2屋架结构的的型式22混凝土屋架架2.2屋架结构的的型式23钢筋混凝土土-钢组合合屋架上弦杆采用用钢筋混凝凝土，下弦弦杆采用型型钢。充分分利用两种种材料的特特性。2.2屋架结构的的型式24梯形桁架屋架结构的的主要尺寸寸屋架的矢高高直接影响响结构的刚度与经济指标。矢高大、、弦杆受力力小,但腹杆长、、长细比大大、易压曲曲,用料反而会会增多。矢矢高小,则弦杆受力力大、截面面大、且屋屋架刚度小小、变形大大。一般矢矢高可取跨跨度的1/10~1/5。2.3屋架结结构的选型型及布置矢高屋架上弦坡坡度的确定定应与屋面面防水构造相适应应。当采用用瓦类屋面面时,屋架上弦坡坡度应大些些,一般不小于于1/3,以利于排水水。当采用用大型屋面面板并做卷卷材防水时时,屋面面坡坡度度可可平平缓缓些些,一般般为为1/8~l/12。坡度度25梯形形桁桁架架屋架架结结构构的的主主要要尺尺寸寸屋架架节节间间长长度度的的大大小小与与屋屋架架的的结构构型型式式,材料料及荷荷载载有有关关。。一一般般上上弦弦受受压压,节间间长长度度应应小小些些,下弦弦受受拉拉,节间间长长度度可可大大些些。。屋架架上上弦弦节节间间长长度度常常取取3m。当当屋屋盖盖采采用用有有檩檩体体系系时时,则屋屋架架上上弦弦节节间间长长度度应应与与檩檩条条间间距距一一致致。。2.3屋屋架架结结构构的的选选型型及及布布置置节间间距距26梯形形桁桁架架屋架结构的选选型2.3屋架结构构的选型及布布置屋架结构的选选型应考虑房房屋的用途、建筑造造型、屋面防防水构造、屋屋架的跨度、、结构材料的供应、施施工技术条件件等因素,做到受力合理理、技术先进进、经济适用用。27梯形桁架屋架结构的选选型从结构受力来来看,抛物线状的拱式结构受受力最为合理。但拱式结构构上弦为曲线线,施工复杂。折线型屋架,与抛物线弯矩矩图最为接近近,故力学性能良良好。梯形屋屋架,因其既具有较较好的力学性性能,上下弦均为直直线施工方便便,故在大中跨建筑中被广泛应用。三角形屋架与与矩形屋架力力学性能较差差。三角形屋架一般仅适适用于中小跨度,矩形屋架常用作托架或荷载较特殊情情况下使用。2.3屋架结构构的选型及布布置受力28梯形桁架屋架结构的选选型屋面防水构造造决定了屋面面排水坡度,进而决定屋盖盖的建筑造型型。一般来说,当屋面防水材材料采用粘土土瓦、机制平平瓦或水泥瓦瓦时,应选用三角形屋架、、陡坡梯形屋屋架。当屋面防水水采用卷材防防水、金属薄薄板防水时,应选用拱形屋架、折折线形屋架和和缓坡梯形屋屋架。2.3屋架结构构的选型及布布置防水29梯形桁架屋架结构的选选型木材及钢材均易腐蚀,维修费用较高高。因此,对于相对湿度度较大而又通通风不良的建建筑,或有侵蚀性介介质的工业厂厂房,不宜选用木屋屋架和钢屋架架,宜选用预应力力混凝土屋架架,2.3屋架结构构的选型及布布置材料30梯形桁架屋架结构的选选型跨度在18m以下时,可选用钢筋混混凝土-钢组合屋架;这种屋架构造造简单、施工工吊装方便,技术经济指标标较好。跨度在36m以下时,宜选用预应力力混凝土屋架架,既可节省钢材材,又可有效地控控制裂缝宽度度和挠度。跨度在36m以上的大跨度度建筑或受到到较大振动荷荷载作用的屋屋架,宜选用钢屋架架,以减轻结构自自重,提高结构的耐耐久性与可靠靠性。2.3屋架结构构的选型及布布置跨度31梯形桁架屋架结构的布布置屋架的跨度,一般以3m为模数。2.3屋架结构构的选型及布布置跨度屋架一般宜等等间距平行排排列,与房屋纵向柱柱列的间距一一致,屋架直接搁置置在柱顶。屋屋架的间距同同时即为屋面面板或檩条、、吊顶龙骨的的跨度,最常见的为6m,有时也有7.5m、9m、间距在同层中屋架架的支座取同同一标高。屋屋架的支座形形式,在力学上可简简化为铰接支座。支座32梯形桁架屋架结构的支支撑包括设置在屋屋架之间的垂垂直支撑、水水平系杆以及及设置在上下下弦平面内的的横向支撑和和通常设置在在下弦平面内内的纵向水平平支撑。垂直支撑和水水平系杆是为为了保证侧向向稳定性。上弦横向支撑撑为了增强屋屋盖的整体性性和屋架上弦弦的侧向稳定定性。下弦纵向水平平支撑是为了了增强屋盖的的空间刚度，，增强排架的的空间工作性性能。2.3屋架结构构的选型及布布置内容332.4立体桁架架平面屋架结构构虽然有很好好的平面内受受力性能，但但其在平面外外的刚度很小小。为保证结结构的整体性性，必须要设设置各类支撑撑。支撑结构构的布置要消消耗很多材料料，且常常以以长细比等构构造要求控制制，材料强度度得不到充分分发挥。采用用立体桁架可可以避免上述述缺点。立体体桁架的截面面形式有矩形形、正三角形形、倒角形。。342.4立体桁架架352.4立体桁架架362.4立体桁架架当跨度较大时时，因上弦压压力较大，截截面大，可把把上弦一分为为二，构成倒倒三角形立体体桁架。立体桁架由于于具有较大的的平面外刚度度，有利于吊吊装和使用，，节省用于于支撑的钢材材，因而具有有较大的优越越性。但三角角形截面的立立体桁架杆长长计算繁琐，，杆件的空间间角度非整数数，节点构造造复杂，焊缝缝要求高，制制作复杂。张弦结构是将将上弦刚性受受压构件通过过撑杆与下弦弦拉索组合在在一起形成自自平衡的受力力体系，是一一种大跨度预预应力空间结结构体系，也也是混合结构构体系发展中中一个成功的的创造。2.5张弦结构构刚性受压构件件或立体桁架架撑杆1根（或若干根根）预应力拉索2.5张弦结构张弦结构的上上弦刚性构件件可以是梁、、拱、立体桁桁架、网壳等等多种形式。。柔性下弦是是引入预应力力的柔索，包包括拉索、小小直径圆钢拉拉杆、大直径径钢棒等多种种形式。2.5.1张弦结构的特特点张弦结构作为为一种新型的的结构形式，，近年来在实实际工程中得得到越来越广广泛的应用。。（1）承载力高预应力与撑杆杆联合作用相相当于对刚性性受压构件的的弹性支座，，并对此处产产生负弯矩，，降低其它地地方的正弯矩矩，使整个构构件受力均匀匀，承载力提提高。（2）结构刚度大大由于刚性受压压构件与预应应力索的原因因，使整个构构件刚度增大大。（3）结构构稳定定性强强由于刚刚性受受压构构件的的原因因，其其稳定定性比比桁架架要稳稳定得得多。。（4）支座座推力力小其属于于自平平衡受受力体体系，，所以以支座座没有有水平平推力力。（5）建筑筑造型型适应应力强强（6）制作作、运运输、、施工工方便便平面张张弦结结构2.5.2张弦结结构的的形式式空间张张弦结结构2.5.2张弦结结构的的形式式（1）平面面张弦弦梁结结构是是指其其结构构构件件位于于同一一平面面内，，且以以平面面内受受力为为主的的张弦弦梁结结构。。平面面张弦弦梁结结构根根据上上弦构构件的的形状状可以以分为为三种种基本本形式式：直直线型型张弦弦梁、、拱形形张弦弦梁、、人字字型张张弦梁梁结构构。p34直梁型型张弦弦梁结结构主主要用用于楼楼板结结构和和小坡坡度屋屋面结结构，，拱形形张弦弦梁结结构充充分发发挥了了上弦弦拱得得受力力优势势适用用于大大跨度度的屋屋盖结结构，，人字字型张张弦梁梁结构构适用用于跨跨度较较小的的双坡坡屋盖盖结构构。2.5.2张弦结结构的的形式式（2）空间间张弦弦梁结结构是是以平平面张张弦梁梁结构构为基基本组组成单单元，，通过过不同同形式式的空空间布布置所所形成成的张张弦梁梁结构构。空空间张张弦梁梁结构构主要要有单单向张张弦梁梁结构构、双双向张张弦梁梁结构构、多多向张张弦梁梁结构构、辐辐射式式张弦弦梁结结构。。p34单向张张弦梁梁结构构由于于设置置了纵纵向支支撑索索形成成的空空间受受力体体系，，保证证了平平面外外的稳稳定性性，适适用于于矩形形平面面的屋屋盖结结构。。双向张张弦梁梁结构构由于于交叉叉平面面张弦弦梁相相互提提供弹弹性支支撑，，形成成了纵纵横向向的空空间受受力体体系，，该结结构适适用于于矩形形、圆圆形、、椭圆圆形等等多种种平面面屋盖盖结构构。多向张张弦梁梁结构构是平平面张张弦梁梁结构构沿多多个方方向交交叉布布置而而成的的空间间受力力体系系，该该结构构形式式适用用于圆圆形和和多边边形平平面的的屋盖盖结构构。辐射式张张弦梁结结构是由由中央按按辐射状状放置上上弦梁，，梁下设设置撑杆杆用环向向索而连连接形成成的空间间受力体体系，适适用于圆圆形平面面或椭圆圆形平面面的屋盖盖结构。。2.5.2张弦结构构的形式式1）形态定定义2.5.3张弦结构构的受力力性能零状态初始态荷载态拉索张拉拉前，结结构放样样拉索张拉拉完毕、、结构安安装就位位外荷载作作用在初初始态，，变形稳稳定2）预应力力特性张弦结构构的受力力性能是否需要要对张拉拉拉索产产生预应应力？1）改善上上弦构件件受力，，减小弯弯矩2）防止结结构受力力(风吸力)使得拉索索受压退退出工作作3）平面外外稳定张弦结构构的受力力性能采用平面面外刚度度较大的的上弦杆杆（如立立体桁架架）设置屋面面水平支支撑系统统（设设在上弦弦杆处））4）抗风作作用张弦结构构的受力力性能抗风吸力力（负压压）作用用抗风震作作用缺点1）上弦刚刚性受压压构件2.5.4张弦结构构的选型型上弦构件件形式结构跨度度撑杆间距距跨中弯矩矩上弦构件件截面积积上弦局部部弯矩上弦抗弯弯刚度梁采用工工形或箱箱型截面面钢构件件，或立立体桁架架2）上弦失失高和下下弦垂度度张弦结构构的选型型垂跨比高跨比梁弯矩、、轴力、、索的应力力结构的变变形3）撑杆数数目张弦结构构的选型型撑杆数量量上弦内力力均匀、、弯矩小小施工复杂杂、撑杆杆材料用用量增加加2.5.5工程实例例北京北站站拱形平平面张弦弦结构北京农展展馆上海世博博会主题题馆张弦结构构的实例例上海世博博会主题题馆p37-38主题馆建建设和设设计的三三大亮点点(一)双向大跨跨度亚洲洲最大、、大跨度度双弦张张拉桁架架国内最最大西展厅南南北跨180米，东西西跨126米，为矩矩形超大大跨度无无柱空间间，相当当于3个标准足足球场大大小。2.5万平方米米、14米净高的的无柱空空间，既既符合了了世博会会的布展展要求，，也有利利于世博博会后举举办各类类展览和和活动。。西展厅屋屋面采用用了张拉拉弦桁架架结构，，共9榀，跨度度为126米，间距距18米，上弦弦为三角角管桁架架，下弦弦索采用用两根高高强钢丝丝束索。。如此大大跨度的的双弦张张拉桁架架，目前前在国内内最大。。(二)单体太阳阳能屋面面国内最最大主题馆屋屋面大面面积铺设设太阳能能板,采用并网网发电运运行方式式，将太太阳能发发电传回回城市电电网中。。太阳能能总发电电量2.57兆瓦，为为目前国国内最大大的单体体面积太太阳能屋屋面。太太阳能板板面积达达3万平方米米，年发发电量可可达250万度，每每年减少少CO2排放量约约2500吨。(三)