第2章桁架(屋架)结构ppt课件.ppt

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1、建筑结构选型,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,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,第四节 立体桁架,第五节 张弦结构,第六节 屋架结构的其他型式,3,第二章 桁架结构,桁架（truss）: 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,桁架常用来作为屋盖承重结构,又称为屋架。,掏空的梁-桁架可以看成是从梁衍化而来,桁架结构的发展,5,第二章 桁架结构,桁架（truss）: 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,桁架常用来作为屋盖承重结构,又称为屋架。,理

2、想桁架简图假设：理想光滑铰接； 直杆且过铰心； 力只作用在结点。,只受结点荷载作用的直杆铰接体系,桁架结构计算的假定,7,2.1 桁架结构的受力特点,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。,桁架结构计算的假定,8,2.1 桁架结构的受力特点,桁架结构计算的假定,桁架的杆件与杆件相连接的节点均为铰接节点。,9,2.1 桁架结构的受力特点,鲁班锁,主内力:按计算简图计算出的内力次内力:实际内力与主内力的差值,梁和刚架以承受弯矩为主，因而截面应力分布不均匀，材料不能得到充分利用；,桁架杆承受轴力为主，可以克服梁和刚架的不足。,桁架结构的内力,11,2.1 桁架结构的受

3、力特点,桁架结构计算的假定,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。,12,2.1 桁架结构的受力特点,桁架结构的内力,矩形桁架为等高度,沿跨度方向各腹杆的轴力变化与剪力图一致,跨中小而支座处大,其值变化较大。弦杆跨中节间轴力大、靠近支座处轴力较小或为零,弦杆内力：,斜杆内力：,下斜杆受拉,上斜杆受压,竖杆内力：符号与斜杆内力符号相反,分布规律：,1、弦杆内力由端点向中心递增,2、腹杆内力由端点向中心递减,竖杆受压,竖杆受拉,弦杆内力：,M0 按抛物线递增,由于hi 的增长比M0的增长快，所以弦内力由端点向中心递减,hi 按线性递增,斜杆内力和竖杆内力由端

4、点向中心递增；斜杆内力符号和竖杆内力符号相反；下斜杆受压，上斜杆受拉,腹杆内力：,分布规律：,与平行弦桁架内力分布相反，符号规律相同,2 三角形桁架,15,2.1 桁架结构的受力特点,桁架结构的内力,三角形桁架的高度自跨中最大处向支座节点最小处呈线性变化,而弯矩的变化自跨中向支座呈抛物线变化,弯矩的减小速度比桁架高度的减小速度慢,故上、下弦杆内力在跨中节间最小,而在靠近支座处最大。,3 抛物线形桁架,结点位于,腹杆内力为零，下弦杆内力相同。上弦杆受压，水平分量相等且等于下弦内力（因为合理拱轴）,弦杆内力：,M0 按抛物线递增,Hi 按抛物线递增,17,2.1 桁架结构的受力特点,桁架结构的内力

5、,高度呈抛物线型的桁架是最理想的桁架形式。因桁架高度的变化与外荷载所产生的弯矩图完全一致,使上、下弦杆各节间轴力也完全相等。,基于上述受力性能分析，在使用上, 平行弦桁架内力分布不均，但构件规整，利于标准化，便于施工，宜用于跨度不大情况, 抛物线桁架内力分布均匀，腹杆轻，自重小，宜用于大跨结构，但抛物线弦杆施工复杂。, 三角形桁架内力分布不均匀，支座处内力最大，端结点交锐角构造复杂，宜用于跨度小坡度大的屋盖。,19,2.1 桁架结构的受力特点,桁架结构的内力,斜腹杆的布置方向对腹杆受力的符号 (拉或压)有直接的关系。对于矩形桁架,斜腹杆外倾受拉,内倾受压,竖腹杆受力方向与斜腹杆相反。,20,2

6、.1 桁架结构的受力特点,桁架结构的内力,斜腹杆的布置方向对腹杆受力的符号 (拉或压)有直接的关系。 对于三角形桁架,斜腹杆外倾受压,内倾受拉,而竖腹杆则总是受拉。,2.1 屋架结构的型式及适用范围,用于房屋上的桁架常称屋架，桁架型式的选择一般与建筑物的使用要求，跨度和荷载大小，以及材料供应和施工技术水平等因素有关。选择桁架型式的一般原则是适用经济美观和制造简单。桁架可用木材、钢材、钢筋混凝土等材料制造，由于每种材料的力学性能各不相同，所以不同材料制造的屋架，其型式也各不一样。,屋架结构的型式,按使用材料：木屋架、钢木组合屋架、钢屋架、轻型钢屋架、钢筋混凝土屋架、预应力混凝土屋架、钢筋混凝土钢

7、组合屋架等,按屋架外形：三角形屋架、梯形屋架、抛物线屋架、折线型屋架、平行弦屋架等,按受力特点：桥式屋架、无斜腹杆屋架（刚接桁架、空腹桁架）、立体桁架等,23,三角形桁架,三角形屋架一般用于屋面坡度较大的屋盖结构中。一般宜用于中小跨度的轻屋盖结构。,2.2 屋架结构的型式,24,梯形桁架,梯型屋架一般用于屋面坡度较小的屋盖中。其受力性能比三角形屋架优越,适用于较大跨度或荷载的工业厂房。,2.2 屋架结构的型式,25,梯形桁架,矩形桁架,矩形屋架也称为平行弦屋架。其上下弦平行,腹杆长度一致,杆件类型少,易于满足标准化、工业化生产的要求。常用于托架或支撑系统。,2.2 屋架结构的型式,26,木屋架

8、,一般为三角形屋架，内力支座处大而跨中小。适用于跨度在18米以内的建筑中。,2.2 屋架结构的型式,这种屋架型式适用于木屋架。其特点是： (1)屋架的节间大小均匀，屋架的杆件内力不致突变太大。因为木材强度较低，这对采用木材作杆件提供有利条件。 (2) 木屋架的结点采用齿联结。这种屋架结点上相交的杆件不多，为齿联结提供可能性。,豪式木屋架的适用跨度为92l米，最经济跨度为9l5米。 豪式木屋架的节间数目主要考虑节间长度要适中，如节间长度太长，则杆件长度太长，受力不利；如节间长度太短，则节点太多，制造麻烦。一般应控制节间长度在1.52.5米之间。所以设计上常常是：,跨度69米时，采用四节间 跨度9

9、12米时，采用六节间 跨度1215米时，采用八节间 跨度在15米以上时，因考虑竖腹杆的拉力太大而采用钢木组合豪式屋架。,三角形屋架的内力分布不均匀，支座处大而跨中小。一般适用于跨度在18m以内的建筑中。三角形屋架的上弦坡度大，有利于屋面排水。,当房屋跨度较大时，选用梯形屋架较为适宜。梯形屋架受力性能比三角形屋架合理，梯形屋架适用跨度为12l8m。,31,钢-木组合屋架,采用钢拉杆作为屋架的下弦杆，消除接头的非弹性变形，从而提高屋架结构的刚度。,2.2 屋架结构的型式,32,钢屋架,改善上弦杆受力情况，采用再分式腹杆的形式。,2.2 屋架结构的型式,钢屋架的型式主要有三角形屋架、梯形屋架、平行弦

10、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。,三角形钢屋架也称为芬克式屋架，是钢屋架的典型型式，其特点是：(1)因钢材是一种柔性材料，虽然强度高，但抗弯性能差，而屋架上弦是压弯构件，为了适应钢材这个弱点，芬允式屋架把上弦分成左右两个小桁架，小桁架内的杆件长度就变得较短，由此来能适应钢材柔性的特点。,(2)这种屋架型式的下弦中段虽然长，但因下弦内力是受拉，钢材抗拉最适宜，所以，这段杆件虽长但无害处。 芬克式屋架为钢屋架，钢材成本较高，故主要用于大跨度情况，一般适用跨度为36米以上。,梯形屋架是由双梯形合并而成，外形和荷载引起的弯短图形接近，弦杆内力沿跨度分布较均匀，材料较经济。,梯

11、形屋架在支座处有一定的高度，既可与钢筋混凝土柱接，也可与钢柱做成固接。屋架中的腹杆体系，可采用人宇式、再分式和单斜杆式。,平行弦屋架的特点是杆件规格化，节点的构造统一，便于制造，但弦杆内力分布不均匀。 倾斜式平行弦屋架常用于单坡屋面的屋盖；水平式平行弦屋架多用做托架。,38,钢屋架,改善上弦杆受力情况，采用再分式腹杆的形式。,2.2 屋架结构的型式,39,钢屋架,2.2 屋架结构的型式,40,钢屋架,2.2 屋架结构的型式,41,混凝土屋架,2.2 屋架结构的型式,混凝土屋架,常见型式：梯形屋架、折线形屋架、拱形屋架、无斜腹杆屋架,钢筋混凝土屋架 跨度：1524m,预应力混凝土屋架 跨度：18

12、36m或更大,1.梯形屋架：,上弦节间：3m下弦节间：6m,矢跨比：1/61/8,端部高度：1.82.2m,适用：重型、高温、采用井式或横向天窗的厂房,2.折线形屋架1：,外形较合理，自重轻，屋面坡度大。,3.折线形屋架2：,适用：非卷材防水屋面的中型厂房或大中型厂房。,屋面坡度平缓，适用于卷材防水屋面的中型厂房。,4.拱形屋架：,上弦一般采用抛物线形，也可采用折线形。,外形合理、内力均匀、自重轻。,矢跨比：1/61/8,5.无腹杆屋架：,上弦一般为抛物线形，构造简单，便于制作。,节点刚接，可按刚架计算： 上弦杆：压弯构件 下弦杆：拉弯构件 竖腹杆：拉弯构件,若按拱计算：上弦杆：受压的拱身 下

13、弦杆：拉杆 竖腹杆：受拉（荷载作用于下弦） 零杆（荷载作用于上弦）,常用钢筋混凝土屋架的适用跨度,1218m,46,钢筋混凝土-钢组合屋架,上弦杆采用刚劲混凝土，下弦杆采用型钢。充分利用两种材料的特性。,2.2 屋架结构的型式,屋架在荷或作用下上弦主要承受压力，有时还承受弯矩，下弦承受拉力。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钢组合屋架。 组合屋架的自重轻，节省材料，常用跨度为918米。常用的组合屋架有折线形屋架，下撑式五角形屋架以及三铰、两铰屋架等。三铰屋架受力明确，杆件短，施工用地小。两铰屋架杆件少，构造简单。

14、下撑式五角形屋架的特点是重心低，因下撑而改善了屋架的受力性能，使内力分布比较均匀，但影响了房屋的净空，增加了柱子的高度。,组合屋架已大量采用，由于制造简单、施工占地小、自重轻，不需要重型起重设备，因此特别适于山区中、小型建筑。,折线形组合屋架,下撑式五角形组合屋架,三铰组合屋架,两铰组合屋架,屋架选型的一般原则（以材料而言）,屋架的选型必须综合考虑建筑的使用要求、跨度和荷载的大小、以及材料供应，施工条件等出素，并进行全面的技术经济分析。 1.建筑跨度在36米以上时宜选用钢屋架，但在有侵蚀介质(如酸、碱性物质)的厂房中则不宜采用钢结构。,2.为节约钢材，跨度在36米以下时宜选用预应力钢筋混凝土屋

15、架。跨度在18至24米之间，又无预应力条件时，亦可选用普通钢筋混凝土屋架，但在有振动、侵蚀性介质或高温车间，最好选用预应力钢筋混凝土屋架，因为下弦施加预应力后，可以提高结构的抗裂性，防止钢筋受腐蚀。,3.建筑跨度在18米以下时，可选用钢筋混凝土钢组合层架。这种屋架技术经济指标较好，也不需要较大的起重设备。由于它的下弦刚度较差，不宜用于振动较大(如吊车起重量超过10吨)的厂房。 4房屋内部以及所在地区的相对湿度大于75，通风不良者，或具有侵蚀性质介质的建筑，则不宜选用木屋架和钢屋架。,53,梯形桁架,屋架结构的主要尺寸,屋架的矢高直接影响结构的刚度与经济指标。矢高大、弦杆受力小,但腹杆长、长细比

16、大、易压曲,用料反而会增多。矢高小,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 1/101/5。,2.3 屋架结构的选型及布置,矢高,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,以 利于排水。当采用大型屋面板并做卷材防水时,屋面坡度可平缓些,一般为1/8l/12。,坡度,54,梯形桁架,屋架结构的主要尺寸,屋架节间长度的大小与屋架的结构型式,材料及荷载有关。一般上弦受压,节间长度应小些,下弦受拉,节间长度可大些。 屋架上弦节间长度常取 3m。 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。,2.3 屋架结构的

17、选型及布置,节间距,55,梯形桁架,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,做到受力合理、技术先进、经济适用。,56,梯形桁架,屋架结构的选型,从结构受力来看,抛物线状的拱式结构受力最为合理。但拱式结构上弦为曲线,施工复杂。折线型屋架,与抛物线弯矩图最为接近,故力学性能良好。梯形屋架,因其既具有较好的力学性能,上下弦均为直线施工方便,故在大中跨建筑中被广泛应用。三角形屋架与矩形屋架力学性能较差。三角形屋架一般仅适用于中小跨度,矩形屋架常用作托架或荷载较特殊情况下使用。,2.3 屋架结构

18、的选型及布置,受力,57,梯形桁架,屋架结构的选型,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。 一般来说,当屋面防水材料采用粘土瓦、机制平瓦或水泥瓦时,应选用三角形屋架、陡坡梯形屋架。当屋面防水采用卷材防水、金属薄板防水时,应选用拱形屋架、折线形屋架和缓坡梯形屋架。,2.3 屋架结构的选型及布置,防水,58,梯形桁架,屋架结构的选型,木材及钢材均易腐蚀,维修费用较高。因此,对于相对湿度较大而又通风不良的建筑,或有侵蚀性介质的工业厂房,不宜选用木屋架和钢屋架,宜选用预应力混凝土屋架,2.3 屋架结构的选型及布置,材料,59,梯形桁架,屋架结构的选型,跨度在18m以下时,可选用钢筋混

19、凝土-钢组合屋架;这种屋架构造简单、施工吊装方便,技术经济指标较好。 跨度在36m以下时,宜选用预应力混凝土屋架,既可节省钢材,又可有效地控制裂缝宽度和挠度。 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,以减轻结构自重,提高结构的耐久性与可靠性。,2.3 屋架结构的选型及布置,跨度,60,梯形桁架,屋架结构的布置,屋架的跨度,一般以 3m为模数。,2.3 屋架结构的选型及布置,跨度,屋架一般宜等间距平行排列,与房屋纵向柱列的间距一致,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,最常见的为6m,有时也有7.5m、9m、,间距,在同层中屋架的支座

20、取同一标高。屋架的支座形式,在力学上可简化为铰接支座。,支座,61,梯形桁架,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。 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，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,图10.11 有檩屋盖体系厂房支撑作用示意图,65,2.4 立体桁架,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，必须要设置各类支撑。支撑结构的布置要消

21、耗很多材料，且常常以长细比等构造要求控制，材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、正三角形、倒角形。,66,2.4 立体桁架,67,2.4 立体桁架,68,2.4 立体桁架,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。,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。,张弦结构是将上弦刚性受压构件通过撑杆与下弦拉索组合在一起形成自平衡的受力体系，是一种大跨度预应力空间结构体系，也是

22、混合结构体系发展中一个成功的创造。,2.5 张弦结构,刚性受压构件或立体桁架,撑杆1根（或若干根）,预应力拉索,2.5.1张弦结构的特点 张弦结构作为一种新型的结构形式，近年来在实际工程中得到越来越广泛的应用。 （1）承载力高 预应力与撑杆联合作用相当于对刚性受压构件的弹性支座，并对此处产生负弯矩，降低其它地方的正弯矩，使整个构件受力均匀，承载力提高。 （2）结构刚度大 由于刚性受压构件与预应力索的原因，使整个构件刚度增大。 （3）结构稳定性强 由于刚性受压构件的原因，其稳定性比桁架要稳定得多。 （4）支座推力小 其属于自平衡受力体系，所以支座没有水平推力。 （5）建筑造型适应力强 （6）制作

23、、运输、施工方便,平面张弦结构,2.5.2 张弦结构的形式,空间张弦结构,1）形态定义,2.5.3张弦结构的受力性能,零状态,初始态,荷载态,拉索张拉前，结构放样,拉索张拉完毕、结构安装就位,外荷载作用在初始态，变形稳定,2）预应力特性,张弦结构的受力性能,是否需要对张拉拉索产生预应力？,1）改善上弦构件受力，减小弯矩,2）防止结构受力(风吸力)使得拉索受压退出工作,3）平面外稳定,张弦结构的受力性能,采用平面外刚度较大的上弦杆（如立体桁架）,设置屋面水平支撑系统 （设在上弦杆处）,4）抗风作用,张弦结构的受力性能,抗风吸力（负压）作用,抗风震作用,缺点,1）上弦刚性受压构件,2.5.4张弦结

24、构的选型,上弦构件形式,结构跨度,撑杆间距,跨中弯矩,上弦构件截面积,上弦局部弯矩,上弦抗弯刚度,梁采用工形或箱型截面钢构件，或立体桁架,2）上弦失高和下弦垂度,张弦结构的选型,垂跨比,高跨比,梁弯矩、轴力、索的应力,结构的变形,3）撑杆数目,张弦结构的选型,撑杆数量,上弦内力均匀、弯矩小,施工复杂、撑杆材料用量增加,2.5.5工程实例,北京北站拱形平面张弦结构,北京农展馆,上海世博会主题馆,主馆,90,2.6.1无斜腹杆屋架,无斜腹杆屋架的特点是没有斜腹杆，结构造型简单，便于制作。这种屋架的综合技术经济指标较好。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。,2.6桁架结构的其他形式,91,2.6.1 无斜腹杆屋架,