建筑结构选型-桁架结构

1、1 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五节 张弦结构第六节 桁架结构的其他应用型式 第四节 立体桁架2 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。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。4 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)

2、都在同一平面内。桁架结构计算的假定5 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。6 2.1 桁架结构的受力特点鲁班锁7 2.1 桁架结构的受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。8 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零9 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

3、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。-x10 2.1 桁架结构的受力特点桁架结构的内力 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。-11 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。12 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。 对于三角形桁架,斜腹杆外倾受压,内倾受拉,而

4、竖腹杆则总是受拉。13三角形桁架 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14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15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16木屋架 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17钢-木组合屋架 采用钢拉杆作为屋架的下弦杆，消除接

5、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18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19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20钢屋架 2.2 屋架结构的型式21钢屋架 2.2 屋架结构的型式22混凝土屋架 2.2 屋架结构的型式23钢筋混凝土-钢组合屋架 上弦杆采用钢筋混凝土，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24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、长细比大、易压曲,用料反而会增多。矢高小,则弦杆受力大、截

6、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25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 屋架结构的选型及布置节间距26梯形桁架屋架结构的选型 2.3 屋架结构的选

7、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。27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 屋架结构的选型及布置受力28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

8、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29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30梯形桁架屋架结构的选型 跨度在18m以下时,可选用钢筋混凝土-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

9、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31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32梯形桁架屋架结构的支撑 包括设置在屋架之间的垂直支

10、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33 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。 34 2.4 立体桁架35

11、2.4 立体桁架36 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 张弦结构张弦结构的上弦刚性构件可以是梁、拱、立体桁架、网壳等多种

12、形式。柔性下弦是引入预应力的柔索，包括拉索、小直径圆钢拉杆、大直径钢棒等多种形式。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、运输、施工方便 平面张弦结构

13、 2.5.2 张弦结构的形式空间张弦结构2.5.2 张弦结构的形式（1）平面张弦梁结构是指其结构构件位于同一平面内，且以平面内受力为主的张弦梁结构。平面张弦梁结构根据上弦构件的形状可以分为三种基本形式：直线型张弦梁、拱形张弦梁、人字型张弦梁结构。p34直梁型张弦梁结构主要用于楼板结构和小坡度屋面结构，拱形张弦梁结构充分发挥了上弦拱得受力优势适用于大跨度的屋盖结构，人字型张弦梁结构适用于跨度较小的双坡屋盖结构。 2.5.2 张弦结构的形式（2）空间张弦梁结构是以平面张弦梁结构为基本组成单元，通过不同形式的空间布置所形成的张弦梁结构。空间张弦梁结构主要有单向张弦梁结构、双向张弦梁结构、多向张弦梁结

14、构、辐射式张弦梁结构。p34 单向张弦梁结构由于设置了纵向支撑索形成的空间受力体系，保证了平面外的稳定性，适用于矩形平面的屋盖结构。双向张弦梁结构由于交叉平面张弦梁相互提供弹性支撑，形成了纵横向的空间受力体系，该结构适用于矩形、圆形、椭圆形等多种平面屋盖结构。多向张弦梁结构是平面张弦梁结构沿多个方向交叉布置而成的空间受力体系，该结构形式适用于圆形和多边形平面的屋盖结构。辐射式张弦梁结构是由中央按辐射状放置上弦梁，梁下设置撑杆用环向索而连接形成的空间受力体系，适用于圆形平面或椭圆形平面的屋盖结构。2.5.2 张弦结构的形式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

15、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

16、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张弦结构的实例上海世博会主题馆p37-38主题馆建设和设计的三大亮点(一)双向大跨度亚洲最大、大跨度双弦张拉桁架国内最大西展厅南北跨180米，东西跨126米，为矩形超大跨度无柱空间，相当于3个标准足球场大小。2.5万平方米、14米净高的无柱空间，既符合了世博会的布展要求，也有利于世博会后举办各类展览和活动。西展厅屋面采用了张拉弦桁架结构，共9榀，跨度为126米，间距18米，上弦为三角管桁架，下弦索采用两根高强钢丝束索。如此大跨度的双弦张拉

17、桁架，目前在国内最大。(二)单体太阳能屋面国内最大主题馆屋面大面积铺设太阳能板,采用并网发电运行方式，将太阳能发电传回城市电网中。太阳能总发电量2.57兆瓦，为目前国内最大的单体面积太阳能屋面。太阳能板面积达3万平方米，年发电量可达250万度，每年减少CO2排放量约2500吨。(三)生态绿墙世界最大主题馆东西立面设置垂直生态绿化墙面，面积达5000平方米，为目前世界最大的待建生态墙(日本爱知世博会生态墙面积约2500平方米)。利用绿化隔热外墙在夏季阻隔辐射，并使外墙表面附近的空气温度降低，降低传导;同时在冬季既不影响墙面得到太阳辐射热，同时形成保温层，使风速降低，延长外墙的使用寿命。主馆63 2.6 桁架结构的其他应用形式1.刚接桁架结构（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