结构体系篇桁架结构讲义

第二篇结构体系篇第六章桁架结构第一节概述桁架结构是由直杆在端部相互连接而成的以抗弯为主的格构式结构。（桁架是由直线形杆件组成三角形区格集合形成的一种平面结构单元。）桁架一般由上弦杆、腹杆（竖杆和斜腹杆）组成。桁架结构受力合理，计算简单，施工方便，适应性强，对支座没有横向推力，因此在工程中得到广泛的应用。在房屋建筑中，桁架常用作为为屋盖承重结构，称为屋架。目前在工业厂房结构中常见的屋架就是典型的桁架。如今，桁架结构已经有多种多样的形式，不局限于屋架，在一些大跨度结构、高层建筑、桥梁中都有非常广泛的应用。屋架的主要缺点是结构高度大，侧向刚度小。结构高度大，增加了屋面及围护墙的用料，同时也增加了采暖，通风，采光等设备的负荷，并给音响控制带来困难。侧向刚度小，对于钢屋架特别明显，受压的上弦平面外稳定性差，也难以抵抗房屋纵向的侧向力，需要设置支撑。一般房屋纵向的侧向力并不大，但支撑很多，都按构造（长细比）要求确定截面，故耗钢量不少但未能材尽其用。它在历史上出现很早，公元前500年罗马人就在多瑙河上修建了桁架桥梁；后来迅速成为普遍的结构形式应用于土木工程大跨度的结构中，在房屋建筑中尤其得到广泛推广。（一）、桁架结构的组成

桁架多应用于受弯构件，在外荷载的作用下，简支桁架所产生的弯矩图和剪力图都与简支梁式的情况相似。但桁架结构具有与简支梁完全不同的受力性能。简支梁在竖向均布荷载作用下，沿梁轴线的弯矩和剪力的分布和截面内的正应力和剪应力的分布都极不均匀。桁架的上弦受压、下弦受拉，由此形成力偶来平衡外荷载所产生的弯矩。外荷载所产生的剪力则是由斜腹杆轴力中的竖向分量来平衡。桁架各杆件单元（上弦杆、下弦杆、斜腹杆、竖杆）均为轴向受拉或轴向受压构件，使材料的强度可以得到充分的发挥。第二节桁架的特点和形式（二）、桁架结构计算的假定1、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，这一平面称为桁架的中心平面；2、桁架的杆件与杆件相连接的节点均为铰接节点；3、所有外力（荷载和支座反力）都作用在桁架的中心平面内，并集中作用于节点上。（三）、桁架结构的内力分析矩形桁架、三角形桁架和折线形桁架内力1、矩形桁架1）弦杆：矩形桁架高度相等，下弦各节间的内力随外荷载产生的总弯矩而变化，跨中节间轴力大、靠近支座处轴力较小或为零，下弦内力变化较大。2）腹杆：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。2）三角形桁架上、下弦杆内力在跨中节间最小，在靠近支座处最大。因高度变化速度大于剪力变化速度，故斜腹杆和竖腹杆的受力都是跨中大，支座处小。3））折折线线形形桁桁架架高度度呈呈抛抛物物线线型型的的桁桁架架是是最最理理想想的的桁桁架架形形式式。。上弦弦曲曲线线做做成成圆圆形形使使屋屋架架外外形形与与抛抛物物线线弯弯矩矩图图接接近近，，为为便便于于制制作作，，常常将将桁桁架架上上弦弦各各节节点点与与弯弯矩矩图图重重合合，，而而在在各各节节点点之之间间取取直直线线，，成成为为折折线线形形桁桁架架。。这这时时，，上上、、下下弦弦杆杆内内各各节节间间轴轴力力基基本本相相等等。。（斜斜））腹腹杆杆内内力力全全部部为为零零。。二、、屋屋架架结结构构的的型型式式按材材料料分分：：木木屋屋架架、、钢钢-木木组组合合屋屋架架、、钢钢屋屋架架、、轻轻型型钢钢屋屋架架、、钢钢筋筋混混凝凝土土屋屋架架、、预预应应力力混混凝凝土土屋屋架架、、钢钢筋筋混混凝凝土土——钢钢组组合合屋屋架架等等。。按屋屋架架外外形形分分：：三三角角形形、、梯梯形形、、抛抛物物线线、、折折线线形形、、平平行行弦弦等等。。按结结构构受受力力特特点点及及材材料料性性能能分分：：桥桥式式屋屋架架、、无无斜斜腹腹杆杆屋屋架架或或刚刚接接桁桁架架、、立立体体桁桁架架等等。。按几几何何组组成成方方式式可可以以分分：：简简单单桁桁架架、、联联合合桁桁架架（（由由几几个个简简单单桁桁架架按按几几何何不不变变体体系系的的简简单单组组成成规规则则联联合合组组成成））和和复复杂杂桁桁架架（（不不同同于于前前两两种种的的其其他他静静定定桁桁架架））。。按是是否否存存在在水水平平推推力力分分：：无无推推力力的的梁梁式式桁桁架架（（与与相相应应的的实实体体梁梁结结构构比比较较，，掏掏空空率率大大，，上上下下弦弦杆杆联联合合抗抗弯弯，，腹腹杆杆主主要要抗抗剪剪，，受受力力合合理理，，用用材材经经济济））和和有有推推力力的的拱拱式式桁桁架架（（拱拱圈圈与与拱拱上上结结构构联联为为一一体体，，整整体体性性好好，，便便于于施施工工，，跨跨越越能能力力强强，，节节省省钢钢材材））。。（一一））木木屋屋架架常用用的的木木屋屋架架是是方方木木或或原原木木齿齿连连接接的的豪豪式式木木屋屋架架。。分分为为三三角角形形和和梯梯形形（（如如上上图图））。。大大都都在在工工地地手手工工制制作作。。豪式式木木屋屋架架的的节节间间长长度度2~3m，，一一般般为为4~8节节间间，，适适用用跨跨度度为为12~18m，，高高跨跨比比宜宜在在1/5~1/4之之间间。。当当屋屋架架跨跨度度不不大大时时，，上上弦弦可可用用整整根根木木料料。。三角角形形屋屋架架适适用用于于跨跨度度在在18m以以内内（（取取12m））的的建建筑筑。。坡坡度度大大，，适适用用于于屋屋面面材材料料为为粘粘土土瓦瓦，，水水泥泥瓦瓦及及小小青青瓦瓦等等要要求求排排水水坡坡度度较较大大的的情情况况。。梯形形屋屋架架受受力力性性能能比比三三角角形形屋屋架架合合理理，，可可用用于于跨跨度度较较大大房房屋屋适适用用跨跨度度为为12~18m。。（二二））钢钢-木木组组合合屋屋架架形式式：：（（1））豪豪式式、、（（2））芬芬克克式式、、（（3））梯梯形形、、（（4））下下折折式式。。由于于不不易易取取得得符符合合下下弦弦材材质质标标准准的的上上等等木木材材，，特特别别是是原原木木和和方方木木干干燥燥较较慢慢，，干干裂裂缝缝对对下下弦弦不不利利，，采采用用钢钢拉拉杆杆作作为为屋屋架架的的下下弦弦，，每每平平方方米米建建筑筑面面积积的的用用钢钢量量增增加加2~4kg，，但但显显著著提提高高了了结结构构的的可可靠靠性性和和屋屋架架刚刚度度。。（三三））钢钢屋屋架架三角角形形屋屋架架：：用于于屋屋面面坡坡度度较较大大的的屋屋盖盖结结构构中中。。内内力力变变化化较较大大，，弦弦杆杆内内力力在在支支座座处处最最大大，，在在跨跨中中最最小小，，材材料料强强度度不不能能充充分分发发挥挥作作用用。。一一般般用用于于中中小小跨跨度度的的轻轻屋屋盖盖结结构构。。芬克式式屋架架，腹腹杆受受力合合理，，长杆杆受拉拉，短短杆受受压，，可分分为两两榀小小屋架架制作作，现现场安安装，，施工工方便便。梯形屋屋架用于屋屋面坡坡度较较小的的屋盖盖中，，受力力性能能比三三角形形屋架架优越越，适适用于于较大大跨度度或荷荷载的的工业业厂房房。用于无无檩体体系屋屋盖，，屋面面材料料大多多用大大型屋屋面板板。（四））轻型型钢屋屋架屋架的的上弦弦一般般用小小角钢钢、下下弦和和腹杆杆用小小角钢钢或圆圆钢。。适用于于：跨跨度<=18m，柱柱距4~6m，，设置置有起起重量量<=50KN的中中、轻轻级工工作制制桥式式吊车车的工工业建建筑和和跨度度<=18m的的民用用房屋屋的屋屋盖结结构。。结构型型式：：三角角形、、三铰铰拱和和梭形形屋架架。常用：：三角角形屋屋架。。三角形形、三三铰拱拱屋架架适用用于斜斜坡屋屋面，，屋面面坡度度通常常取1/2~1/3，梭梭形屋屋架的的屋面面坡度度较平平坦，，通常常取1/12~1/8。。（五））混凝凝土屋屋架1、梯梯形屋屋架常见形形式有有：梯梯形、、折线线形、、拱形形、无无斜腹腹杆屋屋架等等。根据是是否对对屋架架下弦弦施加加预应应力，，分为为：钢钢筋混混凝土土屋架架和预预应力力混凝凝土屋屋架，，前者者适用用跨度度为15~24m，，后者者适用用跨度度为18~36m或或更大大。上弦为为直线线，屋屋面坡坡度为为1/10~1/12，，适用用于卷卷材防防水屋屋面。。上弦弦节间间为3m，，下弦弦节间间为6m，，矢高高与跨跨度之之比为为1/6~1/8，，屋架架端部部高度度为1.8~2.2m。。梯形形屋架架自重重较大大，刚刚度好好。适适用于于重型型、高高温及及采用用井式式或横横向天天窗的的厂房房。2、折折线形形屋架架外形较较合理理，结结构自自重较较轻，，屋面面坡度度为1/3~1/4，适适用于于非卷卷材防防水屋屋面的的中型型厂房房或大大中型型厂房房。屋面坡坡度平平缓，，适用用于卷卷材防防水屋屋面的的中型型厂房房，为为改善善屋架架端部部的屋屋面坡坡度，，减少少油毡毡下滑滑，一一般可可在端端部增增加两两个杆杆件，，使整整个屋屋面的的坡度度较为为均匀匀。3、拱拱形屋屋架上弦为为曲线线形，，采用用抛物物线形形，为为制作作方便便，可可采用用折线线形，，但折折线的的节点点应落落在抛抛物线线上。。屋架外外形合合理，，杆件件内力力均匀匀，自自重轻轻，经经济指指标良良好，，但屋屋架端端部屋屋面坡坡度太太陡，，可在在上弦弦上不不加设设短柱柱，矢矢高比比为1/6~1/8。（六））钢筋筋混凝凝土-钢组组合屋屋架1、折折线形形屋架架折线形形屋架架上弦弦及受受压腹腹杆为为钢筋筋混凝凝土，，下弦弦及受受拉腹腹杆为为角钢钢，充充分发发挥了了两种种不同同材料料的力力学性性能，，自重重轻、、材料料省、、技术术经济济指标标较好好，适适用于于跨度度为12~18m的的中小小型厂厂房。。2、两两铰或或三铰铰组合合屋架架上弦为为钢筋筋混凝凝土或或预应应力混混凝土土构件件，下下弦为为型钢钢或钢钢筋，，顶接接点为为刚接接或铰铰接（（三铰铰组合合屋架架）。。屋架架杆件件少，，自重重轻，，受力力明确确，构构造简简单，，施工工方便便，适适用于于农村村地区区的中中小型型建筑筑。三、屋屋架结结构的的选型型与布布置（一））屋架架结构构的主主要尺尺寸1、矢矢高矢高大大，弦弦杆受受力小小，但但腹杆杆长、、长细细比大大、易易压曲曲，用用料反反而会会增多多。矢高小小，弦弦杆受受力大大，截截面大大、且且屋架架刚度度小，，变形形大。。因此，，矢高高不宜宜过大大和过过小，，一般般取1/10~1/5。。2、坡坡度当采用用瓦类类屋面面时，，屋架架上弦弦坡度度应大大些，，一般般不小小于1/3；当采用用大型型屋面面板并并做卷卷材防防水时时，屋屋面坡坡度可可平缓缓些，，一般般为1/8~1/12。。3、节节间长长度上弦受受压，，节间间长度度应小小些，，下弦弦受拉拉，节节间长长度可可大些些。屋屋面荷荷载应应直接接作用用在节节点上上，以以优化化杆件件的受受力状状态。。为减少少屋架架制作作工作作量，，减少少杆件件与节节点数数目，，节间间长度度可取取大些些，一一般为为1.5~4m。（二））屋架架结构构的选选型1、屋屋架结结构的的受力力抛物线线状的的拱式式结构构：受受力最最为合合理，，但施施工复复杂。。折线形形屋架架：与与弯矩矩图最最接近近，力力学性性能良良好。。梯形屋屋架：：力学学性能能较好好，上上下弦弦均为为直线线施工工方便便，在在大中中跨建建筑中中被广广泛应应用。。三角形形屋架架：力力学性性能较较差，，适用用于中中小跨跨度。。矩形屋屋架：：力学学性能能较差差，用用作托托架或或荷载载较特特殊情情况下下使用用。2、屋屋面防防水构构造三角形形、陡陡坡梯梯形屋屋架：：屋面面材料料采用用粘土土瓦、、机制制平瓦瓦或水水泥瓦瓦。拱形、、折线线形屋屋架：：采用用卷材材防水水、金金属薄薄板材材料。。3、材材料耐耐久性性木材、、钢材材：易易腐蚀蚀，维维修费费用高高，不不宜用用于有有侵蚀蚀性的的工业业厂房房和通通风不不良的的建筑筑。预应力力混凝凝土屋屋架：：提高高屋架架下弦弦的抗抗裂性性，防防止钢钢筋腐腐蚀。。4、跨跨度18m以下下：钢钢筋混混凝土土———钢组组合屋屋架，，构造造简单单、施施工方方便、、技术术经济济指标标较好好。36m以下下：预预应力力混凝凝土屋屋架，，节省省钢材材，有有效控控制裂裂缝宽宽度和和挠度度。36m以上上（大大跨度度或振振动荷荷载较较大））：钢钢屋架架，结结构自自重轻轻，提提高结结构的的耐久久性和和可靠靠性。。（三））屋架架结构构的布布置1、屋屋架的的跨度度一般以以3m为模模数。。我国制制订了了相应应的标标准图图集可可拱查查用。。2、屋屋架的的间距距等间距距平行行排列列，与与房屋屋纵向向柱列列的间间距一一致，，屋架架直接接搁置置在柱柱顶。。常见见的有有：6m、、7.5m、9m、、12m等等。3、屋屋架的的支座座支座标标高由由建筑筑外形形的要要求确确定，，在同同层中中屋架架的支支座取取同一一标高高。在力学学上可可简化化为铰铰接支支座。。当跨度度较小小时，，把屋屋架直直接搁搁置在在墙、、柱或或圈梁梁上；；跨度度较大大时，，应采采取专专门的的构造造措施施。（四））屋架架结构构的支支撑包括：：屋架架之间间的垂垂直支支撑、、水平平系杆杆、设设置在在上、、下弦弦平面面内的的横向向支撑撑、下下弦平平面内内的纵纵向水水平支支撑。。作用：：保证证屋架架在使使用和和安装装时的的侧向向稳定定性，，增强强屋盖盖的整整体刚刚度，，增强强排架架的空空间工工作性性能。。四、桁桁架结结构的的其他他型式式（一））、立立体桁桁架（（空间间桁架架）平面屋屋架在在平面面内受受力性性能好好，但但平面面外刚刚度很很小。。为保保证结结构的的整体体性，，必须须要设设置各各类支支撑，，支撑撑结构构的布布置要要消耗耗许多多材料料，且且以长长细比比来控控制，，材料料强度度得不不到充充分发发挥。。立体桁桁架可可以避避免以以上缺缺点。。1、概概念立体桁桁架：：由两两榀平平面桁桁架相相隔一一定的的距离离以连连接杆杆件将将两榀榀平面面桁架架成90度度或45度度夹角角。立体桁桁架的的截面面形式式可为为矩形形、正正三角角形、、倒三三角形形。相比矩矩形截截面，，三角角形截截面立立体桁桁架可可减少少连接接杆件件。当当跨度度较大大时，，上弦弦压力力大，，截面面大，，可把把上弦弦一分分为二二，构构成倒倒三角角形立立体桁桁架；；当跨跨度较较小时时，上上弦截截面不不大，，宜把把下弦弦一分分为二二，构构成正正三角角形立立体桁桁架。。梭形架架：两两根下下弦在在支座座节点点汇交交于一一点，，形成成两端端尖的的梭子子状。。立体桁桁架特特点：：优点：具有有较大大的平平面外外刚度度，有有利于于吊装装和使使用，，节省省用于于支撑撑的钢钢材；；缺点：三角角形截截面立立体桁桁架杆杆长计计算繁繁琐，，杆件的的空间间角度度非整整数，，节点点构造造复杂杂，焊缝要要求高高，制制作复复杂。。（二））、刚刚接桁桁架1、概概念桁架结结构杆杆件的的连接接节点点均简简化为为铰节节点，，可简简化计计算，，也符符合结结构的的实际际受力力情况况。但有时时由于于桁架架使用用功能能上的的要求求，或或建筑筑造型型上的的要求求，桁桁架没没有斜斜腹杆杆，仅仅有竖竖腹杆杆。这这时若若把桁桁架节节点简简化为为铰节节点，，则整整个结结构就就成为为一个个几何何可变变的机机构，，必须须采用用刚接接桁架架。2、工工程实实例———上上海大大剧院院位于上上海市市中心心人民民广场场西北北侧。。工程程用地地面积积21644m2，占地地面积积11530m2，总建建筑面面积62800m2，地下下两层层，地地上6层，，高度度为40m。法法国建建筑师师中标标。方案中中最引引人注注目的的是呈呈反拱拱的月月牙形形屋盖盖，纵纵向长长100.4m，横横向宽宽94m，，纵向向悬挑挑26m，，横向向悬挑挑30.9m，，反拱拱圆弧弧半径径R=93m，，拱高高11.5m。。屋盖体体系采采用交交叉刚刚接钢钢桁架架结构构。纵向为为两榀榀主桁桁架和和两榀榀次桁桁架，，在每榀榀主桁桁架下下各设设三个个由电电梯井筒壁壁形成成的薄薄壁柱柱，作作为整整个屋架结结构的的支座座，次次桁架架仅起起到保证屋屋盖整整体性性的作作用。。反拱的的月牙牙形屋屋盖内内有两两层，，局部部为三三层，，作为为设备备层和和观光光餐厅厅等，，既是是覆盖盖整个个大剧剧院下下部结结构的的屋顶顶，又又是上上部屋屋顶结结构的的承重重结构构，发发挥双双重功功能。。屋盖盖结构构复杂杂，内内力较较大，，采用用刚接接桁架架结构构较为为合理理，以以保证证屋盖盖结构构的整整体刚刚度和和承载载能力力。月牙形形屋架架采用用无斜斜腹杆杆屋架架，既既可满满足建建筑对对钢屋屋盖内内部纵纵向交交通的的要求求，又又使杆杆件总总数减减少，，节点点构造造简便便。受受力性性能好好，具具有很很大的的抗扭扭刚度度和双双向抗抗弯刚刚度，，整体体稳定定性墙墙，可可省去去大量量支撑撑。第三节节桁桁架结结构的的选型型和应应用桁架结构构的选型型应考虑虑建筑的的用途、、建筑造造型、屋屋面防水水构造、、屋架的的跨度、、结构材材料的供供应、施施工技术术等因素素以及各各种桁架架的特点点以及适适用范围围。桁架架结构应应该做到到受力合合理、技技术先进进、经济济适用。。应用：民民用建筑筑、工业业建筑、、公用建建筑、娱娱乐设施施、施工工设备、、公路桥桥梁，几几乎涵盖盖了土木木工程所所有领域域。一般般常见的的桁架结结构有排排架结构构、船舶舶海洋平平台、高高层建筑筑和桁架架桥等。。1、排架架结构排架结构构一般指指由屋架架和柱组组成的结结构体系系，常用用于单层层工业厂厂房，比比起刚架架结构，，更适合合于有大大跨度要要求的工工业建筑筑。排架架常见的的形式有有单跨排排架、多多跨排架架、等高高排架、、不等高高排架和和锯齿形形排架。。2、高层层建筑作为建筑筑结构的的主要承承载结构构，即用用桁架或或密封空空间桁架架代替结结构中柱柱和梁，，既有框框架的作作用，同同时其斜斜腹杆还还为结构构提供支支撑作用用，保证证高层结结构的抗抗侧能力力，一般般应用在在高层（（超高层层）建筑筑中；作为高层层建筑结结构的加加强层或或转换层层。3、公共共建筑及及娱乐设设施公共建筑筑一般指指商场、、展览会会议中心心、体育育中心、、车站、、航站楼楼等。由于桁架架合理的的力学行行为，因因此在公公共建筑筑，特别别是中、、大跨度度的公共共建筑中中常常会会广泛应应用。桁架结构构施工方方便，拼拼装简易易，施工工工期短短，也是是它成为为公共建建筑选用用结构的的原因之之一。天津奥林林匹克中中心体育育场武昌火车车站4、桁架架桥桁架桥指指的是以以桁架作作为上部部结构主主要承重重构件的的桥梁。。桁架桥一一般由主主桥梁、、上下水水平纵向向联结系系、桥门门架和中中间横撑撑架以及及桥面系系组成。。在桁架中中，弦杆杆是组成成桁架外外围的杆杆件，包包括上弦弦杆和下下弦杆，，连接上上、下弦弦杆的杆杆件叫腹腹杆，按按腹杆方方向的不不同又区区分为斜斜杆和竖竖杆。弦弦杆与腹腹杆所在在的平面面就叫主主桁平面面。大跨度桥桥架的桥桥高沿跨跨径方向向变化，，形成曲曲弦桁架架；中、、小跨度度采用不不变的桁桁高，即即所谓平平弦桁架架或直弦弦桁架。。桁架结构构可以形形成梁式式桥、拱拱式桥，，也可以以作为缆缆索支撑撑体系桥桥梁的主主梁（或或加劲梁梁）。苏格兰福福斯海湾湾桥5、海洋洋平台海洋平台台是为在在海上进进行钻井井、采油油、集运运、观测测、导航航、施工工等活动动提供生生产和生生活设施施的构筑筑物。海海洋平台台一般采采用刚架架、框架架结构，，也有使使用桁架架结构。。6、设备备在建筑工工程现场场，脚手手架，施施工电梯梯笼、塔塔吊的主主塔，都都可以看看成是桁桁架结构构。很多重型型机器的的承重部部分也都都会采用用桁架结结构。第四节桁桁架架结构的的典型案案例天津奥林林匹克中中心体育育场南京奥林林匹克体体育中心心体育馆馆9、静夜四无邻邻，荒居旧业业贫。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨中黄叶树树，灯下白头头人。。21:51:2421:51:2421:5112/28/20229:51:24PM11、以我独独沈久，，愧君相相见频。。。12月-2221:51:2421:51Dec-2228-Dec-2212、故人人江海海别，，几度度隔山山川。。。21:51:2421:51:2421:51Wednesday,December28,202213、乍见翻疑梦梦，相悲各问问年。。12月-2212月-2221:51:2421:51:24December28,202214、他乡乡生白白发，，旧国国见青青山。。。28十十二二月20229:51:24下下午21:51:2412月月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月229:51下下午午12月月-2221:51December28,202216、行动出出成果，，工作出出财富。。。2022/12/2821:51:2421:51:2428December202217、做前，能够够环视四周；；做时，你只只能或者最好好沿着以脚为为起点的射线线向前。。9:51:24下午9:51下下午21:51:2412月-229、没有失败败，只有暂暂时停止成成功！。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。21:51:2521:51:2521:5112/28/20229:51:25PM11、成功功就是是日复复一日日那一一点点点小小小努力力的积积累。。。12月月-2221:51:2521:51Dec-2228-De