1、桁架結(jié)構(gòu)體系在本小節(jié)中我們要給大家介紹桁架結(jié)構(gòu)體系的組成、優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍；桁架結(jié)構(gòu)體系的合理布置原則及及受力特點(diǎn)。桁架結(jié)構(gòu)組成:一般由豎桿，水平桿和斜桿組成(圖1-23)。圖123桁架結(jié)構(gòu)在房屋建筑中，桁架常用來作為屋蓋承重結(jié)構(gòu)，這時常稱為屋架。用于屋蓋的桁架體系有兩類：(1) 平面桁架，用于平面屋架；(2) 空間桁架，用于空間網(wǎng)架。這兩類桁架的共同特點(diǎn)是它們都由一系列只受同向拉力或壓力的桿件連接而成。作為桁架結(jié)構(gòu)的整體來說，它們在荷載作用下受彎、受剪；但作為桁架結(jié)構(gòu)中的桿件來說，只承受軸向力，不承受彎矩、剪力和扭矩。桁架結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是，把整體受彎轉(zhuǎn)化為局部構(gòu)件的受壓或受拉，從而有效地發(fā)揮

2、出材料的潛力并增大結(jié)構(gòu)的跨度。桁架結(jié)構(gòu)受力合理、計算簡單、施工方便、適應(yīng)性強(qiáng)，對支座沒有橫向推力，因而在結(jié)構(gòu)工程中得到了廣泛的應(yīng)用。屋架的主要缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)高度大，側(cè)向剛度小。結(jié)構(gòu)高度大，增加了屋面及圍護(hù)墻的用料，同時也增加了采暖、通風(fēng)、采光等設(shè)備的負(fù)荷，并給音響控制帶來困難。側(cè)向剛度小，對于鋼屋架特別明顯，受壓的上弦平面外穩(wěn)定性差，也難以抵抗房屋縱向的側(cè)向力，這就需要設(shè)置支撐。桁架是較大跨度建筑的屋蓋中常用的結(jié)構(gòu)型式之一。在一般情況下，當(dāng)房屋的跨度大于18m時，屋蓋結(jié)構(gòu)采用桁架比梁經(jīng)濟(jì)。屋架按其所采用的材料區(qū)分，有鋼屋架、木屋架、鋼木屋架和鋼筋混凝土屋架等。鋼筋混凝土屋架當(dāng)其下弦采用預(yù)應(yīng)力鋼筋時

3、，稱為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土屋架。目前，我國預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土屋架的跨度已做到60多米，鋼屋架的跨度已做到70多米。一、桁架結(jié)構(gòu)的型式與受力特點(diǎn)屋架結(jié)構(gòu)的型式很多：（1）按屋架外形的不同，有三角形屋架、梯形屋架、拋物線屋架、折線型屋架、平行弦屋架等。（2）根據(jù)結(jié)構(gòu)受力的特點(diǎn)及材料性能的不同，也可采用橋式屋架、無斜腹桿屋架或剛接桁架、立體桁架等。我國常用的屋架有三角形、矩形、梯形、拱形和無斜腹桿屋架等多種型式，見圖1-24。nu忖fl£汕nnnnc/>圖1-24常用的屋架型式（a）三角形屋架（b）平行弦屋架（矩形）（c）梯形屋架（再分式）（d）拱形屋架（e）下?lián)问轿菁埽╢）無斜腹桿屋架盡

4、管桁架結(jié)構(gòu)中以軸力為主，其構(gòu)件的受力狀態(tài)比梁的結(jié)構(gòu)合理，但在桁架結(jié)構(gòu)各桿件單元中，內(nèi)力的分布是不均勻的。屋架的幾何形狀有矩形的（即平行弦屋架）、三角形、梯形、折線形的和拋物線形的等等。它們的內(nèi)力分布隨形狀的不同而變化。在一般情況下，屋架的主要荷載類型是均勻分布的結(jié)點(diǎn)荷載。我們首先分析在結(jié)點(diǎn)荷載作用下平行弦屋架的內(nèi)力分布特點(diǎn)，見圖1-25。然后，引伸至其它形式的屋架。從圖1-25中可以得出如下結(jié)論：（1）弦桿軸力:上弦受壓，下弦受拉，其軸力由力矩平衡方程式得出（矩心取在屋架結(jié)點(diǎn)）。N=±M（1-1）式中：（負(fù)值表示上弦受壓，正值表示下弦受拉）M0簡支梁相應(yīng)于屋架各結(jié)點(diǎn)處的截面彎矩;h一

5、屋架高度。圖1-25桁架內(nèi)力計算從上式可以看出，上下弦的軸力N與Mo成正比，與h成反比。由于屋架的高度h值不變,而Mo愈接近屋架兩端愈小，所以中間弦桿軸力大，愈向兩端弦桿軸力愈小。（2）腹桿內(nèi)力屋架內(nèi)部的桿件稱為腹桿，包括豎桿與斜桿。腹桿的內(nèi)力可以根據(jù)隔離體的平衡法則,由力的豎向投影方程求得：Y=±Vo(1-2)式中，丫一斜桿的豎向分力和豎桿的軸力；Vo簡支梁相應(yīng)于屋架節(jié)間的剪力。從圖1-26可以看出，Vo值在跨中小兩端大，所以相應(yīng)的腹桿內(nèi)力也是中間桿件小而兩端桿件大，其內(nèi)力圖見圖1-26。以上的分析可以看出：從整體來看，屋架相當(dāng)于一個受彎構(gòu)件，弦桿承受彎矩，腹桿承受剪力，而從局部來

6、看，屋架的每個桿件只承受軸力(拉力或壓力)。用同樣的方法可以分析三角形和拋物線形屋架的內(nèi)力分布情況，見圖1-36b、c所示。由于這兩種屋架上弦結(jié)點(diǎn)的高度中間大，愈向兩端愈小，所以，雖然上弦仍受壓下弦仍受拉，但是內(nèi)力大小的分布是各不相同的。從圖1-26可以看出，屋架桿件內(nèi)力與其形式有著密切的關(guān)系。(1) 平行弦屋架內(nèi)力是不均勻的，弦桿內(nèi)力由兩端向跨度中間增大，腹桿內(nèi)力由中間向兩端增大；(2) 三角形屋架內(nèi)力分布也是不均勻的，弦桿的內(nèi)力由中間向兩端增大，腹桿內(nèi)力由兩端向中間增大;4.SO圖126不同形式的桁架及內(nèi)力圖(3) 拋物線屋架的內(nèi)力分布比較均勻，從受力角度看，它是比較好的屋架形式，因為它的

7、形狀與同跨度同荷載簡支梁的彎矩圖形相似，也就是說，其形狀符合內(nèi)力變化的規(guī)律。(1)屋架結(jié)構(gòu)的選型屋架型式的選擇一般與下列因素有關(guān)：(1) 建筑物的使用要求(2) 跨度和荷載大小(3) 材料供應(yīng)(4) 施工技術(shù)水平選擇屋架型式的一般原則是適用、經(jīng)濟(jì)、美觀和制造簡單。a. 屋架結(jié)構(gòu)的受力從結(jié)構(gòu)受力來看，拋物線狀的拱式結(jié)構(gòu)受力最為合理。但拱式結(jié)構(gòu)上弦為曲線，施工復(fù)雜。折線型屋架，與拋物線彎矩圖最為接近，故力學(xué)性能良好。梯形屋架，因其既具有較好的力學(xué)性能，上下弦均為直線施工方便，故在大中跨建筑中被廣泛應(yīng)用。三角形屋架與矩形屋架力學(xué)性能較差。三角形屋架一般僅適用于中小跨度，矩形屋架常用作托架或荷載較特殊

8、情況下使用。b. 屋面防水構(gòu)造屋面防水構(gòu)造決定了屋面排水坡度，進(jìn)而決定屋蓋的建筑造型。一般來說，當(dāng)屋面防水材料采用粘土瓦、機(jī)制平瓦或水泥瓦時，應(yīng)選用三角形屋架、陡坡梯形屋架。當(dāng)屋面防水采用卷材防水、金屬薄板防水時，應(yīng)選用拱形屋架、折線形屋架和緩坡梯形屋架。c. 材料的耐久性及使用環(huán)境木材及鋼材均易腐蝕，維修費(fèi)用較高。因此，對于相對濕度較大而又通風(fēng)不良的建筑，或有侵蝕性介質(zhì)的工業(yè)廠房，不宜選用木屋架和鋼屋架，宜選用預(yù)應(yīng)力混凝土屋架，可提高屋架下弦的抗裂性，防止鋼筋腐蝕。d. 屋架結(jié)構(gòu)的跨度跨度在18m以下時，可選用鋼筋混凝土一鋼組合屋架；這種屋架構(gòu)造簡單、施工吊裝方便，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好。跨度在3

9、6m以下時，宜選用預(yù)應(yīng)力混凝土屋架，既可節(jié)省鋼材，又可有效地控制裂縫寬度和撓度。對于跨度在36m以上的大跨度建筑或受到較大振動荷載作用的屋架，宜選用鋼屋架，以減輕結(jié)構(gòu)自重，提高結(jié)構(gòu)的耐久性與可靠性。(2)屋架結(jié)構(gòu)的基本尺寸屋架結(jié)構(gòu)的基本尺寸包括屋架的矢高、坡度、節(jié)間長度。a.矢高屋架矢高主要由結(jié)構(gòu)剛度條件確定，屋架的矢高直接影響結(jié)構(gòu)的剛度與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。矢高大、弦桿受力小，但腹桿長、長細(xì)比大、易壓曲，用料反而會增多。矢高小，則弦桿受力大、截面大、且屋架剛度小、變形大。因此，矢高不宜過大也不宜過小。屋架的矢高也要根據(jù)屋架的結(jié)構(gòu)型式。一般矢高可取跨度的1/101/5。b. 坡度屋架上弦坡度的確定應(yīng)與屋

10、面防水構(gòu)造相適應(yīng)。當(dāng)采用瓦類屋面時，屋架上弦坡度應(yīng)大些，一般不小于1/3，以利于排水。當(dāng)采用大型屋面板并做卷材防水時，屋面坡度可平緩些，一般為1/81/12。c. 節(jié)間長度屋架節(jié)間長度的大小與屋架的結(jié)構(gòu)型式，材料及受荷條件有關(guān)。一般上弦受壓，節(jié)間長度應(yīng)小些，下弦受拉，節(jié)間長度可大些。屋面荷載應(yīng)直接作用在節(jié)點(diǎn)上，以優(yōu)化桿件的受力狀態(tài)。為減少屋架制作工作量，減少桿件與節(jié)點(diǎn)數(shù)目，節(jié)間長度可取大些。但節(jié)間桿長也不宜過大，一般為1.54m。屋架的寬度主要由上弦寬度決定。鋼筋混凝土屋架當(dāng)采用大型屋面板時，上弦寬度主考慮屋面板的搭接要求，一般不小于20cm?？缍容^大的屋架將產(chǎn)生較大的撓度。因此，制作時要采取

11、起拱的辦法抵消荷載作用下產(chǎn)生的撓度。跨度大于18m的三角形屋架和跨度大于24m的梯形屋架，起拱度一般為跨度1/500。(3) 屋架結(jié)構(gòu)的布置屋架結(jié)構(gòu)的布置，包括屋架結(jié)構(gòu)的跨度、間距、標(biāo)高等，主要考慮建筑外觀造型及建筑使用功能方面的要求來決定。對于矩形的建筑平面，一般采用等跨度、等間距、等標(biāo)高布置的同一種類的屋架，以簡化結(jié)構(gòu)構(gòu)造、方便結(jié)構(gòu)施工。為了構(gòu)造簡單，制作方便，屋架的弦桿通常設(shè)計成等截面的。所以確定屋架的形式時應(yīng)盡量使弦桿沿全長的內(nèi)力分布基本相同。如果各節(jié)間的內(nèi)力相差太大，容易造成材料的浪費(fèi)。屋架的腹桿布置要合理，盡量避免非結(jié)點(diǎn)荷載。并盡量使長腹桿受拉，短腹桿受壓，腹桿數(shù)目宜少，使結(jié)點(diǎn)匯集

12、的桿件少，構(gòu)造簡單。結(jié)點(diǎn)構(gòu)造要簡單合理。桿件的交角不宜太小，一般在250750之間。a.屋架的跨度屋架的跨度應(yīng)根據(jù)工藝使用和建筑要求確定，一般以3m為模數(shù)。對于常用屋架型式的常用跨度，我國都制訂了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)圖集可供查用，從而可加快設(shè)計及施工的進(jìn)度。對于矩形平面的建筑，一般可選用同一種型號的屋架，僅端部或變形縫兩側(cè)屋架中的預(yù)埋件稍有不同。對于非矩形平面的建筑，各根屋架的跨度就不可能一樣，這時應(yīng)盡量減少其類型以方便施工。b. 屋架的間距屋架一般宜等間距平行排列，與房屋縱向柱列的間距一致，屋架直接擱置在柱頂。間距的大小除考慮建筑平面柱網(wǎng)布置的要求外，還要考慮屋面結(jié)構(gòu)及吊頂構(gòu)造的經(jīng)濟(jì)合理性。屋架的間距

13、同時即為屋面板或檁條、吊頂龍骨的跨度，最常見的為6m,有時也有7.5m、9m、12m等。c. 屋架的支座屋架支座的標(biāo)高由建筑外形的要求確定，一般為在同層中屋架的支座取同一標(biāo)高。當(dāng)一根屋架兩端支座的標(biāo)高不一致時，要注意可能會對支座產(chǎn)生水平推力。屋架的支座形式，在力學(xué)上可簡化為鉸接支座。實(shí)際工程中，當(dāng)跨度較小時，一般把屋架直接擱置在墻、垛、柱或圈梁上。當(dāng)跨度較大時，則應(yīng)采取專門的構(gòu)造措施，以滿足屋架端部發(fā)生轉(zhuǎn)動的要求。(4) 屋架結(jié)構(gòu)的支撐屋架支撐的位置在有山墻時設(shè)在房屋兩端的第二開間內(nèi)，對無山墻(包括伸縮縫處)的房屋設(shè)在房屋兩端的第一開間內(nèi)；在房屋中間每隔一定距離(一般W60m)亦需設(shè)置一道支撐

14、，對于木屋架，距離為2030m。支撐體系包括上弦水平支撐、下弦水平支撐與垂直支撐，它們把上述開間相鄰的兩桁架連結(jié)成穩(wěn)定的整體。在下弦平面通過縱向系桿，與上述開間空間體系相連，以保證整個房屋的空間剛度和穩(wěn)定性。支撐的作用有三個：(1) 保證屋蓋的空間剛度與整體穩(wěn)定；(2) 抵抗并傳遞由屋蓋沿房屋縱向傳來的側(cè)向水平力，如山墻承受的風(fēng)力、縱向地震作用等；(3) 防止桁架上弦平面外的壓曲，減少平面外長細(xì)比，并防止桁架下弦平面外的振動。1.貝寧體育館位于貝寧科托努市的貝寧友誼體育場的多功能綜合體育館，如圖1-27所示。體育館可容納觀眾5000名，總建筑面積14015m2，屋蓋結(jié)構(gòu)考慮到當(dāng)?shù)氐氖┕l件及實(shí)際情況，采用梭形立體桁架，跨度為65.3m，高跨比為1/13，中間起拱1/330。上弦及腹桿采用Q235無縫鋼管，下弦用Q345無縫鋼管。圖1-27貝寧科托努市，貝寧體育館2.上海大劇院上海大劇院是由上海市人民政府投資的大型歌舞劇院，位于上海市中心人民廣場西北側(cè)。工程用地面積21644m2，占地面積11530m2，總建筑面積62800m2,地下兩層，地上6層，高度為40m。該工程通過國際招標(biāo)，法國建筑師以其“天地呼應(yīng)，中西合壁”的構(gòu)思，獨(dú)特的立面造