07-桁架

桁架（屋架）结构
国家大剧院，壳体外形是半个超级椭球体，其长轴长度为212.20m，短轴长度为143.64m，高度为46.285m。

其内部主要布置有一个容纳2416人的戏剧厅、一个容纳2017人的音乐厅、一个容纳1040人的剧场。

国家大剧院壳体钢结构主要由148榀沿椭球面均匀垂直布置的平面桁架、11840根水平布置的环向系杆、对称布置的四块平面斜撑及顶部结构组成，也就是说国家大剧院是以众多桁架组成的壳体结构。

壳体总用钢量约6760t，主要钢材材质为Q345D钢。

九江长江大桥，为钢桁架桥，铁路桥长7675m，公路桥长4460m，江中有桥墩10个，共架设11孔钢梁，最大跨度216m，居全国桥梁之首。

整个大桥设计新颖，造型优美，工艺独特，雄伟壮观。

我国第一次试验的15锰钡氮新钢种在这座桥上首先使用。

大桥墩顶到基础最低底面，相距64米，相当于一座22层高的楼房。

从钢梁拱顶到基础最低底面，高达132m，相当于一座45层的高楼。

芜湖长江大桥，钢桁架梁斜拉桥
各种材料屋架示例
第一节桁架结构的特点与优点
一、定义：由杆件与铰节点组成的格子式结构（格构）。

二、桁架结构的由来。

三、桁架结构的计算假定与特点：
（1）桁架的节点都是光滑的铰节点；
（2）各杆的轴线都是直线并通过铰的中心；
（3）荷载和支座反力都作用在节点上。

四、桁架结构的优点：
（1）扩大了粱式结构的适用跨度。

（2）桁架可用各种材料制造，如钢筋混凝土、钢材、木材均可。

（3）桁架是由杆件组成的，桁架体型可以多样的，如平行弦桁架、三角形桁架、梯形桁架、弧形桁架等型式。

（4）施工方便，桁架可以整体制造吊装，也可以在施工现场高空进行杆件拼装。

五、桁架结构的外形与内力的关系：
桁架是由杆件组成的格构体系，其节点一般假定为铰结点，当荷载作用在结点上时，桁架的杆件内力与桁架的外形有着密切的关系。

平行弦桁架的杆件内力是不均匀的，弦杆内力是两端小而向中间逐渐增大，腹杆内力是两端大而向中间逐渐减小。

三角形桁架的杆件内力也是不均匀的，弦杆内力是两端大而向中间逐渐减小，腹杆内力是两端小而向中间逐渐增大。

折线形桁架的杆件内力大致均匀，从力学角度看，它的形状与同跨度、同荷载的简支梁的弯矩图形相似，其形状符合受荷后的内力变化规律，所以它是结构上的较好形式。

第二节
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，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，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。

一、木屋架
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9～2l米，最经济跨度为9～l5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1.5～2.5米之间。

所以设计上常常是：
跨度6～9米时，采用四节间
跨度9～12米时，采用六节间
跨度12～15米时，采用八节间
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。

二、钢屋架
钢屋架的典型型式是芬克式屋架。

这种屋架型式适用于钢屋架。

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。

三、钢筋混凝土屋架
钢筋混凝土的各种受力强度都较高，是制造屋架的理想材料。

屋架无固定型式，只要受力合理，节省材料，构造简单，施工方便就可以。

钢筋混凝土屋架设计时，为了结点构造简单，要求每个结点上相交的杆件数目不多于五根，而且腹杆与弦杆的交角不小于30°。

常用钢筋混凝土屋架型式及适用跨度：
四、轻型钢屋架
轻型钢屋架常见的有圆钢轻型钢屋架、小角钢轻型钢屋架、薄壁型钢屋架。

轻型钢屋架主要有三角形屋架、三铰拱屋架和梭形屋架等三种，其中最常用的是三角形屋架。

三角形屋架和三铰拱屋架的屋面坡度较大，通常1/2～1/3。

轻型钢屋架适用于跨度≤18m，柱距4～6m，设置有起重量≤5t的中、轻级工作制桥式吊车的工业建筑、和跨度≤18m的民用房屋的屋盖结构。

受力特点：
常用的三角形轻型钢屋架为芬克式，其特点为长杆受拉，短杆受压，结构受力比较合理，制作亦方便，可以分为两个运输单元。

三铰拱屋架由两根斜梁和一根拉杆组成，斜梁有平面桁架式、和空间桁架式两种，拉杆可用圆钢或角钢，这种屋架的特点是杆件受力合理，斜梁腹杆短，取材方便，经济效果好。

梭形屋架有平面桁架式和空间桁架式两种，适用于跨度为9～15m，间距为3～4.2m的屋盖体系，屋架的高跨比为1/9～1/12。

五、钢筋混凝土－钢组合屋架钢屋架
屋架在荷载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土－钢组合屋架钢屋架。

组合屋架的自重轻，节省材料，常用跨度为9～18米。

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，施工条件等因素，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－钢组合屋架。

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。

第三节
屋架结构的支撑
1、作用：
（1）保证屋盖结构的几何稳定性。

（2）保证屋盖的刚度和空间整体性
横向水平支撑：是一个水平放置(或接近水平放置)的桁架, 支座是柱或垂直支撑。

纵向水平支撑：提高屋架平面内（横向）抗弯刚度，使框架协同工作，形成空间整体性，减少横向水平荷载作用下的变形。

（3）为弦杆提供适当的侧向支承点。

（4）承担并传递水平荷载。

如传递风荷载、悬挂吊车水平荷载和地震荷载。

（5）保证结构安装时的稳定与方便。

2.屋架支撑的布置
（1）上弦横向水平支撑布置原则: 只有檩条或只采用大型屋面板的屋盖中都应设置屋架上弦横向水平支撑，当有天窗架时，天窗架上弦也应设置横向水平支撑。

设置在房屋的两端,一般设在第一个柱间或设在第二个柱间,间距L0≤60m。

（2）下弦横向水平支撑布置原则:
设当跨度L≥18m；
设有悬挂式吊车起重量大于5吨；
厂房内设有较大的振动设备。

与上弦横向水平支撑布置在同一柱间。

（3）纵向水平支撑布置原则：
厂房内设有托架，或有较大吨位的重级、中级工作制的桥式吊车；
或有壁行吊车，或有锻锤等大型振动设备；
以及当房屋较高，跨度较大，空间刚度要求高时。

（4）垂直支撑布置原则：
a、所有房屋中均应设置垂直支撑。

b、梯形屋架在跨度L≤30m，三角形屋架在跨度L≤30m L≤24m时时，仅在跨度中央设置一道。

当跨度大于上述数值时宜在跨度1／3附近或天窗架侧柱外设置两道。

c、梯形屋架不分跨度大小，其两端还应各设置一道，当有托架时则由托架代替。

d、垂直支撑与上、下弦横向水平支撑布置在同一柱间。