木结构桁架设计

木结构桁架设计（一）
[资料来源：木结构设计手册]
一、桁架结构形式的选择和布置
1. 桁架结构形式的分类和选择
木屋盖除了屋面构件外，还有屋盖承重结构。

屋盖承重结构分为原木或方木结构和胶合木结构两类，根据杆件体系可分为桁架、拱和框架等三类。

屋架一般为平面桁架，它承受作用于屋盖结构平面内的荷载，并把这些荷载传递至下部结构(如墙或柱子)。

桁架根据下弦所用材料又分为木材7架和钢木椅架两类。

桁架结构形式的选择，应根据建筑上的要求、材料供应、制造条件和结构本身的合理性和可能性等因素来确定，并宜采用静定的结构体系。

木桁架，目前常用的还是原木或方木结构。

钢木桁架为采用钢材作下弦的桁架，钢木桁架能消除木材缺陷(木节、裂缝及斜纹)对桁架受拉下弦及其连接的不利影
响，提高桁架的安全可靠程度和刚度。

在下列情况下，宜选用钢木桁架：
(1)当所用木材不能满足下弦的材质标准时；
(2)设有悬挂吊车和有振动荷载的中小型工业厂房；
(3)当桁架跨度较大或使用湿材时；
(4)木构件表面温度达到40~50°C；
(5)采用落叶松或云南松等在干燥过程中易于翘裂的木材，且其跨度超过15m(对于原木)或12m(对于方木)；
(6)采用新利用树种木材，且其跨度超过9m。

2.桁架的外形
桁架的外形应根据所采用的屋面材料、桁架跨度、建筑造型、制造条件和桁架的受力性能等因素来确定。

木桁架的外形通常有三角形、梯形及多边形等三种(图6.3.1)，当采用胶合木结构时，还可用拱形。

对砖木结构房屋，我国目前常用的屋面材料为粘土瓦、彩色混凝土瓦及多彩沥青油毡瓦等，需要的排水坡度较大，故一般均采用三角形桁架；这种桁架与梯形、多边形桁架相比较，其受力性能较差，用料较费，且建筑造型也不太好，因此其跨度不宜超过18m。

当跨度再大时，应选用彩钢压型板或其他轻质材料
作屋面材料。

采用梯形或多边形桁架时，其跨度可达24m。

对于更大跨度的公共建筑，宜选用胶合木结构。

3.桁架的间距
桁架的间距应根据房屋的使用要求、桁架的承载能力、屋面和吊顶结构的经济合理性以及常用木材的规格等因素来
确定。

方木桁架、原木桁架以及木檩条等的承载能力，都受到常用木材规格的限制。

对于木檩条，当桁架间距过大时，常用的简支檩条，根据挠度控制，要求有较大的截面，所以，采用木檩条时，桁架的间距以3m左右为宜，最大不宜超过4m。

采用钢木檩条或胶合木檩条时，桁架间距不宜大于6m。

对于柱距为6m的工业厂房，则应在柱顶设置钢筋混凝土托架梁，将桁架按3m间距布置。

4.桁架布置的结构方案
(1) 多跨房屋的结构方案
在多跨房屋的木屋盖中应尽量不做天沟和天窗，以避免木屋盖腐朽。

当木桁架不多于两跨或三跨时，如有条件，可做成外排水的木屋盖体系(图6.3.2)，并利用侧窗采光。

在多跨房屋中，如不得不采用天沟时，严禁采用木制天沟，必须采用钢筋混凝土天沟，并从构造上采取措施，以保证桁架的支座节点通风良好。

若设天窗，则应采取构造措施防止天窗边柱受潮腐朽。

(2) 利用房屋内部纵墙承重的结构方案
当房屋内部有纵向承重墙或柱时，应把墙或柱用作支点，构成三支点或四支点桁架图6.3.3)。

设计时应以两榀静定的单坡桁架为基本体系，而不应做成三个或四个支点的超静定结构。

三支点桁架是将两榀单坡桁架在水平位置上相互错开放置(图6.3. 3a)，并用螺栓将两榀桁架的立柱系紧(图6.3.4)。

四支点桁架中的两榀单坡桁架应放置在同一垂直平面内，而在中部两根立柱上放置一个小三角架(图6.3.3b及图6. 3.
5)。

三支点和四支点桁架的工作特点如图6.3.3所示，其中除两榀静定的单坡桁架外，粗虚线所示者为不受轴向力作用的斜梁，而小三角架则自成体系，应单独分析计算。

三支点和四支点的桁架体系，均应在立柱处设置垂直支撑(图6.3.3)以保证纵向稳定(每隔3~4榀桁架设置一道)。

(3) 四坡水屋顶及歇山屋顶的结构方案
采用这两种屋面构造(图6.3.6、图6. 3. 8)皆可达到改善建筑造型和减小山墙承风面积的目的。

歇山屋顶的结构简沽，施工方便，在一般情况下以采用歇山方案为宜。

1) 四坡水屋顶
这种屋顶有两种结构布置方案。

第一种方案(图6.3.6a)是在转角处沿45°设置两榀单坡桁架I，并在山墙中央处设置另一榀单坡桁架II。

这三榀桁
架的内侧端点皆须支承在第一榀三角形桁架甲1的下弦中央节点处，构造相当复杂。

当房屋跨度较大时，这榀甲1桁架较其他桁架荷载大，必须另行设计。

第二种方案(图6. 3. 6c)是在桁架甲与端墙之间设置一榀梯形桁架乙，并在转角处斜置两榀三角架丙，以减小斜梁(图6. 3. 6c中沿墙角至桁架甲中点与端墙之间形成45°的虚线所示)的跨度；或者沿45°方向直接设置单坡桁架(跨度较大时)或斜梁(跨度较小时)。

此外，尚应在梯形桁架中部视跨度的大小，设置纵向的斜梁(或单坡桁架)，将其支承在端墙和梯形桁架上。

当桁架跨度较大时，一般采用第二种方案。

但须注意，过去曾有将梯形桁架乙设在距桁架甲与距端墙等远处的做法；这时，由于受屋面坡度构造限制，使梯形桁架乙的高跨比远小于规定的桁架高跨比限值，以致该桁架变形过大而不得不
加固。

因此，为了保证梯形桁架高跨比不小于1/6，应将梯形桁架乙靠近三角形桁架甲布置。

当三角形桁架的高跨比为1/4(即屋面坡度角α=26°34')时，图6. 3. 6(c)中取B1 =l/3；当三角形桁架的高跨比为√3/6(即α=30°)时，宜取B1=√("3" )/"6" l。

设计中尚应注意使斜梁顶面的标高与三角形桁架的上弦取齐。

其连接方法见图6.3.7。

2) 歇山屋顶
采用歇山屋顶时，全部三角形桁架等距布置(图6. 3. 8a)。

跨度中部纵向布置的斜梁可搁置在第一榀三角形桁架中部
附加的木板上(图6.3.8b)，而转角处沿45°的斜梁，则用钢板与三角形桁架的上弦连接(图6.3.8b)。

木结构桁架设计（二）
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2009年10月19日]
二、桁架设计的基本原则
1. 桁架的高跨比
桁架跨度中央的高度h与跨度l的比值称为高跨比。

为保证桁架具有足够的刚度，按桁架的外形，分别规定木桁架、钢木桁架高跨比的最小限值如表6.3.1所示。

高跨比值已符合表6.3.1规定的桁架，不必再核算其挠度。

2. 桁架的预起拱度
为了消除桁架可见的挠度，不论木桁架或钢木桁架，皆应在制造时预先向上起拱。

起拱度通常取为桁架跨度的1/200。

起拱时应保持桁架的高跨比不变，木桁架常在下弦接头处提高(图6.3.9)，而钢木桁架则常在下弦节点处提高。

3. 桁架节间的划分
桁架节间的划分原则是：根据荷载、跨度及所用木材强度设计值的大小进行节间划分，在常用木材规格范围内，充分利用上弦的承载能力。

因为在木桁架的总挠度中，大部分是由节点及接头处非弹性变形(制造不紧密、干缩变形及横纹
承压变形等)的累积造成的，若将节间划分过小，势必因节点增多而加大桁架的挠度，并使桁架的制造工作量加重。

对于无下弦荷载的钢木桁架，应尽量扩大下弦的节间长度，减少下弦节点数，这样，不但可以减小挠度，而且方便施工，节约钢材。

划分节间时，还应注意不使斜杆与弦杆的夹角过小，以利构件的工作和制造。

4. 桁架的自重
桁架自重一般可按下列经验公式估算
式中 gz一一桁架自重的标准值，按屋面水平投影面积计算(kN/m2) ；
l一一桁架跨度(m)。

由于桁架自重在全部荷载中所占的比率很小，故当设计完毕后桁架的实际自重与按上式所估算的自重略有出入时，一般不必进行重算。

为了简化计算，当仅有上弦荷载时，可认为桁架的自重完全作用在上弦节点处；当上、下弦均有荷载时，则认为自重按上、下弦各半分配。

5. 荷载组合
荷载组合应遵照现行《建筑结构荷载规范》第3. 2. 3及3.2.5条有关规定，当仅有恒荷载或恒荷载产生的内力超过全部荷载所产生的内力的80%时，应遵照表3.4.4注1规定。

求桁架杆件内力时，恒荷载(包括自重)按全跨分布。

活荷载除按全跨分布外，尚应根据各种桁架的受力特点，分别按可能出现的不利分布情况进行组合。

例如：三角形桁架在半跨活荷载(包括悬挂吊车)作用下(图6. 3.10a)，中间一对斜腹杆的内力不同，而下弦中央节点处的连接物必须按其水平分力差进行核算；梯形桁架在半跨活荷载作用下（图
6.3.10b），中间腹杆内力可能变号；多边形桁架或弧形桁架可能在3/4跨及1/4跨（或2/3跨及1/3跨）活荷载的组合下(图6. 3. 10c、d)，某些腹杆的内力达到其最大值。

屋面活荷载与雪荷载一般不会同时出现，故取二者之较大者与恒荷载进行组合。

在一般桁架坡度小于30°的桁架设计中，对封闭房屋只有当设有天窗时，才需考虑风荷载的不利组合。

6. 内力计算
桁架的内力计算，可假定节点为铰接。

将荷载集中于各个节点上，按节点荷载求得各杆件的轴向力。

节间荷载对上弦杆所引起的弯矩，在选择杆件截面时再行考虑。

7. 压杆的计算长度
在结构平面内，弦杆及腹杆取节点中心间的距离。

在结构平面外，上弦取锚固檩条间的距离；腹杆取节点中心间的距离。

8. 上弦的计算原则
（1）当檩条布置在节点处时，除按轴心受压杆件计算外，尚应验算在桁架支座偏心达到施工偏差限值时，此种偏心对上弦的不利影响。

（2）当节点之间布置有檩条时，上弦因节间荷载而承受弯矩，应按压弯构件计算。

（3）上弦弯矩的计算：根据木桁架和钢木桁架的破坏试验测定，连续上弦的跨间弯矩值接近于按简支计算的弯矩，而在节点处存在较小的负弯矩。

这是由于在桁架承受荷载后，作为连续上弦中间支座的节点随桁架的变形而产生相应的竖向位移，使其按连续梁作用产生的正弯矩和由于支座位移产生的负弯矩互相抵消之故。

据此并考虑偏于安全，连续上弦的弯矩按下述要求计算。

跨间弯矩：按简支梁计算；节点处支座弯矩设计值：
式中 g和q一一上弦的均布恒载和活载(或雪载)设计值；l一一杆件的计算长度。

9. 钢木桁架设计原则
(1) 钢木桁架形式的选择
当上、下弦均有荷载时，应选用上、下弦节间一致的豪式桁架(图6.3.1a、d)。

若仅上弦有荷载，则以选用下弦扩大节间的形式(图6.3.1b、c、e、f)为宜。

因为减少下弦节点既能简化制造、减小桁架的变形，又可以节省钢材。

(2) 钢材部分的设计要求
钢木桁架钢材部分的设计计算，可按第三、五章有关的规定进行；未作规定者，可参考现行《钢结构设计规范》计算。

考虑一般工地的焊接条件，应尽量采用较易焊接的Q235钢材制作。

(3) 钢下弦的选择
1) 下弦可采用圆钢或型钢(一般用双角钢)。

当荷载和跨度较小时，以选用圆钢为宜。

因为型钢受最小截面的限制、不能充分利用其承载能力。

当荷载和跨度较大，设有悬挂吊车或房屋的振动较大时，则应采用型钢。

2) 圆钢下弦有单根和双根两柿。

当荷载和跨度较小或不设吊顶时，宜用单根圆钢。

因为单根圆钢的节点构造处理简单，同时可避免多根圆钢之间内力分配不均匀的现象，能充分利用钢材的承载能力。

(4) 钢下弦的构造要求
1) 圆钢直径应控制在30mm以内，杆端有螺纹的圆钢拉杆，当直径大于22mm时，宜将杆端加粗(如焊接一段较粗的短圆钢)，其螺纹应由车床加工。

2) 圆钢下弦在拼装前必须调直，并须设有调整其长度的装置。

一般可在支座节点处用双螺帽固定并进行调整，必要时，也可用花篮螺栓(拧紧器)来调整。

为防止圆钢下弦过度下垂，当下弦节点间距大于250d (d 为圆钢直径)时，应对圆钢下弦适当加设吊杆，吊杆的间距按圆钢下弦的长细比不大于1000确定。

3) 型钢下弦的长细比不宜大于350。

4) 为防止圆钢下弦拉直伸长对墙体产生推力，不应采用下弦抬高的桁架形式(图6.3.11)。

安装跨度较大的桁架时，应在桁架一端支座节点的钢垫板与柱顶钢板之间放设数根
短圆钢，以允许其向外自由水平滚动，待屋面构件和瓦材安装完毕后，再将短圆钢与柱顶钢板焊牢。

此时应注意检查支座反力作用点的位置与设计是否相符；必要时要作适当调整。

5) 圆钢接长宜用对接焊或双帮条焊(图6. 3. 12a) 。

在接头的每一侧，帮条的长度一般应不小于4d (d为圆钢下弦的直径)。

帮条的直径应不小于0.75d。

不应采用搭接焊（图6. 3. 12b）或将圆钢单侧焊在节点板上(图6. 3. 12c)，以免在圆钢和焊缝中产生附加应力。

当采用闪光对焊时，焊接工艺和质量验收，应符合现行《钢筋焊接及验收规程》中的有关规定。

6) 双圆钢和双角钢下弦的两肢之间，每隔一定距离要加焊缀条。

(5) 节点设计原则
1) 设计节点时除应使各杆件的轴线汇交于一点外，尚应防止形成局部偏心(图6. 3. 12d)而产生附加应力。

2) 节点中的受力钢板和焊缝均应根据计算确定其尺寸。

一般以选用6~10mm厚的钢板为宜。

焊缝厚度不应大于钢板和型钢的厚度，且不大于6mm。

3) 当钢板因受弯需要过大的厚度时，可采用加肋的办法来解决，或改用合适的型钢。

这样就可以避免钢板型号过多。

4) 应尽量使构造钢板与受力钢板相结合，以节约钢材。

(6) 全部钢构件均应涂刷防锈漆，并定期检查，进行维护。

在锈蚀比较严重的地区应特别注意加强维护工作。

木结构桁架设计（三）
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2009年10月29日]
三角形豪式木桁架设计
1.结构特点和适用范围
(1)豪式木桁架(图6.3.1a)的特点是，采用齿连接的斜杆受压而竖杆受拉。

在三角形桁架中，斜杆必须向跨中下倾。

(2)为提高桁架的可靠性和减小变形，所有竖拉杆均采用圆钢制作。

因为桁架安装后，可通过拧紧圆钢竖拉杆的螺帽，消除方木或原木桁架因连接不够紧密和干缩等引起的变形。

此外，用钢拉杆还可避免因用木拉杆时可能产生干缩裂缝而造成结构不安全。

(3)桁架的节间长度以控制在2~3m范围内为宜；并以六节间和八节间者最为常用。

(4)由于桁架上、下弦节间数相同，既能用于不吊顶房屋，也能用于吊顶房屋。

(5)豪式三角形木桁架的跨度一般不宜超过18m。

(6)采用原木时可利用原木的天然倾斜率，将大头放置在弦杆内力较大的部位，还可适应原木直径变化的特点，采取不等节间的桁架形式，以充分利用原木的承载能力。

2.接头及节点构造
(1)上弦接头
上弦如需做接头，桁架每侧不宜多于一个，并不宜将其设在脊节点两侧或端部的节间内（图6.3.13a)。

接头的位置宜设在节点附近，以避免承受较大的弯矩。

接头处弦杆的相互抵承面要锯平抵紧，并用木夹板以螺栓系牢。

为保证使用和吊装时平面外的刚度，木夹板厚度应不小于上弦宽度的1/2，其长度应不小于上弦宽度的5倍(图6.3.13b)。

接头每侧的系紧螺栓不得少于两个，其直径按桁架跨度大小在12~16mm 的范围内选用。

(2)下弦接头
下弦接头不宜多于两个。

通常采用一对木夹板连接并以螺栓传力。

接头每端的螺栓数由计算确定，但不宜少于6个。

木夹板厚度应不小于下弦宽度的一半，当桁架跨度较大时，木夹板厚不宜小于100mm，其长度按螺栓排列间距的要求确定。

螺栓通常按两纵行齐列布置(图6.3.13c)。

当下弦高度较小，两纵行齐列有困难时，可按两纵行错列布置。

采用原木时，严禁沿下弦轴线单行排列布置螺栓。

下弦木夹板应选用优质的气干木材制作，如不能取得符合要求的木夹板时，则可改用两对钢夹板连接(图6. 3.13d)，钢夹板厚度不应小于6mm，若采用一对钢夹板，则钢板势必约束下弦木材的横纹干缩，而促使木材开裂。

当下弦总长度比木材两根的长度之和大得不多时，可采用长夹板的连接方法(图6.3.14)。

与在跨中左右两个节间内各设一个下弦接头相比较，这样可以简化构造并节约材料。

下弦接头应尽量避免与上弦接头设在同一节间内。

(3)支座节点
可按桁架内力大小选用单齿或双齿连接。

采用齿连接时，应使下弦的受剪面避开髓心，并应在施工图中注明此要求。

采用原木时，齿槽抵承面的面积与杆件的交角、相互抵承的原木直径以及刻槽的深度等有关，一般可按附录五的近似方法计算确定。

当桁架的内力相当大，双齿连接不足以承担时，或在建筑布置上有出檐较短的要求时，可采用钢夹板抵承连接(图6.3.15)。

与前述下弦钢夹板接头处理一样，这种支座节点也应采用两对钢夹板。

从图6. 3. 15中可见，上弦抵承在木垫块上，其水平力经垫块传给钢靴梁，然后通过短圆钢经过焊缝传至钢夹板，最后通过螺栓传到下弦。

钢靴梁上的孔眼直径应该稍大于短圆钢的直径，使钢夹板略有活动的可能。

在拼装时应拧紧短圆钢的螺帽，以保证桁架的紧密性，并加用双螺帽以确保螺帽不会松动脱落。

木垫块端头的抵承钢板是承弯工作，为了将其厚度控制在6~10mm 的范围内，应焊上十字形加劲肋而构成靴梁。

肋的大小按计算确定，也可采用型钢组成的靴梁。

(4)上、下弦中间节点
中间节点一般均采用单齿连接，其构造原则与支座节点相同，但按毛截面对中，其刻槽深度不大于弦杆高度或直径的
1/4。

一般均可采用马钉紧固(图6.3.16b、c)。

为防止木构件的劈裂，马钉的直径不宜过大。

当设有悬挂吊车或有振动荷载时，则宜用人字铁及螺栓紧固。

(5)下弦中央节点
要求在此节点(图6.3.16d)处五根杆件的轴线汇交于一点，按毛截面对中。

斜杆对称地抵承在垫木上。

垫木置于下弦的刻槽中，借以传递半跨有活荷载时左右二斜杆的水平内力差。

当采用方木时刻槽深不小于20mm，用原木时刻槽深不小于30mm。

采用长夹板下弦接头方案时，左右二斜杆的水平内力差应通过与长夹板相连接的螺栓和填木传递(参阅图
6.3.14)。

(6)脊节点
脊节点处上弦应相互抵承，用木夹板以螺栓系紧。

其构造要求与上弦接头基本相同(图6.3.16a)。

原木桁架当小头直径偏小，上弦端头相互抵承面积不足时，可采用加设硬木垫块的构造方案(图6.3. 17)。

3.圆钢竖拉杆及其垫板
圆钢竖拉杆应按第五章的计算公式和构造要求设计。

但桁架的中央竖拉杆不论其直径大小，均应设置双螺帽。

圆钢拉杆的垫板应按计算确定其大小尺寸或按表13.12.1选用，并在施工图中注明，避免与系紧螺栓的垫板混淆。

4.采用易开裂树种木材时的构造措施
当采用东北落叶松或云南松等易于开裂的木材时，应针对易受开裂危害的下弦采取可靠的防裂措施。

云南松的径级较大，下弦可采用按底边破心下料的方木(图6.3.18a)，而东北落叶松的径级较小，应尽量采用原木桁架。

若采用方木，则下弦应按侧边破心下料，锯成两块木枋，每块木枋的宽度
b一般以60~80mm为宜(图6.3.18b)，然后将两块木枋(或板材)髓心朝外用直径为10mm的螺栓拼合(图6.3.18c)。

螺栓沿下弦每隔600mm成两行错列，而在节点处圆钢竖拉杆两侧应各用一个螺栓系紧(图6.3.19)。

施工时必须先用螺栓拼合，然后再刻槽，而不应先分别刻槽后拼合，以免槽齿错位，单肢受力超载。

注:东北落叶松或云南松木桁架的跨度超过15m(原木)或12m(方木)时，则应采用钢木桁架。