第三章桁架结构

建 筑 结 构 选 型
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图为桁架结构的节点 a）木桁架节点；b）钢桁架节点；c）钢筋混凝土桁架节点
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将节点间化成铰接点后，为保证各杆仅承受轴力， 还必须满足假定3的要求，即桁架结构仅受到节点荷 载的作用。对于桁架上直接搁置的屋面板的结构，当 屋面板的宽度和桁架上弦的节间长度不等时，上弦将 受到节间荷载的作用并产生弯矩；或对下弦承受吊顶 荷载的结构，当吊顶梁间距与下弦节间长度不等时， 也会在下弦产生节间荷载及弯矩 。 这将使上、下弦杆件由轴向受压或轴向受拉变为 压弯或拉弯构件（图a），是极为不利的。对于木桁 架或钢筋混凝土桁架，因其上、下弦杆截面尺寸较大， 节间荷载所产生的弯矩对构件受力的影响可通过适当 增大截面或采取一些构造措施予以解决。
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梯形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， 是用于较大跨度或荷载的 工业厂房。当然上弦杆坡 度为1/8～1/12时，梯形屋 架的高度可取（1/6～1/10） L，当跨度大或屋面荷载较 小时，取小值；跨度小或 屋面荷载大时，取大值。
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上述假定2是桁架结构简化计算模型的关键，在实际 房屋建筑工程中，真正采用铰接节点的桁架是极小的。 例如，木材常常采用榫接，与铰接的力学要求较为接近； 钢材常用铆接或焊接，节点可以传递一定的弯矩；钢筋 混凝土的节点构造则往往采用刚性连接，如图所示。 因此，严格地说，钢桁架和钢筋混凝土桁架都应该按 钢架结构计算，各杆件除承受轴力外，还承受弯矩的作 用。 但进一步的理论分析和工程实践经验表明，上述杆件 内的弯矩所产生的盈利很小，只要在节点构造上采取适 当的措施，其应力对结构或构件都会造成危害，故一般 计算中均将桁架结构节点按铰接处理。
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第二节 屋架结构的形式和适用 范围
桁架结构的形式很多，按所用材料的不 同，可分为木屋架、钢-木组合屋架、混 凝土屋架等。按屋架外形的不同，可分为 三角形屋架、梯形屋架、抛物线屋架、折 线型屋架、平行弦屋架等。根据结构受力 的特点和材料性能的不同，也可分为桥式 屋架、无斜腹杆屋架或刚接屋架、立体屋 架等。
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二、桁架结构计算的基本假定
实际桁架结构的构造和受力情况一般是比 较复杂的，为了简化计算，通常采用以下几个 基本假定： 1．组成桁架的所有杆件都是直杆，所有杆件 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 点； 3．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。
四、轻型钢屋架
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轻型钢屋架按结构形式主要有三角形屋架、 三角拱屋架和梭形屋架等三种，其中，最常用的 是三角形屋架，屋架的上弦一般用小角钢，下弦 和腹杆可用小角钢或圆钢。 屋面有斜坡屋面和平坡屋面两种。三角形 屋架和三角拱屋架适用于斜坡屋面，屋面坡度通 常取1/2～1/3。棱形屋架的屋面坡度平坦，通常 取1/12～1/8。轻型钢屋架适用于跨度小于等于 18m，柱距4～6m，设置有起重量小于等于 50kN的中、轻级工作制桥式吊车的工业建筑和 跨度小于等于18m的民用房屋的屋盖结构。也有 一些实际工程的跨度已超过了上述范围。
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五、混凝土屋架
混凝土屋架常见的形式有梯形屋架、折线形屋架、 拱形屋架、无斜腹杆屋架等。根据对屋架的下弦是否 施加预应力，可分为钢筋混凝土屋架和预应力钢筋混 凝土屋架两种，其跨度为18～36m或更大。混凝土屋 架的常用形式如图所示。 梯形屋架（图a）上弦为直线，屋面坡度为1/10～ 1/12，适用于卷材防水屋面。一般上弦节间为3m， 下弦节间为6m，矢高与跨度之比1/6～1/8，屋架端 部高度为1.8～2.2m。梯形屋架自重较大，刚度好。 适用于重型、高温作业及采用井式或横向天窗的厂房。
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三、钢屋架
钢屋架的形式主要有三角形屋架、梯形屋架、矩形（ 平行弦）屋架等，为改善上弦杆的受力情况，常采用再 分式腹杆的形式，如图3-9b所示。 三角形屋架一般用于屋面坡度较大的屋盖结构中，当 屋面材料为粘土瓦、机制平瓦时，要求屋架的高跨比为 1/4～1/6。三角形屋架上、下弦杆内力变化较大，弦杆内 力在支座处最大，跨度小，材料强度不能充分发挥作用 。一般宜用于中小跨度的轻屋盖结构，当荷载和跨度较 大时，采用三角形屋架就不经济，三角网屋架的常用形 式是芬克式屋架，它的腹杆受力合理，长杆受力，且可 分为两榀小屋架制作，运至现场进行安装，施工方便， 必要时可将下弦杆中段抬高，使房屋净空增加。
a）梁的内力传递
b）拱的内力传递
c）桁架的内力传递
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桁架结构的特点是受力合理，计算简单，施工方便， 适应性强，对支座没有横向力。因此在结构工程中， 桁架常用来作为屋盖承重结构，常称为屋架。 屋架的主要缺点是结构高度大，侧向刚度小。由于 结构高度大，不但增加了屋面及维护墙的用料，而且 增加了采暖、通风、采光等设备的负荷；对音质控制 也带来困难。 桁架侧向刚度小，对于钢桁架特别明显，因为受 压的上弦平面外稳定性差，也难以抵抗房屋纵向的侧 向力，这就需要设置支撑。 一般房屋纵向的侧向力并不大，但钢屋架的支撑 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。
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梯形屋架一般都用于 无檩体系屋盖，屋面 材料大多用大型屋面 板。这时上弦杆节间 长度应与大型屋面板 尺寸相配合，使大型 屋面板的主肋正好搁 置在屋架上弦杆的节 点上，在上弦杆中不 产生局部弯矩，当节 间过长时，可采用再 分式腹杆的形式。当 采用有檩体系屋盖时， 则上弦杆节间长度可 根据檩条的间距而定， 一般为0.8～3.0m。
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如图所示的桁架结构则具有与简支梁不同的受力性能， 尽管从整体结构来说，外荷载所产生的弯矩图与剪力图 与作用在简支梁上完全一致，但桁架结构内部则是桁架 的上弦受压、下弦受拉，因此，形成了力偶来平衡外荷 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。 因此，在桁架结构中，各杆件单元（上弦杆、下弦杆、 斜腹杆、竖腹杆）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。
二、钢-木组合屋架
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钢—木组合屋架的形式有豪式屋架、芬 克式屋架、梯形屋架和下沉式屋架（如图 ）。 由于不易取得符合下弦杆材质标准的上 等木材，特别是原木和方木干燥较慢，干 裂缝对采用齿连接和螺栓连接的下弦干十 分不利，而采用钢拉杆作为屋架的下弦， 每平方米建筑面积的用钢量仅增加2～4㎏ ，却显著地提高了结构的可靠性。同时， 由于钢材的弹性模量高于木材，且消除了 接头的非弹性变形，从而提高了屋架结构 的刚度。 钢-木组合屋架的适用跨度视屋架结构的 外形而定，对于三角形屋架，其跨度一般 为12～18m，对于梯形、折线形等多边形 屋架，其跨度可为18～24m。
第一节 桁架结构的特点
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一、桁架结构的组成
桁架结构主要由上弦杆、下弦杆和腹杆三部分组成， 如图所示。 简支梁在竖向均布荷载作用下，沿梁轴线的弯矩和剪 力的分布及截面内的正应力和剪应力的分布都不均匀。
节点荷载 上弦杆
下弦杆
竖腹杆
斜腹杆
图为 桁架结构
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在弯矩作用下，截面正应力分别为受压区呈三 角形分布，在中性轴处应力为零，在上、下边缘处 分别是拉应力和压应力为最大，因此，若以上、下 边缘处材料的强度作为控制值，则中间部分的材料 不能充分发挥作用。同时，在剪力作用下，剪应力 在中性轴处为最大，在上、下边缘处剪应力为零， 分布在上、下边缘处的材料不能发挥其抗剪作用， 尽管通过改变梁的截面形式（例如，把梁截面由矩 形改变为工字形）、改变梁的截面尺寸（例如，在 梁的跨中和支座附近变高度、变梁宽）等，可改善 梁的受力性能，但这些都只是量的改变，而难以达 到质的飞跃。
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而对于钢桁架，因 其上、下弦杆截面尺 寸很小，节间荷载所 产生的弯矩对构件受 力有较大影响，将会 引起材料用量的大幅 度上涨。这时候，桁 架节间的划分应考虑 屋面板、檩条、吊顶 梁的布置要求，使荷 载尽量作用在节点上。 当节间长度较大时， 在钢结构中，常采用 再分式屋架，如图b所 示。使屋面荷载直接 作用在上弦节点上， 避免了上弦受弯。
一、木屋架
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常用的木屋架是方木或原木齿连接的豪式木屋架，一 般分为三角形（图a）和梯形（图b）两种，大多在工 地上用手工制作。 豪式木屋架的节间长度控制在2～3m的范围内为宜，一 般为4～8节间，适用跨度为12～18m。当屋架跨度不 大时，上弦杆可用整根木料，当屋架跨度较大，上弦 杆需做接头时，四接头位置应尽量靠近节点，避免承 受较大的弯矩。木屋架的高跨比宜在1/5～1/4之间。
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三角形轻型屋架常用的有芬克式和豪式两种。构件布置 和受力特点与普通钢屋架相似。三角拱轻钢屋架由两根斜 梁和一根拉杆组成，斜梁有平面桁架式和空间桁架式两种， 如图所示，拉杆可用于圆钢或角钢。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。三角 拱屋架由于拱拉杆比较细柔，不能承压，并且无法设置垂 直支撑和下弦水平支撑，整个屋盖结构的刚度较差，故不 宜用于有震动荷载及屋架跨度超过18m的工业厂房。为满 足整体稳定性要求，斜梁的高跨比宜取1/12～1/18。斜梁 截面的宽度与高度之比宜取1/1.5～1/2。
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2 l1 4
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棱形屋架有平面桁架式和空间桁架式两种。一般是上弦 为角钢、其余则采用圆钢构成空间桁架结构，如图所示， 具有取材方便、截面中心低、空间刚度好、一般可不设 支撑等优点。图中nd为屋架跨度，d为一般节间距离。 棱形屋架适用于跨度为9～15m，间距为3～4.2m的屋盖 体系。棱形屋架的截面形式分正三角形和倒三角形两种。 如图c所示。图中正三角形截面有A型和B型两种，倒三 角形截面即C型。屋架高度H=A+B，其中A由屋面坡度 确定；B愈大，则弦杆内里愈小。但腹杆长度增加。有 的分析结果认为A=B较为合理。屋架的高跨比为1/9～ 1/12。
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图为 豪式木屋架 a）三角形豪木屋架；b）梯形豪式屋架
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三角形屋架的内力分布不均匀，内力分布为支 座处大而跨中小。一般适用于跨度在18m以内的建 筑中，三角形屋架的坡度大，因此，适用于屋面材 料为粘土瓦、水泥瓦及小青瓦等要求排水坡度较大 的情况。 梯形屋架受力性能比三角形屋架合理，当房屋跨 度较大时，选用梯形屋架较为适宜。当采用波形石 棉瓦、铁皮或卷材作屋面防水材料时，屋面坡度需 取i=1/5。梯形物件适用跨度为12～18m。
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第三章 桁 架 结 构
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第一节 第二节 第二节 第三节 概述 桁架结构的特点 屋架结构的形式和适用范围 桁架的构造
第一节 概述 建 筑 结 构 选 型
梁是典型的实服杆件， 通过一侧受拉一侧受压 来承受弯矩，通过截面 的相互错动来传递剪力。 桁架与梁相比，则有了 很大变化。首先桁架由 杆件组成，属于空腹杆 件，减轻了自重。其次 桁架所有杆件只承受拉 力和压力，不再出现弯 矩和剪力。梁、拱和桁 架的内力传递状态，如 图所示。
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矩形屋架也称为平行弦 屋架。因其上下弦杆平 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。矩形屋架在均布荷 载作用下，杆件内力分 布极不均匀，故材料强 度得不到充分利用，不 宜用于大跨度建筑中， 一般常用于托架或支撑 系统。当跨度较大时， 为节约材料，也可采用 不同的杆件截面尺寸。
三、桁架结构的内力
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图
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V图
尽管桁架结构中以轴力为主 ，其构件的受力状态比梁的 结构合理，但在桁架结构各 杆件单元中，内力的分布是 不均匀的。若同一类杆件截 面的大小一致，则杆件的截 面尺寸应由同一类构件中内 力最大者所决定，其余杆件 的材料强度仍不能得到充分 的发挥。下面我们以工程中 最常见的平行桁架、三角形 桁架、梯形桁架、折线形桁 架为例，来分析桁架结构的 内力分布特点。