本帖最后由 gaocen 于 2013-2-21 16:25 编辑
第六节 桁架及屋盖
一、桁架的外形、主要尺寸和腹杆体系 1 ．概述 桁 (héng)架主要是由轴心受力构件（拉杆和压杆）组成的格构式扩大构件，用以承受横向荷载和跨越较大的空间。当跨度较大采用实腹式受弯构件将造成多费钢材时，就需采用桁架。钢桁架主要用于房屋 建筑中的屋盖、桥梁、各种塔架（起重、输电、钻探等）和水工结构如闸门等建筑中，用途极为广泛。根据其承受荷载后的传力途径， 有空间桁架和 平面桁架之分。屋盖体系中的钢网架（见图 6-56a ）和各种塔架（见图 6-56b ）等常为空间钢桁架，其内力分桁必须借助于空间力系的平衡条件。工程结构中的大部分钢桁架则常可按平面桁架考虑，例如图 6-57 中的屋架，屋面荷载由檩条传给屋架后，其内力即可借助于平面力系的平衡条件求解。 以下介绍的将限于平面桁架，主要是屋架。 （上下杆视为钢筋，腹板视为箍筋）2 ．平面桁架的外形及主要尺寸 根据用途和跨度不同，平面桁架可有不同的外形。图 6 -58 所示为常用的几种屋架外形及其腹杆布置。（ a ）图~（c）图为三角形屋架，用于屋面材料要求的屋面坡度 i 较陡，i≥1 / 5 时； ( d ）图所示梭形屋架由三角形屋架变化而来，可用于需保持较平屋面坡度但又需加大屋架高度时；（。）图一（ h ）图所示屋架可用于屋面坡度较平坦，即 i=1 / 10~1 / 20 时。（ f ）图和（ g ）图所示多角形屋架和人字形屋架均系由（。）图所示梯形屋架变化而来，可减少屋架在跨中的高度。（ h ）图所示平行弦桁架不但可用于屋架，而且还可用于如屋盖中的各种支撑桁架、屋架和托架、皮带输送机下的支承桁架和各种栈桥桁架等。 对三角形屋架，当屋架的跨度和屋面坡度一旦确定，屋架的高度也就确定。梯形屋架的端部高度常取跨度的 1 / 10 ~1/ 8 （常用端部高度 h0=2.0m左右），跨度愈大，比值可取小些。平行弦桁架的经济高度常为其跨度的 1/15 左右。在决定屋架高度时，要考虑从制造厂到建筑工地的运输条件。当用火车运送时，构件的运送单元高度应小于 3.85m。 屋架外形的选用应考虑所用屋面材料、屋架的跨度和房屋的使用要求等条件。波形石棉瓦屋面要求屋面坡度i=1 / 2 .5~1 / 3 ，瓦楞铁屋面要求 i≈1 / 5 ，若这种屋面的坡度 i 过小，易造成漏雨，因此常需选用三角形屋架。油毡防水屋面则要求i≤1/8，因此常用 i=1 / 10 ~1/12的梯形屋架，近来常被采用的长尺压型钢板屋面，则可用于 i =l / 8~1 / 20 时，因而常选用梯形屋架和接近于平行弦的屋架。 平面桁架是一种格构式受弯构件，在横向荷载作用下，其上、下弦杆主要承受桁架截面上的弯矩，而腹杆则主要承受桁架截面上的剪力。两端简支的受弯构件在满跨均布荷载作用下，弯矩图形为一抛物线，因此屋架的外形若接近于抛物线形，则弦杆各节间中的内力最为均匀。 三角形屋架外形与抛物线形差别较大，因而其弦杆各节间的内力很不均匀，屋架端部高度小，该处节间的内力最大，因弦杆截面常按整根弦杆的最大内力选用，造成弦杆截面钢材的增加，故跨度较大时选用三角形屋架是不经济的，其常用跨度宜在 24~27m 以下。 梯形屋架外形较接近于抛物线形，弦杆各节间内力较为均匀，加之刚度也较三角形屋架为好，常用跨度可达 36m 左右。 平行弦屋架弦杆内力不及梯形屋架均匀，但其腹杆长度一致，杆件类型少，结点构造统一，便于制造，是其优点。 平面屋架常两端简支于钢筋混凝土或砌体柱顶，但在某些采用钢柱的厂房中，为了增加排架的侧向刚度，需将屋架与柱构成刚接如图6-59 所示，这对梯形屋架比较简单易行，而对三角形屋架就必须设置隅撑，势必影响屋架下的有效净空。
3 ．平面桁架的腹杆体系
桁架中的腹杆主要用以联系上、下弦杆构成结点并传递结点荷载，其布置原则应是： ( l ）提供承受荷载的结点，尽可能使荷载都作用在结点上而使桁架的弦杆都是轴心受力构件； ( 2 ）使荷载传递至支座的路线最短，以减少腹杆的总长度和结点数目； ( 3 ）对非人字形的腹杆体系，应使长腹杆受拉，短腹杆受压。对人字形腹杆体系，宜使斜腹杆的倾角在 35°~55°范围内。目的都是减小腹杆的截面积。 上述（ 1 ）和（ 2 ）两点有时可能有矛盾，此时就需通盘考虑而后作出决定。 图 6-58 中（ b ）和（c）所示芬克式和扇形三角形屋架，其腹杆体系完全做到了长杆受拉和短杆受压，同时整个屋架在运输时可很方便地分为左、右两个半屋架和中间一根下弦杆（或带吊杆）如图 6-58 中所示，因而当用三角形屋架时常采用之。图 6-58 ( a ）所示人字形腹杆体系的三角形屋架仅当下弦有悬吊设备需要时始行采用。图 6-58 所示梯形和平行弦等桁架基本上都采用带竖杆的人字式腹杆体系，同一节间两斜杆长度相同，其竖杆主要用以提供承受荷载的结点，并可减小受压上弦杆的节间长度。
二、屋盖的组成及主要平面尺寸 由平面桁架所组成的屋盖主要由屋面材料（包括隔热材料）、檩条、屋架和支撑体系等组成，必要时还应包括因采光或通风而设置的天窗架，以及因个别柱距增大而设置的屋架托架等，其平面布置的基本形式如图 6-60 所示，这种屋盖常称为有檩屋盖。过去曾大量采用的钢筋混凝土大型屋面板，可直接支承于屋架的弦杆上，屋面板的两条纵肋替代了檩条，因而构成了无凛屋盖。由于钢筋混凝土大型屋面板的尺寸受到限制（其平面尺寸通常为 6m × 1.5m )，屋架的间距通常限制为 6m，屋架上弦的节间长度为 1.5m，屋架布置因而缺少灵活性，腹杆布置也过密，加之屋面板重量较大，很不经济，特别对房屋抗震不利，目前已很少采用。 屋盖系统的主要平面尺寸是屋架的跨度乙和屋架的间距 l （图 6-60）。屋架的跨度通常由使用要求确定。屋架的间距 l 一般应由设计人员按经济要求确定。当屋架间距增大，所有纵向构件如檩条等因跨度加大而需增大其截面；但在一定建筑面积下，屋架和支柱（包括柱基础）数目则可减少。利用求极值的数学方法理论上可求得使整个屋盖和支柱用钢量最少或工料最省时的屋架经济间距。实际设计时屋架间距 Z 约为屋架跨度的 1 / 3~1 / 5 。此外，具体确定采用的屋架间距时，还应尽量考虑檩条材料如槽钢、工字钢由轧钢厂出厂时的定尺长度，以减少钢材的损耗。过去由于所用屋面材料的限制，檩条间距不可能过大而使檩条较密，屋面系统重量偏大，因而屋架间距不能过大，以避免加大檩条截面，常采用 l = 4 ~ 6m ,很少采用 9 ~12m。目前由于长尺压型钢板的投人使用，以其作为屋面材料，因其具有较大的抗弯强度和刚度，檩条间距可加大（例如采用间距为6m)，加之压型钢板本身自重较轻，就有条件采用较大的屋架间距，例如 l =12~18m ，檩条和屋架两者的间距的加大将改变采用的屋架腹杆体系和今后将介绍的屋架支撑的布置形式。例如可以改用图 6-57 所示的华伦（ Warren ）式屋架（即腹杆体系为不设竖杆的人字式），从而缩短了腹杆的总长度和减少了结点数目。檩条的形式也将由原来常采用的槽钢改变为 H 型钢或格构式檩条。
三、屋架的支撑系统 平面屋架在其本身平面内，由于弦杆与腹杆构成了三角形的几何不变铰接体系而具有较大的刚度，但在垂直于屋架平面方向（通称屋架平面外），不设支撑体系的平面屋架却不能保持其几何不变，如图 6 -61 所示， ( a ）图为屋架的端视图，当在屋架端部两屋架间未设垂直支撑桁架时，虽有檩条和系杆的连系，屋架相互间仍是几何可变的，在侧向力作用下屋架会倾斜；仅当设了垂直支撑桁架和系杆，才能保持各个屋架在平面外的几何稳定性。 ( b ）图为屋架上弦平面图，在未设上弦平面内的支撑桁架时，虽有檩条把各个屋架连成一片，但当屋架上弦杆因受压而失稳时，整个上弦会屈曲成一个“半波”。如果在房屋两端的柱间内设置上弦横命撑桁架，则屋架上弦将屈曲成多个“半波”，从而提高了上弦杆的整体稳定性，亦即提高了承载能力。由这二例可见平面桁架如无支撑系统从侧面“扶持”，将不能发挥它的承重作用。下面将对屋架支撑的种类、作用和布置方法等分别作出口说明。 1 ．屋架支撑的种类和作用 屋架（包括天窗架）的支撑系统包含下列四类： ( l ）横向支撑根据其位于屋架的上弦平面或下弦平面，又可分为上弦横向支撑和下弦横向支撑两种，图 6-61 ( b ）中所示为上弦平面横向支撑； ( 2 ）纵向支撑设于屋架的上弦或下弦平面，布置在沿柱列的各屋架端部节间部位（图 6 -64 ) ; ( 3 ）垂直支撑位于两屋架端部或跨间某处的竖向平面或斜向平面内（图 6-61a ); ( 4 ）系杆根据其是否能抵抗轴心压力而分成刚性系杆和柔性系杆两种。通常刚性系杆采用由双角钢组成的十字形截面，而柔性系杆截面则为单角钢（图 6-62 ）。在轻型屋架中柔性系杆也可采用张紧的圆钢。 各类支撑均有其作用。必须了解其作用，而后方能确定何处需布置支撑以及如何布置支撑。 房屋支撑系统的作用，总的说来是提高结构的整体刚度、发挥结构的空间作用；保证结构的几何稳定性及受压构件的侧向稳定；防止构件在动力荷载作用下产生较大的振动；承担和传递房屋所受水平荷载以及保证安装时的稳定和安全等。因此，支撑系统的合理布置和设计，对房屋的工程质量和安全、适用有极其重要的意义。图 6-62 为支承于间距为 6m 的钢筋混凝土柱柱顶梯形屋架的支撑布置示例。
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发表于 2013-2-20 17:31:51
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发表于 2013-3-8 17:53:50
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