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大跨度屋盖结构

一、桁架
桁架应用极广，适用跨度范围(6—
60m)非常大。以受力特点可分为：平
面桁架、立体桁架、空腹桁架。通常
所指的桁架全是平面桁架，只在强调
其与立体桁架或空腹桁架有所区别
时，才称之为平面桁架。文艺复兴时
期，改进完善了木桁架，解决了空间
屋顶结构的问题；10世纪工业大发展，
因工业、交通建设需要，进一步加大
跨度。出现了各种钢屋架采用桁架。
(一)桁架的基本特点
1．平面——外荷与支座反力都作用
在全部桁架杆件轴线所在的平面内；

2．几何不变——桁架的杆件按三角
形法则构成；

3．铰接——杆件相交的节点，计算
按铰接考虑，木杆件的节点非常接近
铰接；钢桁架或钢筋混凝土桁架的节
点非铰接、实属于刚架，其杆件除轴
向力外，还存在弯矩，会产生应力但
很小，依靠节点构造措施能解决，故
一般仍按结点铰接考虑；
4，轴向受力——结点既是铰接，故
各杆件(弦杆、竖杆、斜杆)均受轴向
力，这是
材尽其用的有效途径。
(二)桁架的合理形式

选择桁架形式的出发点是受力合理，
能充分发挥材力，以取得良好的经济
效益。桁架杆件虽然是轴向受力，但
桁架总体仍摆脱不了弯曲的控制，在
节点竖向荷载作用下，其上弦受压、
下弦受拉，主要抵抗弯矩，而腹杆则
主要抵抗剪力。
由力分析可以看出，在其他条件相同
的情况下，受力最合理，结点构造最
简单，用料最经济，自重最轻巧，施
工也可行的是多边形或弧形桁架，因
其上弦非直线，制作较复杂，仅适用
于较大跨度的情况。一般为便于构造
与制作，上下弦各采用等截面杆件，
其截面按最大内力决定，故内力较小
的节问，材料未尽其用；为充分发挥
材力，应尽量使弦杆各节点内力值接
近。为进一步改进多边形桁架，使其
上弦制作方便些，可作成折线形上弦
的桁架，其高度变化接近于抛物线，
这样适用于中、大跨(l>18m)，但其制
作仍比三角形或梯形桁架复杂，三角
形桁架的最大特点是上弦为两根直
料，构造与制作最简单，其受力极不
均匀，仅适用于小、中跨(l≤18m)的
桁架情况。(三)桁架选型选择桁架形
式时，除了要考虑桁架受力与经济合
理外，还需要考虑下列问题：(1)建
筑体型与美观；(2)屋面材料及其坡
度；(3)制作与吊装。(四)桁架的空
间支撑支撑的位置设在山墙位置两
端的第二开间内，对无山墙(包括伸缩
缝处)房屋没在房屋两端第一开间内，
房屋中间每隔一定距离(一般≤60m)
亦需设置一道支撑，木屋架为20～
30m。支撑包括上弦水平支撑、下弦
水平支撑与垂直支撑，把上述开间相
邻两端桁架联结成稳定的整体。在下
弦平面通过纵向系杆，与上述开间空
间体系相边，以保证整个房屋的空间
刚度和稳定性。支撑的作用有三：(1)
保证屋盖的空间刚度与整体稳定；(2)
抵抗并传递屋盖纵向侧力，如山墙风
力、纵向地震力等；(3)保证桁架上
弦平面外的压曲，减少平面外长细比，
并可以防止桁架下弦平面外的振动。
(五)桁架的优缺点1．优点(1)桁架的
设计、制作、安装均为简便；(2)桁
架适应跨度范围很大，故其应用非常
广泛。2。缺点(1)结构空间大，其
跨中高度H较大，一般为(1／10—1
／5)l0，给建筑体型带来笨重的大山
头，单层建筑尤难处理；(2)侧向刚
度小，钢屋架尤甚，需要设置支撑，
把各榀桁架联成整体，使之具有空间
刚度，以抵抗纵向侧力，支撑按构造
(长细比)要求确定截面，耗钢而未能
材尽其用。(六)立体桁架解决上述未
尽其用的问题使桁架材料充分发挥
其潜力的办法，是改平面桁架为空间
桁架，即立体桁架。这样一来桁架本
身就具有足够的侧向刚度与稳定性，
以简化或从根本上取消支撑。(七)
空腹桁架由于使用上的需要或建筑
功能上的要求，如在桁架高度范围内
开门窗或天窗、或在桁架高度范围内
作设备层、或需要穿越管道与人行道，
或桁架暴露于室外需要适当美观等
原因，不允许桁架有斜腹杆，只有竖
杆的桁架，即是空腹桁架。本节所述
之平面桁架、立体桁架与空腹桁架，
其总体仍然是受弯构件，本质是格构
式梁或梁式桁架。二、拱壳拱是抗压
材料的理想形式，拱形的土穴、岩洞
是自然界存在最多的天然结构。拱是
受压的，土与石承压性能好，因此天
然结构中拱形的土穴与岩洞占绝大
多数。壳体具有三大功能，即强度大、
刚度大和板架合一，这是由于壳能双
向直接传力、具有极大空间刚度和屋
面与承重合一的面系结构。本节将拱
与壳分述如下：(一)拱东西方古国，
很早就产生了拱结构。如：中国的弧
拱、古埃及、希腊的券拱；古罗马的
半圆拱；拜占庭的帆拱；罗马建筑的
肋形拱；哥特建筑的尖拱等。现代的
拱结构多采用圆弧拱或抛物线拱，其
所采用的材料相当广泛，可用砖、石、
混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土，
也有采用木材和钢材的。拱结构的应
用