大跨度屋盖结构

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。

拱结构的应用范围很广；最初用于桥梁，在建筑中，拱主要用于屋盖、或跨门窗洞口，有时也用作楼盖、承托围墙或地下沟道顶盖。

拱所承受的荷载不同，其压力曲线的线形也不相同，一般按恒载下压力曲线确定；在活载作用下，拱内力可能产生弯矩，这时铰的设置就
会影响拱内弯矩的分布状况。

与刚架相仿，只有地基良好或两侧拱肢处有稳定边跨结构时才采用无铰拱，这种拱很少用于房屋建筑。

双铰拱应用较多，为适应软弱地基上支座沉降差及拱拉杆变形，最好采用静定结构的三铰拱，如西安秦俑博物馆展览厅，由于地基为Ⅰ-Ⅱ级湿陷性土而采用
67m跨的三铰拱。

拱身可分为两大类，即梁式拱和板式拱。

粱式拱有两种：(1)肋形拱；(2)格构式拱。

2．板式拱有六种：(1)筒拱；(2)凹波拱；(3)凸波拱；(4)双波拱；(5)折板拱；(6)箱形拱。

拱以曲杆抗衡并传递外力给支座，故铰支座不仅承受竖向力，并
有相当大的水平向外的拱脚推力，其合力就位于拱轴曲线在支座点的切
线方向上。

拱脚有推力是其主要力学特征之一，矢高f越小，推力越大。

一次超静定的双铰拱，支座的垂直或水平位移均会引起内力变化，对支座在推力作用下无变位的要求就更严格。

由此可见，为了使拱保持正常工作，务必确保其支座能承受住推力而不位移，故拱脚推力的结构处理，是拱结构设计的中心问题。

3．一般，抵抗推力结构的处理方案，有下列几种：(1)推力由拉杆直接承担；(2)推力由水平结构承担。

4．结合拱脚部位有下列的处理方案：(1)连续拱的
中间支座，两侧恒载作用下拱脚推力相抵消，故中间各跨可不设拉杆；非对称活荷(雪、风荷等)作用下，两侧不平衡推力，可由作为中间支座的梁来抗衡。

(2)边跨拱的边支座处理；1)边圈梁；2)挑檐板；3)边跨平顶。

(3)推力由竖向结构承担。

竖向结构有下列四种形式：1)扶壁墙墩；2)飞券；
3)斜托墩；4)边跨结构。

(4)推力直接传给基础一落地拱。

拱结构布置有下列六种：1)并列布置；2)径向布置；3)环向布置；4)井式布置；5)多叉布置；6)拱环布置。