在本小節中我們要給大家介紹桁架結構體系的組成、優缺點及適用範圍；桁架結構體系的合理布置原則及及受力特點。
桁架結構組成:一般由豎桿，水平杆和斜桿組成（圖1-23）。
圖1－23 桁架結構
在房屋建築中，桁架常用來作為屋蓋承重結構，這時常稱為屋架。
用於屋蓋的桁架體系有兩類：
（1）平面桁架，用於平面屋架；
（2）空間桁架，用於空間網架。
這兩類桁架的共同特點是它們都由一系列只受同向拉力或壓力的桿件連線而成。作為桁架結構的整體來說，它們在荷載作用下受彎、受剪；但作為桁架結構中的桿件來說，只承受軸向力，不承受彎矩、剪力和扭矩。
桁架結構的最大特點是，把整體受彎轉化為區域性構件的受壓或受拉，從而有效地發揮出材料的潛力並增大結構的跨度。
桁架結構受力合理、計算簡單、施工方便、適應性強，對支座沒有橫向推力，因而在結構工程中得到了廣泛的應用。
屋架的主要缺點是結構高度大，側向剛度小。
結構高度大，增加了屋面及圍護牆的用料，同時也增加了採暖、通風、採光等裝置的負荷，並給音響控制帶來困難。側向剛度小，對於鋼屋架特別明顯，受壓的上弦平面外穩定性差，也難以抵抗房屋縱向的側向力，這就需要設定支撐。
桁架是較大跨度建築的屋蓋中常用的結構型式之一。在一般情況下，當房屋的跨度大於18m時，屋蓋結構採用桁架比梁經濟。屋架按其所採用的材料區分，有鋼屋架、木屋架、鋼木屋架和鋼筋混凝土屋架等。
鋼筋混凝土屋架當其下弦採用預應力鋼筋時，稱為預應力鋼筋混凝土屋架。目前，我國預應力鋼筋混凝土屋架的跨度已做到60多公尺，鋼屋架的跨度已做到70多公尺。
一、桁架結構的型式與受力特點
屋架結構的型式很多:
（1）按屋架外形的不同，有三角形屋架、梯形屋架、拋物線屋架、折線型屋架、平行弦屋架等。
（2）根據結構受力的特點及材料效能的不同，也可採用橋式屋架、無斜腹杆屋架或剛接桁架、立體桁架等。
我國常用的屋架有三角形、矩形、梯形、拱形和無斜腹杆屋架等多種型式，見圖1-24。
圖1-24常用的屋架型式
（a）三角形屋架 （b）平行弦屋架（矩形） （c）梯形屋架（再分式）
（d）拱形屋架 （e）下撐式屋架 （f）無斜腹杆屋架
儘管桁架結構中以軸力為主，其構件的受力狀態比梁的結構合理，但在桁架結構各桿件單元中，內力的分布是不均勻的。屋架的幾何形狀有矩形的（即平行弦屋架）、三角形、梯形、折線形的和拋物線形的等等。它們的內力分布隨形狀的不同而變化。
在一般情況下，屋架的主要荷載型別是均勻分布的結點荷載。我們首先分析在結點荷載作用下平行弦屋架的內力分布特點，見圖1-25。然後，引伸至其它形式的屋架。
從圖1-25中可以得出如下結論：
（1）弦杆軸力：
上弦受壓，下弦受拉，其軸力由力矩平衡方程式得出（矩心取在屋架結點）。
n=±m0h
（1-1）
式中:（負值表示上弦受壓，正值表示下弦受拉）
m0一簡支梁相應於屋架各結點處的截面彎矩；
h一屋架高度。
圖1-25 桁架內力計算
從上式可以看出，上下弦的軸力n與m0成正比，與h成反比。由於屋架的高度h值不變，而m0愈接近屋架兩端愈小，所以中間弦杆軸力大，愈向兩端弦杆軸力愈小。
（2）腹杆內力
屋架內部的桿件稱為腹杆，包括豎桿與斜桿。腹杆的內力可以根據隔離體的平衡法則，由力的豎向投影方程求得：
y=±v0
（1-2）
式中，y一斜桿的豎向分力和豎桿的軸力;
v0一簡支梁相應於屋架節間的剪力。
從圖1-26可以看出，v0值在跨中小兩端大，所以相應的腹杆內力也是中間桿件小而兩端桿件大，其內力圖見圖1-26。
以上的分析可以看出：從整體來看，屋架相當於乙個受彎構件，弦杆承受彎矩，腹杆承受剪力，而從區域性來看，屋架的每個桿件只承受軸力（拉力或壓力）。
用同樣的方法可以分析三角形和拋物線形屋架的內力分布情況，見圖1-36b、c所示。
由於這兩種屋架上弦結點的高度中間大，愈向兩端愈小，所以，雖然上弦仍受壓下弦仍受拉，但是內力大小的分布是各不相同的。
從圖1-26可以看出，屋架桿件內力與其形式有著密切的關係。
（1）平行弦屋架內力是不均勻的，弦杆內力由兩端向跨度中間增大，腹杆內力由中間向兩端增大；
（2）三角形屋架內力分布也是不均勻的，弦杆的內力由中間向兩端增大，腹杆內力由兩端向中間增大；
圖1－26 不同形式的桁架及內力圖
（3）拋物線屋架的內力分布比較均勻，從受力角度看，它是比較好的屋架形式，因為它的形狀與同跨度同荷載簡支梁的彎矩圖形相似，也就是說，其形狀符合內力變化的規律。
（1）屋架結構的選型
屋架型式的選擇一般與下列因素有關:
（1）建築物的使用要求
（2）跨度和荷載大小
（3）材料**
（4）施工技術水平
選擇屋架型式的一般原則是適用、經濟、美觀和製造簡單。
a.屋架結構的受力
從結構受力來看，拋物線狀的拱式結構受力最為合理。但拱式結構上弦為曲線，施工複雜。折線型屋架，與拋物線彎矩圖最為接近，故力學效能良好。
梯形屋架，因其既具有較好的力學效能，上下弦均為直線施工方便，故在大中跨建築中被廣泛應用。三角形屋架與矩形屋架力學效能較差。三角形屋架一般僅適用於中小跨度，矩形屋架常用作托架或荷載較特殊情況下使用。
b.屋面防水構造
屋面防水構造決定了屋面排水坡度，進而決定屋蓋的建築造型。
一般來說，當屋面防水材料採用粘土瓦、機制平瓦或水泥瓦時，應選用三角形屋架、陡坡梯形屋架。當屋面防水採用卷材防水、金屬薄板防水時，應選用拱形屋架、折線形屋架和緩坡梯形屋架。
c.材料的耐久性及使用環境
木材及鋼材均易腐蝕，維修費用較高。因此，對於相對濕度較大而又通風不良的建築，或有侵蝕性介質的工業廠房，不宜選用木屋架和鋼屋架，宜選用預應力混凝土屋架，可提高屋架下弦的抗裂性，防止鋼筋腐蝕。
d.屋架結構的跨度
跨度在18m以下時，可選用鋼筋混凝土一鋼組合屋架；這種屋架構造簡單、施工吊裝方便，技術經濟指標較好。跨度在36m以下時，宜選用預應力混凝土屋架，既可節省鋼材，又可有效地控制裂縫寬度和撓度。對於跨度在36m以上的大跨度建築或受到較大振動荷載作用的屋架，宜選用鋼屋架，以減輕結構自重，提高結構的耐久性與可靠性。
（2）屋架結構的基本尺寸
屋架結構的基本尺寸包括屋架的矢高、坡度、節間長度。
a.矢高
屋架矢高主要由結構剛度條件確定，屋架的矢高直接影響結構的剛度與經濟指標。矢高大、弦杆受力小，但腹桿長、長細比大、易壓曲，用料反而會增多。矢高小，則弦杆受力大、截面大、且屋架剛度小、變形大。
因此，矢高不宜過大也不宜過小。屋架的矢高也要根據屋架的結構型式。一般矢高可取跨度的1/10～1/5。
b.坡度
屋架上弦坡度的確定應與屋面防水構造相適應。
當採用瓦類屋面時，屋架上弦坡度應大些，一般不小於1/3，以利於排水。當採用大型屋面板並做卷材防水時，屋面坡度可平緩些，一般為 1/8～1/12。
c.節間長度
屋架節間長度的大小與屋架的結構型式，材料及受荷條件有關。
一般上弦受壓，節間長度應小些，下弦受拉，節間長度可大些。屋面荷載應直接作用在節點上，以優化桿件的受力狀態。為減少屋架製作工作量，減少桿件與節點數目，節間長度可取大些。
但節間桿長也不宜過大，一般為1.5～4m。
屋架的寬度主要由上弦寬度決定。鋼筋混凝土屋架當採用大型屋面板時，上弦寬度主考慮屋面板的搭接要求，一般不小於20cm。
跨度較大的屋架將產生較大的撓度。因此，製作時要採取起拱的辦法抵消荷載作用下產生的撓度。跨度大於18m的三角形屋架和跨度大於24m的梯形屋架，起拱度一般為跨度1/500。
（3）屋架結構的布置
屋架結構的布置，包括屋架結構的跨度、間距、標高等，主要考慮建築外觀造型及建築使用功能方面的要求來決定。對於矩形的建築平面，一般採用等跨度、等間距、等標高布置的同一種類的屋架，以簡化結構構造、方便結構施工。
為了構造簡單，製作方便，屋架的弦杆通常設計成等截面的。所以確定屋架的形式時應盡量使弦杆沿全長的內力分布基本相同。如果各節間的內力相差太大，容易造成材料的浪費。
屋架的腹杆布置要合理，盡量避免非結點荷載。並盡量使長腹杆受拉，短腹杆受壓，腹杆數目宜少，使結點匯集的桿件少，構造簡單。
結點構造要簡單合理。桿件的交角不宜太小，一般在250～750之間。
a.屋架的跨度
屋架的跨度應根據工藝使用和建築要求確定，一般以3m為模數。對於常用屋架型式的常用跨度，我國都制訂了相應的標準圖集可供查用，從而可加快設計及施工的進度。
對於矩形平面的建築，一般可選用同一種型號的屋架，僅端部或變形縫兩側屋架中的預埋件稍有不同。對於非矩形平面的建築，各根屋架的跨度就不可能一樣，這時應儘量減少其型別以方便施工。
b.屋架的間距
屋架一般宜等間距平行排列，與房屋縱向柱列的間距一致，屋架直接擱置在柱頂。間距的大小除考慮建築平面柱網布置的要求外，還要考慮屋面結構及吊頂構造的經濟合理性。屋架的間距同時即為屋面板或檁條、吊頂龍骨的跨度，最常見的為6m，有時也有7.
5m、9m、12m等。
c.屋架的支座
屋架支座的標高由建築外形的要求確定，一般為在同層中屋架的支座取同一標高。當一根屋架兩端支座的標高不一致時，要注意可能會對支座產生水平推力。屋架的支座形式，在力學上可簡化為鉸接支座。
實際工程中，當跨度較小時，一般把屋架直接擱置在牆、垛、柱或圈樑上。當跨度較大時，則應採取專門的構造措施，以滿足屋架端部發生轉動的要求。
（4）屋架結構的支撐
屋架支撐的位置在有山牆時設在房屋兩端的第二開間內，對無山牆（包括伸縮縫處）的房屋設在房屋兩端的第一開間內；在房屋中間每隔一定距離（一般≤60m）亦需設定一道支撐，對於木屋架，距離為20～30m。
支撐體系包括上弦水平支撐、下弦水平支撐與垂直支撐，它們把上述開間相鄰的兩桁架鏈結成穩定的整體。在下弦平面通過縱向系杆，與上述開間空間體系相連，以保證整個房屋的空間剛度和穩定性。
支撐的作用有三個：
（1）保證屋蓋的空間剛度與整體穩定；
（2）抵抗並傳遞由屋蓋沿房屋縱向傳來的側向水平力，如山牆承受的風力、縱向**作用等；
（3）防止桁架上弦平面外的壓曲，減少平面外長細比，並防止桁架下弦平面外的振動。
鋼結構 桁架
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