第五節(jié) 大跨度屋蓋結構
一、桁架
桁架應用極廣，適用跨度范圍(6—60m)非常大。以受力特點可分為：平面桁架、立體桁架、空腹桁架。通常所指的桁架全是平面桁架，只在強調其與立體桁架或空腹桁架有所區(qū)別時，才稱之為平面桁架。文藝復興時期，改進完善了木桁架，解決了空間屋頂結構的問題；10世紀工業(yè)大發(fā)展，因工業(yè)、交通建設需要，進一步加大跨度。出現(xiàn)了各種鋼屋架采用桁架。
(一)桁架的基本特點
1．平面——外荷與支座反力都作用在全部桁架桿件軸線所在的平面內；
2．幾何不變——桁架的桿件按三角形法則構成；
3．鉸接——桿件相交的節(jié)點，計算按鉸接考慮，木桿件的節(jié)點非常接近鉸接；鋼桁架或鋼筋混凝土桁架的節(jié)點非鉸接、實屬于剛架，其桿件除軸向力外，還存在彎矩，會產生應力但很小，依靠節(jié)點構造措施能解決，故一般仍按結點鉸接考慮；
4，軸向受力——結點既是鉸接，故各桿件(弦桿、豎桿、斜桿)均受軸向力，這是
材盡其用的有效途徑。
(二)桁架的合理形式
選擇桁架形式的出發(fā)點是受力合理，能充分發(fā)揮材力，以取得良好的經濟效益。桁架桿件雖然是軸向受力，但桁架總體仍擺脫不了彎曲的控制，在節(jié)點豎向荷載作用下，其上弦受壓、下弦受拉，主要抵抗彎矩，而腹桿則主要抵抗剪力。
由力分析可以看出，在其他條件相同的情況下，受力最合理，結點構造最簡單，用料最經濟，自重最輕巧，施工也可行的是多邊形或弧形桁架，因其上弦非直線，制作較復雜，僅適用于較大跨度的情況。一般為便于構造與制作，上下弦各采用等截面桿件，其截面按內力決定，故內力較小的節(jié)問，材料未盡其用；為充分發(fā)揮材力，應盡量使弦桿各節(jié)點內力值接近。為進一步改進多邊形桁架，使其上弦制作方便些，可作成折線形上弦的桁架，其高度變化接近于拋物線，這樣適用于中、大跨(l>18m)，但其制作仍比三角形或梯形桁架復雜，三角形桁架的特點是上弦為兩根直料，構造與制作最簡單，其受力極不均勻，僅適用于小、中跨(l≤18m)的桁架情況。
(三)桁架選型
選擇桁架形式時，除了要考慮桁架受力與經濟合理外，還需要考慮下列問題：
(1)建筑體型與美觀；
(2)屋面材料及其坡度；
(3)制作與吊裝。
(四)桁架的空間支撐
支撐的位置設在山墻位置兩端的第二開間內，對無山墻(包括伸縮縫處)房屋沒在房 屋兩端第一開間內，房屋中間每隔一定距離(一般≤60m)亦需設置一道支撐，木屋架為20～30m。支撐包括上弦水平支撐、下弦水平支撐與垂直支撐，把上述開間相鄰兩端桁架聯(lián)結成穩(wěn)定的整體。在下弦平面通過縱向系桿，與上述開間空間體系相邊，以保證整個房屋的空間剛度和穩(wěn)定性。支撐的作用有三：
(1)保證屋蓋的空間剛度與整體穩(wěn)定；
(2)抵抗并傳遞屋蓋縱向側力，如山墻風力、縱向地震力等；
(3)保證桁架上弦平面外的壓曲，減少平面外長細比，并可以防止桁架下弦平面外的振動。
(五)桁架的優(yōu)缺點
1．優(yōu)點
(1)桁架的設計、制作、安裝均為簡便；
(2)桁架適應跨度范圍很大，故其應用非常廣泛。
2。缺點
(1)結構空間大，其跨中高度H較大，一般為(1／10—1／5)l0，給建筑體型帶來笨 重的大山頭，單層建筑尤難處理；
(2)側向剛度小，鋼屋架尤甚，需要設置支撐，把各榀桁架聯(lián)成整體，使之具有空間剛度，以抵抗縱向側力，支撐按構造(長細比)要求確定截面，耗鋼而未能材盡其用。
(六)立體桁架
解決上述未盡其用的問題使桁架材料充分發(fā)揮其潛力的辦法，是改平面桁架為空間桁架，即立體桁架。這樣一來桁架本身就具有足夠的側向剛度與穩(wěn)定性，以簡化或從根本上取消支撐。
(七)空腹桁架
由于使用上的需要或建筑功能上的要求，如在桁架高度范圍內開門窗或天窗、或在桁架高度范圍內作設備層、或需要穿越管道與人行道，或桁架暴露于室外需要適當美觀等原因，不允許桁架有斜腹桿，只有豎桿的桁架，即是空腹桁架。
本節(jié)所述之平面桁架、立體桁架與空腹桁架，其總體仍然是受彎構件，本質是格構式梁或梁式桁架。
二、拱殼
拱是抗壓材料的理想形式，拱形的土穴、巖洞是自然界存在最多的天然結構。拱是受壓的，土與石承壓性能好，因此天然結構中拱形的土穴與巖洞占絕大多數(shù)。
殼體具有三大功能，即強度大、剛度大和板架合一，這是由于殼能雙向直接傳力、具有極大空間剛度和屋面與承重合一的面系結構。本節(jié)將拱與殼分述如下：
(一)拱
東西方古國，很早就產生了拱結構。如：中國的弧拱、古埃及、希臘的券拱；古羅馬的半圓拱；拜占庭的帆拱；羅馬建筑的肋形拱；哥特建筑的尖拱等。
現(xiàn)代的拱結構多采用圓弧拱或拋物線拱，其所采用的材料相當廣泛，可用磚、石、混凝土、鋼筋混凝土、預應力混凝土，也有采用木材和鋼材的。拱結構的應用范圍很廣；最初用于橋梁，在建筑中，拱主要用于屋蓋、或跨門窗洞口，有時也用作樓蓋、承托圍墻或地下溝道頂蓋。
拱所承受的荷載不同，其壓力曲線的線形也不相同，一般按恒載下壓力曲線確 定；在活載作用下，拱內力可能產生彎矩，這時鉸的設置就會影響拱內彎矩的分布狀況。與剛架相仿，只有地基良好或兩側拱肢處有穩(wěn)定邊跨結構時才采用無鉸拱，這種拱很少用于房屋建筑。雙鉸拱應用較多，為適應軟弱地基上支座沉降差及拱拉桿變形，采用靜定結構的三鉸拱，如西安秦俑博物館展覽廳，由于地基為Ⅰ-Ⅱ級濕陷性土而采用67m跨的三鉸拱。
拱身可分為兩大類，即梁式拱和板式拱。
粱式拱有兩種：
(1)肋形拱；
(2)格構式拱。
2．板式拱有六種：
(1)筒拱；
(2)凹波拱；
(3)凸波拱；
(4)雙波拱；
(5)折板拱；
(6)箱形拱。
拱以曲桿抗衡并傳遞外力給支座，故鉸支座不僅承受豎向力，并有相當大的水平向外的拱腳推力，其合力就位于拱軸曲線在支座點的切線方向上。拱腳有推力是其主要力學特征之一，矢高f越小，推力越大。一次超靜定的雙鉸拱，支座的垂直或水平位移均會引起 內力變化，對支座在推力作用下無變位的要求就更嚴格。由此可見，為了使拱保持正常工 作，務必確保其支座能承受住推力而不位移，故拱腳推力的結構處理，是拱結構設計的中 心問題。
3．一般，抵抗推力結構的處理方案，有下列幾種：
(1)推力由拉桿直接承擔；
(2)推力由水平結構承擔。
4．結合拱腳部位有下列的處理方案：
(1)連續(xù)拱的中間支座，兩側恒載作用下拱腳推力相抵消，故中間各跨可不設拉桿； 非對稱活荷(雪、風荷等)作用下，兩側不平衡推力，可由作為中間支座的梁來抗衡。
(2)邊跨拱的邊支座處理；
1)邊圈梁；
2)挑檐板；
3)邊跨平頂。
(3)推力由豎向結構承擔。豎向結構有下列四種形式：
1)扶壁墻墩；
2)飛券；
3)斜托墩；
4)邊跨結構。
(4)推力直接傳給基礎一落地拱。拱結構布置有下列六種：
1)并列布置；
2)徑向布置；
3)環(huán)向布置；
4)井式布置；
5)多叉布置；
6)拱環(huán)布置。
一、桁架
桁架應用極廣，適用跨度范圍(6—60m)非常大。以受力特點可分為：平面桁架、立體桁架、空腹桁架。通常所指的桁架全是平面桁架，只在強調其與立體桁架或空腹桁架有所區(qū)別時，才稱之為平面桁架。文藝復興時期，改進完善了木桁架，解決了空間屋頂結構的問題；10世紀工業(yè)大發(fā)展，因工業(yè)、交通建設需要，進一步加大跨度。出現(xiàn)了各種鋼屋架采用桁架。
(一)桁架的基本特點
1．平面——外荷與支座反力都作用在全部桁架桿件軸線所在的平面內；
2．幾何不變——桁架的桿件按三角形法則構成；
3．鉸接——桿件相交的節(jié)點，計算按鉸接考慮，木桿件的節(jié)點非常接近鉸接；鋼桁架或鋼筋混凝土桁架的節(jié)點非鉸接、實屬于剛架，其桿件除軸向力外，還存在彎矩，會產生應力但很小，依靠節(jié)點構造措施能解決，故一般仍按結點鉸接考慮；
4，軸向受力——結點既是鉸接，故各桿件(弦桿、豎桿、斜桿)均受軸向力，這是
材盡其用的有效途徑。
(二)桁架的合理形式
選擇桁架形式的出發(fā)點是受力合理，能充分發(fā)揮材力，以取得良好的經濟效益。桁架桿件雖然是軸向受力，但桁架總體仍擺脫不了彎曲的控制，在節(jié)點豎向荷載作用下，其上弦受壓、下弦受拉，主要抵抗彎矩，而腹桿則主要抵抗剪力。
由力分析可以看出，在其他條件相同的情況下，受力最合理，結點構造最簡單，用料最經濟，自重最輕巧，施工也可行的是多邊形或弧形桁架，因其上弦非直線，制作較復雜，僅適用于較大跨度的情況。一般為便于構造與制作，上下弦各采用等截面桿件，其截面按內力決定，故內力較小的節(jié)問，材料未盡其用；為充分發(fā)揮材力，應盡量使弦桿各節(jié)點內力值接近。為進一步改進多邊形桁架，使其上弦制作方便些，可作成折線形上弦的桁架，其高度變化接近于拋物線，這樣適用于中、大跨(l>18m)，但其制作仍比三角形或梯形桁架復雜，三角形桁架的特點是上弦為兩根直料，構造與制作最簡單，其受力極不均勻，僅適用于小、中跨(l≤18m)的桁架情況。
(三)桁架選型
選擇桁架形式時，除了要考慮桁架受力與經濟合理外，還需要考慮下列問題：
(1)建筑體型與美觀；
(2)屋面材料及其坡度；
(3)制作與吊裝。
(四)桁架的空間支撐
支撐的位置設在山墻位置兩端的第二開間內，對無山墻(包括伸縮縫處)房屋沒在房 屋兩端第一開間內，房屋中間每隔一定距離(一般≤60m)亦需設置一道支撐，木屋架為20～30m。支撐包括上弦水平支撐、下弦水平支撐與垂直支撐，把上述開間相鄰兩端桁架聯(lián)結成穩(wěn)定的整體。在下弦平面通過縱向系桿，與上述開間空間體系相邊，以保證整個房屋的空間剛度和穩(wěn)定性。支撐的作用有三：
(1)保證屋蓋的空間剛度與整體穩(wěn)定；
(2)抵抗并傳遞屋蓋縱向側力，如山墻風力、縱向地震力等；
(3)保證桁架上弦平面外的壓曲，減少平面外長細比，并可以防止桁架下弦平面外的振動。
(五)桁架的優(yōu)缺點
1．優(yōu)點
(1)桁架的設計、制作、安裝均為簡便；
(2)桁架適應跨度范圍很大，故其應用非常廣泛。
2。缺點
(1)結構空間大，其跨中高度H較大，一般為(1／10—1／5)l0，給建筑體型帶來笨 重的大山頭，單層建筑尤難處理；
(2)側向剛度小，鋼屋架尤甚，需要設置支撐，把各榀桁架聯(lián)成整體，使之具有空間剛度，以抵抗縱向側力，支撐按構造(長細比)要求確定截面，耗鋼而未能材盡其用。
(六)立體桁架
解決上述未盡其用的問題使桁架材料充分發(fā)揮其潛力的辦法，是改平面桁架為空間桁架，即立體桁架。這樣一來桁架本身就具有足夠的側向剛度與穩(wěn)定性，以簡化或從根本上取消支撐。
(七)空腹桁架
由于使用上的需要或建筑功能上的要求，如在桁架高度范圍內開門窗或天窗、或在桁架高度范圍內作設備層、或需要穿越管道與人行道，或桁架暴露于室外需要適當美觀等原因，不允許桁架有斜腹桿，只有豎桿的桁架，即是空腹桁架。
本節(jié)所述之平面桁架、立體桁架與空腹桁架，其總體仍然是受彎構件，本質是格構式梁或梁式桁架。
二、拱殼
拱是抗壓材料的理想形式，拱形的土穴、巖洞是自然界存在最多的天然結構。拱是受壓的，土與石承壓性能好，因此天然結構中拱形的土穴與巖洞占絕大多數(shù)。
殼體具有三大功能，即強度大、剛度大和板架合一，這是由于殼能雙向直接傳力、具有極大空間剛度和屋面與承重合一的面系結構。本節(jié)將拱與殼分述如下：
(一)拱
東西方古國，很早就產生了拱結構。如：中國的弧拱、古埃及、希臘的券拱；古羅馬的半圓拱；拜占庭的帆拱；羅馬建筑的肋形拱；哥特建筑的尖拱等。
現(xiàn)代的拱結構多采用圓弧拱或拋物線拱，其所采用的材料相當廣泛，可用磚、石、混凝土、鋼筋混凝土、預應力混凝土，也有采用木材和鋼材的。拱結構的應用范圍很廣；最初用于橋梁，在建筑中，拱主要用于屋蓋、或跨門窗洞口，有時也用作樓蓋、承托圍墻或地下溝道頂蓋。
拱所承受的荷載不同，其壓力曲線的線形也不相同，一般按恒載下壓力曲線確 定；在活載作用下，拱內力可能產生彎矩，這時鉸的設置就會影響拱內彎矩的分布狀況。與剛架相仿，只有地基良好或兩側拱肢處有穩(wěn)定邊跨結構時才采用無鉸拱，這種拱很少用于房屋建筑。雙鉸拱應用較多，為適應軟弱地基上支座沉降差及拱拉桿變形，采用靜定結構的三鉸拱，如西安秦俑博物館展覽廳，由于地基為Ⅰ-Ⅱ級濕陷性土而采用67m跨的三鉸拱。
拱身可分為兩大類，即梁式拱和板式拱。
粱式拱有兩種：
(1)肋形拱；
(2)格構式拱。
2．板式拱有六種：
(1)筒拱；
(2)凹波拱；
(3)凸波拱；
(4)雙波拱；
(5)折板拱；
(6)箱形拱。
拱以曲桿抗衡并傳遞外力給支座，故鉸支座不僅承受豎向力，并有相當大的水平向外的拱腳推力，其合力就位于拱軸曲線在支座點的切線方向上。拱腳有推力是其主要力學特征之一，矢高f越小，推力越大。一次超靜定的雙鉸拱，支座的垂直或水平位移均會引起 內力變化，對支座在推力作用下無變位的要求就更嚴格。由此可見，為了使拱保持正常工 作，務必確保其支座能承受住推力而不位移，故拱腳推力的結構處理，是拱結構設計的中 心問題。
3．一般，抵抗推力結構的處理方案，有下列幾種：
(1)推力由拉桿直接承擔；
(2)推力由水平結構承擔。
4．結合拱腳部位有下列的處理方案：
(1)連續(xù)拱的中間支座，兩側恒載作用下拱腳推力相抵消，故中間各跨可不設拉桿； 非對稱活荷(雪、風荷等)作用下，兩側不平衡推力，可由作為中間支座的梁來抗衡。
(2)邊跨拱的邊支座處理；
1)邊圈梁；
2)挑檐板；
3)邊跨平頂。
(3)推力由豎向結構承擔。豎向結構有下列四種形式：
1)扶壁墻墩；
2)飛券；
3)斜托墩；
4)邊跨結構。
(4)推力直接傳給基礎一落地拱。拱結構布置有下列六種：
1)并列布置；
2)徑向布置；
3)環(huán)向布置；
4)井式布置；
5)多叉布置；
6)拱環(huán)布置。