大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)
一、桁架
桁架應(yīng)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(diào)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(fù)興時期，改進完善了木桁架，解決了空間屋頂結(jié)構(gòu)的問題；10世紀工業(yè)大發(fā)展，因工業(yè)、交通建設(shè)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(nèi)；
2．幾何不變——桁架的桿件按三角形法則構(gòu)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(chǎn)生應(yīng)力但很小，依靠節(jié)點構(gòu)造措施能解決，故一般仍按結(jié)點鉸接考慮；
4，軸向受力——結(jié)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(jīng)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(jié)點構(gòu)造最簡單，用料最經(jīng)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(fù)雜，僅適用于較大跨度的情況。一般為便于構(gòu)造與制作，上下弦各采用等截面桿件，其截面按內(nèi)力決定，故內(nèi)力較小的節(jié)問，材料未盡其用；為充分發(fā)揮材力，應(yīng)盡量使弦桿各節(jié)點內(nèi)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(fù)雜，三角形桁架的特點是上弦為兩根直料，構(gòu)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(jīng)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(shè)在山墻位置兩端的第二開間內(nèi)，對無山墻(包括伸縮縫處)房屋沒在房 屋兩端第一開間內(nèi)，房屋中間每隔一定距離(一般≤60m)亦需設(shè)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(jié)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(cè)力，如山墻風(fēng)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(shè)計、制作、安裝均為簡便； (2)桁架適應(yīng)跨度范圍很大，故其應(yīng)用非常廣泛。 2。缺點 (1)結(jié)構(gòu)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(cè)向剛度小，鋼屋架尤甚，需要設(shè)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(cè)力，支撐按構(gòu)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(cè)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(nèi)開門窗或天窗、或在桁架高度范圍內(nèi)作設(shè)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(dāng)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(gòu)件，本質(zhì)是格構(gòu)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(jié)構(gòu)。拱是受壓的，土與石承壓性能好，因此天然結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。本節(jié)將拱與殼分述如下： (一)拱 東西方古國，很早就產(chǎn)生了拱結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)多采用圓弧拱或拋物線拱，其所采用的材料相當(dāng)廣泛，可用磚、石、混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土，也有采用木材和鋼材的。拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(nèi)力可能產(chǎn)生彎矩，這時鉸的設(shè)置就會影響拱內(nèi)彎矩的分布狀況。與剛架相仿，只有地基良好或兩側(cè)拱肢處有穩(wěn)定邊跨結(jié)構(gòu)時才采用無鉸拱，這種拱很少用于房屋建筑。雙鉸拱應(yīng)用較多，為適應(yīng)軟弱地基上支座沉降差及拱拉桿變形，采用靜定結(jié)構(gòu)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(gòu)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(dāng)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(xué)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(nèi)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(wù)必確保其支座能承受住推力而不位移，故拱腳推力的結(jié)構(gòu)處理，是拱結(jié)構(gòu)設(shè)計的中 心問題。 3．一般，抵抗推力結(jié)構(gòu)的處理方案，有下列幾種： (1)推力由拉桿直接承擔(dān)； (2)推力由水平結(jié)構(gòu)承擔(dān)。 4．結(jié)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(cè)恒載作用下拱腳推力相抵消，故中間各跨可不設(shè)拉桿； 非對稱活荷(雪、風(fēng)荷等)作用下，兩側(cè)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(jié)構(gòu)承擔(dān)。豎向結(jié)構(gòu)有下列四種形式： 1)扶壁墻墩； 2)飛券； 3)斜托墩； 4)邊跨結(jié)構(gòu)。 (4)推力直接傳給基礎(chǔ)一落地拱。拱結(jié)構(gòu)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(yīng)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(diào)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(fù)興時期，改進完善了木桁架，解決了空間屋頂結(jié)構(gòu)的問題；10世紀工業(yè)大發(fā)展，因工業(yè)、交通建設(shè)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(nèi)；
2．幾何不變——桁架的桿件按三角形法則構(gòu)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(chǎn)生應(yīng)力但很小，依靠節(jié)點構(gòu)造措施能解決，故一般仍按結(jié)點鉸接考慮；
4，軸向受力——結(jié)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(jīng)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(jié)點構(gòu)造最簡單，用料最經(jīng)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(fù)雜，僅適用于較大跨度的情況。一般為便于構(gòu)造與制作，上下弦各采用等截面桿件，其截面按內(nèi)力決定，故內(nèi)力較小的節(jié)問，材料未盡其用；為充分發(fā)揮材力，應(yīng)盡量使弦桿各節(jié)點內(nèi)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(fù)雜，三角形桁架的特點是上弦為兩根直料，構(gòu)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(jīng)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(shè)在山墻位置兩端的第二開間內(nèi)，對無山墻(包括伸縮縫處)房屋沒在房 屋兩端第一開間內(nèi)，房屋中間每隔一定距離(一般≤60m)亦需設(shè)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(jié)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(cè)力，如山墻風(fēng)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(shè)計、制作、安裝均為簡便； (2)桁架適應(yīng)跨度范圍很大，故其應(yīng)用非常廣泛。 2。缺點 (1)結(jié)構(gòu)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(cè)向剛度小，鋼屋架尤甚，需要設(shè)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(cè)力，支撐按構(gòu)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(cè)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(nèi)開門窗或天窗、或在桁架高度范圍內(nèi)作設(shè)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(dāng)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(gòu)件，本質(zhì)是格構(gòu)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(jié)構(gòu)。拱是受壓的，土與石承壓性能好，因此天然結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。本節(jié)將拱與殼分述如下： (一)拱 東西方古國，很早就產(chǎn)生了拱結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)多采用圓弧拱或拋物線拱，其所采用的材料相當(dāng)廣泛，可用磚、石、混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土，也有采用木材和鋼材的。拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(nèi)力可能產(chǎn)生彎矩，這時鉸的設(shè)置就會影響拱內(nèi)彎矩的分布狀況。與剛架相仿，只有地基良好或兩側(cè)拱肢處有穩(wěn)定邊跨結(jié)構(gòu)時才采用無鉸拱，這種拱很少用于房屋建筑。雙鉸拱應(yīng)用較多，為適應(yīng)軟弱地基上支座沉降差及拱拉桿變形，采用靜定結(jié)構(gòu)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(gòu)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(dāng)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(xué)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(nèi)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(wù)必確保其支座能承受住推力而不位移，故拱腳推力的結(jié)構(gòu)處理，是拱結(jié)構(gòu)設(shè)計的中 心問題。 3．一般，抵抗推力結(jié)構(gòu)的處理方案，有下列幾種： (1)推力由拉桿直接承擔(dān)； (2)推力由水平結(jié)構(gòu)承擔(dān)。 4．結(jié)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(cè)恒載作用下拱腳推力相抵消，故中間各跨可不設(shè)拉桿； 非對稱活荷(雪、風(fēng)荷等)作用下，兩側(cè)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(jié)構(gòu)承擔(dān)。豎向結(jié)構(gòu)有下列四種形式： 1)扶壁墻墩； 2)飛券； 3)斜托墩； 4)邊跨結(jié)構(gòu)。 (4)推力直接傳給基礎(chǔ)一落地拱。拱結(jié)構(gòu)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。