1、大跨建筑桁架结构形式与建筑造型实例分析赵骏（山东建筑大学，建筑城规学院，2009051071）摘要：桁架是指由直杆在杆端相互连接而组成的以抗弯为主的格构式结构。桁架中的杆件大多只承受轴向力，材料性能发挥较好，特别适用于跨度或高度较大的结构。桁架主要用于空间桁架（网架和塔架）、平面桁架（屋架、吊车桁架、水工结构中的钢栈桥、钢桁架引桥、钢闸门中的桁架等）。钢木桁架为采用钢材作下弦的桁架，钢木桁架能消除木材缺陷(木节、裂缝及斜纹)对桁架受拉下弦及其连接的不利影响，提高桁架的安全可靠程度和刚度。关键词：大跨建筑，桁架结构，造型实例1 引子在科技发达的社会对于建筑的要求越来越高，大跨度的建筑层出不穷这就
2、需要更好的技术，本文介绍建筑桁架结构中的几个类型，如；刚桁架结构的特点及内力分析，木桁架结构的内力分析，以及桁架的结构特点，桁架结构的优点；扩大了粱式结构的适用跨度，桁架可用各种材料制造，如钢筋混凝土、钢材、木材均可。用于房屋上的桁架常称屋架，桁架型式的选择一般与建筑物的使用要求，跨度和荷载大小，以及材料供应和施工技术水平等因素有关。选择桁架型式的一般原则是适用经济美观和制造简单。桁架可用木材、钢材、钢筋混凝土等材料制造，由于每种材料的力学性能各不相同，所以不同材料制造的屋架，其型式也各不一样。这种屋架型式适用于木屋架。桁架是由杆件组成的格构体系，其节点一般假定为铰结点，当荷载作用在结点上时，
3、桁架的杆件内力与桁架的外形有着密切的关系。平行弦桁架的杆件内力是不均匀的，弦杆内力是两端小而向中间逐渐增大，腹杆内力是两端大而向中间逐渐减小。桁架的外形及腹杆形式;三角形屋架，人字式腹杆，豪式腹杆，梯形屋架，再分式腹杆，平行弦屋架交叉式腹杆。本文还介绍了关于桁架选用及屋架结构的选型。2 桁架结构的基本概念桁架结构中的桁架指的是桁架梁，是格构化的一种梁式结构。桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中。由于大多用于建筑的屋盖结构，桁架通常也被称作屋架。2.1桁架的历史演变只受结点荷载作用的等直杆的理想铰结体系称桁架结构。它是由一些杆轴交于一点的工程结构抽象简化而成的。桁架在建造
4、木桥和屋架上最先见诸实用。古罗马人用桁架修建横跨多瑙河的特雷江桥的上部结构（发现于罗马的浮雕中），文艺复兴时期，意大利建筑师（拔拉雕）也开始采用木桁架建桥出现朗式、汤式、豪式桁架。英国最早的金属桁架是在1845年建成的，适合汤式木桁架相似的格构桁架，第二年又采用了三角形的华伦式桁架。2.2桁架种类根据桁架的外形分为：平行弦桁架（便于布置双层结构；利于标准化生产，但杆力分布不够均匀）、折弦桁架（如抛物线形桁架梁，外形同均布荷载下简支梁的弯矩图，杆力分布均匀，材料使用经济，构造较复杂）、三角形桁架（杆力分布更不均匀，构造布置困难，但斜面符合屋顶排水需要）。以桁架几何组成方式分：简单桁架（由一个基本
5、铰结三角形依次增加二元体组成）、联合桁架（由几个简单桁架按几何不变体系的简单组成规则联合组成）、复杂桁架（不同于前两种的其它静定桁架）。按所受水平推力分：无推力的梁式桁架（与相应的实梁结构比较，掏空率大，上下弦杆抗弯，腹杆主要抗剪，受力合理，用材经济）、有推力的拱式桁架（拱圈与拱上结构联为一体整体性好，便于施工，跨越能力强，节省钢材料）。2.3桁架内力特征受力特点是结构内力只有轴力，而没有弯矩和剪力。这一受力特性反映了实）际结构的主要因素，轴力称桁架的主内力。实际结构（如钢筋混凝土屋架，铆（栓）接或焊接的钢桁架桥）中由于结点的非理想铰结等原因，还同时存在微小的弯矩和剪力，对轴力也有很小的影响（
6、因结点刚性和桁架杆横截面积与惯性矩比值的大小而异，一般减小5%0.1%），称为次内力。考虑桁架各结点的平衡，结点承受汇交力系作用，逐次建立各结点的投影平衡方程，可求出所有的未知杆力，这种方法称结点法，最适用于简单桁架。求解时宜根据组成特点先判定零杆，并尽可能避免解联立方程。有时只需求少数杆件内力或者对于联合桁架和复杂桁架，结点法无法奏效时，需用截面法。有选择地截断杆件（一般不超过三杆）以桁架的局部为平衡对象，由平衡方程即可求得所需杆件轴力。对于某些桁架（如K式桁架），联合应用结点法和截面法更有效。对于杆件很多的复杂桁架或空间桁架，最好的选择应是计算机方法。2.4主要结构特点各杆件受力均以单向拉
7、、压为主，通过对上下弦杆和腹杆的合理布置，可适应结构内部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、压内力实现了自身平衡，整个结构不对支座产生水平推力。结构布置灵活，应用范围非常广。桁架梁和实腹梁（即我们一般所见的梁）相比，在抗弯方面，由于将受拉与受压的截面集中布置在上下两端，增大了内力臂，使得以同样的材料用量，实现了更大的抗弯强度。在抗剪方面，通过合理布置腹杆，能够将剪力逐步传递给支座。这样无论是抗弯还是抗剪，桁架结构都能够使材料强度得到充分发挥，从而适用于各种跨度的建筑屋盖结构。更重要的意义还在于，它将横弯作用下的实腹梁内部复杂的应力状态转化为桁架杆件内简单的拉压应力状态，使我们能够直观地了解力的
8、分布和传递，便于结构的变化和组合。2.5桁架结构的优点（1）扩大了粱式结构的适用跨度。（2）桁架可用各种材料制造，如钢筋混凝土、钢材、木材均可。（3）桁架是由杆件组成的，桁架体型可以多样化。如平行弦桁架、三角形桁架、梯形桁架、弧形桁架等型式。（4）施工方便，桁架可以整体制造吊装，也可以在施工现场高空进行杆件拼装。3 结构的形式及选型布置用于房屋上的桁架常称屋架，桁架型式的选择一般与建筑物的使用要求，跨度和荷载大小，以及材料供应和施工技术水平等因素有关。选择桁架型式的一般原则是适用经济美观和制造简单。桁架可用木材、钢材、钢筋混凝土等材料制造，由于每种材料的力学性能各不相同，所以不同材料制造的屋架
9、，其型式也各不一样。3.1按材料分类按材料分类可分为木屋架、钢屋架、钢木组合屋架、轻型钢屋架、混凝土屋架、钢筋混凝土屋架、钢筋混凝土钢组合屋架等。3.1.1木屋架(1)屋架的节间大小均匀，屋架的杆件内力不致突变太大。因为木材强度较低，这对采用木材作杆件提供有利条件。(2) 木屋架的结点采用齿联结。这种屋架结点上相交的杆件不多，为齿联结提供可能性。豪式木屋架的适用跨度为92l米，最经济跨度为9l5米；豪式木屋架的节间数目主要考虑节间长度要适中，如节间长度太长，则杆件长度太长，受力不利；如节间长度太短，则节点太多，制造麻烦。一般应控制节间长度在1.52.5米之间。所以设计上常常是：跨度69米时，采
10、用四节间；跨度912米时，采用六节间；跨度1215米时，采用八节间。3.1.2钢屋架(1)因钢材是一种柔性材料，虽然强度高，但抗弯性能差，而屋架上弦是压弯构件，为了适应钢材这个弱点，把上弦分成左右两个小桁架，小桁架内的杆件长度就变得较短，由此来能适应钢材柔性的特点。(2)这种屋架型式的下弦中段虽然长，但因下弦内力是受拉，钢材抗拉最适宜，所以，这段杆件虽长但无害处。钢木组合屋架中的上弦为木结构、下弦为钢拉杆。形式有豪式屋架、芬克式屋架、梯形屋架和下折式屋架。跨度在15米以上时，因考虑竖腹杆的拉力太大而采用钢木组合豪式屋架3.1.3钢筋混凝土屋架钢筋混凝土的各种受力强度都较高，是制造屋架的理想材料
11、，利用它制造屋架无特殊要求，故屋架无固定型式。只要受力合理，节省材料，构造简单，施工方便就可以。钢筋混凝土屋架设计时，为了结点构造简单，要求每个结点上相交的杆件数目不多于五根，而且腹杆与弦杆的交角不小于30。3.1.4轻型钢屋架轻型钢屋架常见的有圆钢轻型钢屋架，小角钢轻型钢屋架和薄壁型钢屋架。轻型钢屋架主要有三角形屋架、三铰拱屋架和梭形屋架等三种，其中最常用的是三角形屋架。三角形屋架和三铰拱屋架的屋面坡度较大，通常取1/21/3。轻型钢屋架适用于跨度18m，柱距46m，设置有起重量5t的中、轻级工作制桥式吊车的工业建筑和跨度18m的民用房屋的屋盖结构。其受力特点为：常用的三角形轻型钢屋架为芬克
12、式，其特点为长杆受拉，短杆受压，结构受力比较合理，制作亦方便，可以分为两个运输单元。三铰拱屋架由两根斜梁和一根拉杆组成，斜梁有平面桁架式和空间桁架式两种，拉杆可用圆钢或角钢，这种屋架的特点是杆件受力合理，斜梁腹杆短，取材方便，经济效果好。梭形屋架有平面桁架式和空间桁架式两种，适用于跨度为915m，间距为34.2m的屋盖体系。屋架的高跨比为1/91/12。3.1.5钢筋混凝土钢组合屋架屋架在荷或作用下上弦主要承受压力，有时还承受弯矩，下弦承受拉力。为了合理地发挥材料的作用，屋架的上弦和受压腹杆可采用钢筋混凝土杆件，下弦及受拉腹杆可采用钢拉杆，这种屋架称为钢筋混凝钢组合屋架。组合屋架的自重轻，节省
13、材料，常用跨度为918米。常用的组合屋架有折线形屋架，下撑式五角形屋架以及三铰、两铰屋架等。三铰屋架受力明确，杆件短，施工用地小。两铰屋架杆件少，构造简单。下撑式五角形屋架的特点是重心低，因下撑而改善了屋架的受力性能，使内力分布比较均匀，但影响了房屋的净空，增加了柱子的高度。组合屋架已大量采用，由于制造简单、施工占地小、自重轻，不需要重型起重设备，因此特别适于山区中、小型建筑。3.2按形状分类3.2.1屋架形式主要形式有三角形屋架、梯形屋架、矩形屋架等。三角形H/L=1/41/6坡度大；梯形屋架上弦坡度为1/81/12时，H/L=1/61/10；矩形屋架不宜用于大跨度建筑中，一般常用于托架或支
14、撑系统中。主要形式有三角形屋架、三角拱屋架和梭形屋架等。三角形屋架和三铰拱最常用，斜坡屋面。跨度L=18m时，屋面坡度通常取1/21/3；梭形屋架坡度通常取1/121/8。梭形桁架跨度约15m，上弦是角钢，下弦、腹杆是钢筋。跨度L为1524m，预应力混凝土桁架L为1836m或更大时，梯形屋架：上弦为直线，屋面薄度为1/101/12，适用于卷材防水屋面；折线形：外形较合理，结构自重较轻，屋面薄度为1/31/4，适用于非卷材防水屋面；折线形屋架：屋面坡度平缓，适用于卷材防水屋面；拱形：拱形屋架矢高比一般为1/61/8；无斜腹杆：上弦一般为抛物线拱。常见的有折线形屋架、三铰屋架、两铰屋架。折线形屋架
15、：上弦及受压腹杆为钢筋混凝土，下弦及受拉腹杆为角钢，适用于跨度1218m，屋面坡度为1/4；两铰或三铰组合屋架：上弦为钢筋混凝土或预应力混凝土构件，下弦为型钢或钢筋；桥式屋架：将屋面板与屋架合二为一的结构体系。屋架的上弦为钢筋混凝土屋面板，下弦和腹杆可为钢筋，或型钢。3.2.2屋架的基本尺寸和适应范围屋架的跨度，一般以3米为模数。无论哪一种型式或哪一种材料的屋架，弦件通常都设计成等截面，以便于设计和施工，所以确定屋架的形式时，应尽量使弦杆沿全长的内力分布基本均匀。如果各节间的内力相差太大，容易造成材料的浪费。例如：采用木材三角屋架时，因圆木的头径与尾径大小不相同，为使弦杆的截面大小与内力大小相
16、适应，设计时应将圆木头径放在屋架的端部，尾径放在屋架的中部。1、三角形屋架三角形屋架使建筑物屋盖形成坡屋顶，造型美观，而且，三角形屋架的上弦坡度较陡，有利于屋面排水。当屋面采用瓦类材料，如粘土瓦、石棉瓦、水泥平瓦、预应力瓦等时，排水坡度一般为i1/2l/3，屋架的高跨比般为h/L1/41/6。2、梯形屋架梯形屋架形成的屋盖具有较大的空间，便于管道的通过和人的通行，故剧院屋盖常采用它，梯形屋架的端部高度一般为1.82.1米，随屋架的跨度而定。屋架节间长度上弦为3米，下弦为6米。屋架上弦坡度一般为i1/12，屋架的高跨比一般为l/6 l/8。梯形屋架可采用钢筋混换土或钢材制造。钢筋混凝土梯形屋架的
17、杆件一般采用矩形截面，宽度一般为2024厘米。非预应力屋架的适用跨度为l824米；预应力屋架的适用跨度为1836米或更大。梯形钢屋架用钢量比钢筋混凝土用钢量多，但它的杆件截面小，重量轻，一般用于跨度36米以上。目前我国的梯形钢屋架跨度已达72米，可采用再分式腹杆以减少上弦的节间距离来避免上弦过度受弯。3、折线形屋架弧形屋架上弦呈曲线弧形，但为了制作方便，常为折线形。折线形屋架的上弦坡度曲折较多，为了便于铺设大型屋面板，常在弦杆端部上加短立柱撑高来改变屋面的坡度折线形屋架多用钢筋混凝土制造。适用跨度为1824米；下弦为预应力时为1836米。折线形屋架的高跨比一般为1/61/8。4、平行弦屋架此屋
18、架的优点是腹杆长短和节点构造统一，制作方便。平行弦屋架在荷载作用下，杆件内力分布很不均匀，所以杆件断面尺寸应相应地变化。但是为了制作方便又不致造成很大的浪费，杆件的截面尺寸力求统一；平行弦屋架不宜用于杆件内力相差悬殊的大跨度建筑中。3.3屋架结构的选型与布置3.3.1屋架选型的一般原则屋架的选型必须综合考虑建筑的使用要求、跨度和荷载的大小、以及材料供应，施工条件等出素，并进行全面的技术经济分析。1.建筑跨度在36米以上时宜选用钢屋架，但在有侵蚀介质(如酸、碱性物质)的厂房中则不宜采用钢结构。2.为节约钢材，跨度在36米以下时宜选用预应力钢筋混凝土屋架。跨度在18至24米之间，又无预应力条件时，
19、亦可选用普通钢筋混凝土屋架，但在有振动、侵蚀性介质或高温车间，最好选用预应力钢筋混凝土屋架，因为下弦施加预应力后，可以提高结构的抗裂性，防止钢筋受腐蚀。3.建筑跨度在18米以下时，可选用钢筋混凝土钢组合层架。这种屋架技术经济指标较好，也不需要较大的起重设备。由于它的下弦刚度较差，不宜用于振动较大(如吊车起重量超过10吨)的厂房。4房屋内部以及所在地区的相对湿度大于75，通风不良者，或具有侵蚀性质介质的建筑，则不宜选用木屋架和钢屋架。3.3.2确定桁架形式的原则 1.满足使用要求。三角形屋架：适合于波形石棉瓦、瓦楞铁皮，坡度一般在1/31/2；梯形屋架：压型钢板和大型钢筋混凝土屋面板，坡度一般在
20、1/21/8。2.受力合理。弦杆：使各节间弦杆的内力相差不太大，简支屋架外形与均布荷载下的抛物线形弯矩图接近时，各处弦杆内力才比较接近。腹杆：应使长杆受拉短杆受压，且腹杆数量宜少，腹杆总长度也应较小。单向斜杆式：斜腹杆受拉、竖腹杆受压合理，斜腹杆受压、竖腹杆受拉不合理。再分式腹杆减少受压上弦节间尺寸，避免节间的附加弯矩也减少了上弦杆在屋架平面内的长细比。交叉式腹杆主要用于可能从不同方向受力的支撑体系。3.制造简单及运输与安装方便。杆件数量少，节点少，杆件尺寸划一及节点构造形式划一。平行弦桁架最容易符合上述要求。4.综合技术经济效果好。三角形屋架下弦下沉，弦杆交角增大，方便制造，屋架重心降低，提
21、高了稳定性。可有效降低屋架对支撑结构的推力。4.3.3屋架结构的选型屋架结构的选型应考虑用途、造型、屋面防水、屋架的跨度、结构材料、施工技术等进行选型。大中跨度广泛使用受力抛物线形屋架（折线形）、梯形；中小跨度适用三角形；托架或荷载特殊时使用矩形。防水构造排水坡度屋盖的建筑造型中，瓦类用三角形、陡坡梯形；卷材防水、金属薄板防水用拱形、折线形、缓坡梯形。材料的耐久性及使用环境，湿度较大、通风不良或侵蚀性介质的工业厂房，不宜选用木屋架和钢屋架，宜选用预应力混凝土屋架。跨度小于18m宜适用钢筋混凝土钢组合屋架、木屋架；小于36m宜适用预应力混凝土屋架；大于36m宜适用钢屋架。3.3.4屋架结构的布置
22、主要考虑建筑外观造型以及建筑使用功能方面的要求。跨度一般以3为模数，间距等间距排列，同时即为屋面板或檩条、吊顶龙骨的跨度。6m、7.5m、9m、12m等。平面屋架结构，平面内受力性能好，但平面外的刚度很小，需要设置支撑。如果不设支撑，可采用立体桁架。立体桁架截面形式有：矩形、正三角形、倒三角形。3.4屋架的支撑3.4.1屋架的支撑作用保证屋盖结构的几何稳定性，几何可变体系屋架侧倾、几何不变体系屋架稳定。保证屋盖的刚度和空间整体性，横向水平支撑是一个水平放置(或接近水平放置)的桁架,支座是柱或垂直支撑；纵向水平支撑：提高屋平面内（横向）抗弯刚度，使框架协同工作，形成空间整体性，减少横向水平荷载作
23、用下的变形。为弦杆提供适当的侧向支承点，支撑可作为屋架弦杆的侧向支承点，减小弦杆在屋架平面外的计算长度，保证受压上弦杆的侧向稳定，并使受拉下弦保持足够的侧向刚度。承担并传递水平荷载，如传递风荷载、悬挂吊车水平荷载和地震荷载。保证结构安装时的稳定与方便。3.4.2屋架支撑的布置上弦横向水平支撑布置原则:在有檩条或只采用大型屋面板的屋盖中都应设置屋架上弦横向水平支撑，当有天窗架时，天窗架上弦也应设置横向水平支撑，设置在房屋的两端，一般设在第一个柱间或设在第二个柱间,间距L060m。下弦横向水平支撑布置原则：当跨度L18m；设有悬挂式吊车起重量大于5吨；厂房内设有较大的振动设备，与上弦横向水平支撑布
24、置在同一柱间。纵向水平支撑布置原则：厂房内设有托架，或有较大吨位的重级、中级工作制的桥式吊车；或有壁行吊车，或有锻锤等大型振动设备；以及当房屋较高，跨度较大，空间刚度要求高时。垂直支撑布置原则：所有房屋中均应设置垂直支撑。梯形屋架在跨度L30m，三角形屋架在跨度L24m时，仅在跨度中央设置一道。当跨度大于上述数值时宜在跨度1/3附近或天窗架侧柱外设置两道。梯形屋架不分跨度大小，其两端还应各设置一道，当有托架时则由托架代替。垂直支撑与上、下弦横向水平支撑布置在同一柱间。4 桁架结构造型实例4.1九江长江大桥九江长江大桥，为钢桁架桥，铁路桥长7675m，公路桥长4460m，江中有桥墩10个，共架设
25、11孔钢梁，最大跨度216m，最小跨度126m。整个大桥设计新颖，造型优美，工艺独特，雄伟壮观。大桥铁路引桥采用的无碴无枕预应力箱形梁，在我国建桥史上还是第一次。主河槽216m宽的大跨度，居全国桥梁之首。我国第一次试验的15锰钡氮新钢种在这座桥上首先使用。这座桥使用的钢材、水泥、木材等建筑材料，均创造了我国建桥史上的最高纪录。九江大桥墩顶到基础最低底面，相距64米，相当于一座22层高的楼房。从钢梁拱顶到基础最低底面，高达132m，相当于一座45层的高楼。4.2国家大剧院国家大剧院壳体外形是半个超级椭球体，其长轴长度为212.20m，短轴长度为143.64m，高度为46.285m。其内部主要布置
26、有一个容纳2416人的戏剧厅、一个容纳2017人的音乐厅、一个容纳1040人的剧场。国家大剧院壳体钢结构主要由148榀沿椭球面均匀垂直布置的平面桁架、11840根水平布置的环向系杆、对称布置的四块平面斜撑及顶部结构组成，也就是说国家大剧院是以众多桁架组成的壳体结构。壳体总用钢量约6760t，主要钢材材质为Q345D钢。平面桁架按照是否外露分为长轴桁架和短轴桁架，短轴桁架区域的屋面采用玻璃形式，为外露构件，采用厚度为60mm钢板条作为桁架的弦杆和腹杆，共46榀，总重量约为2050t；长轴桁架区域的屋面采用钛合金板形式，为隐蔽构件，其弦杆和腹杆均为H型钢截面，共102榀，总重量约为2100t。水平
27、布置的环向系杆采用140194等规格的钢管，通过两端的半球与平面桁架连接。平面斜撑布置在长轴区域，截面均采用H型钢截面。顶部结构由钢管环梁、箱形梁、顶部短轴桁架、顶部长轴桁架、连系杆组成，钢管环梁的规格为1117.626，顶部短轴桁架、顶部长轴桁架、连系杆与下部结构近似，总重量约为1050t.4.3 天津奥林匹克体育场天津奥林匹克中心体育场为2008年北京奥运会足球赛场。体育场建筑面积15.8万m2，共由6层组成，总高53m，可同时容纳6万名观众，可满足国际足球和田径比赛的要求。结构设计的构思为：屋顶桁架选用V字形平行弦桁架，悬挑结构，以表现体育场地的动感与轻快。该体育场成为天津市重大体育活动的中心场地和标志性建筑。天津奥林匹克体育中心体育场基础为高强混凝土预应力管桩，主体为钢筋混凝土框架结构，屋顶桁架选用V字形平行弦桁架，悬挑结构。主桁架最大跨度117m，主、环桁架均为平面管桁架结构形式，桁架最大安装高度达53m，整个钢屋盖由主桁架、子桁架、二道环形桁架及水平、垂直支撑、檩条组成，总用钢量约13000t。主桁架上口定位采用柱帽杆固定于看台柱顶支座上，下口定位采用落地形式。
