桁架:漢語詞語-中文百科頻道

釋義

以特定的方式構成三角形或若幹三角形的組合的一組構件(如梁、杆、條),用以構成一個剛性構架(如用于在大面積上支承荷載)使其受到外力時如果沒有一個或更多的構件變形,整個結構不會變形。

理論原理

桁架是由一些用直杆組成的三角形框構成的幾何形狀不變的結構物。杆件間的結合點稱為節點(或結點)。根據組成桁架杆件的軸線和所受外力的分布情況，桁架可分為平面桁架和空間桁架。屋架或橋梁等空間結構是由一系列互相平行的平面桁架所組成。若它們主要承受的是平面載荷，可簡化為平面桁架來計算。

平面桁架

組成桁架的杆件的軸線和所受外力都在同一平面上(圖1)。平面桁架可視為在一個基本的三角形框上添加杆件構成的。每添加兩個杆，須形成一個新節點才能使結構的幾何形狀保持不變。這種能保持幾何堅固性的桁架叫作無餘杆(或叫無冗杆)桁架。如果隻添加杆件而不增加節點，就不能保持桁架的幾何堅固性，這種桁架叫作有餘杆(或叫有冗杆)桁架。

分析靜定平面桁架的受力情況有以下兩種方法：

①截面法

②節點法

③麥克斯韋-克雷莫納法

空間桁架

組成桁架各杆件的軸線和所受外力不在同一平面上。在工程上，有些空間桁架不能簡化為平面桁架來處理，如網架結構。塔架、起重機構架等。空間桁架的節點為光滑球鉸結點，杆件軸線都通過聯結點的球鉸中心并可繞球鉸中心的任意軸線轉動。每個節點在空間有三個自由度。節點和杆件數的關系為W=3j－n，W>0為幾何可變桁架，W=0為幾何不變且無多餘約束的空間桁架。空間桁架和平面桁架一樣，可用部分截割法和節點法求出桁架内所有杆件所受的内力。部分截割法則是利用空間任意力系的六個平衡條件求出各杆的内力。節點法是截取節點為隔離體，利用每個節點所受的空間彙交力系的三個平衡條件，求出各杆的内力。

結構分類

從力學方面分析，桁架外形與簡支梁的彎矩圖相似時，上下弦杆的軸力分布均勻，腹杆軸力小，用料最省；從材料與制造方面分析，木桁架做成三角形，鋼桁架采用梯形或平行弦形，鋼筋混凝土與預應力混凝土桁架為多邊形或梯形為宜。

桁架的高度與跨度之比，通常，立體桁架為1/12~1/16，立體拱架為1/20~1/30，張拉立體拱架為1/30~1/50，在設計手冊和規範中均有具體規定。桁架的使用範圍很廣，在選擇桁架形式時應綜合考慮桁架的用途、材料和支承方式、施工條件，其最佳形式的選擇原則是在滿足使用要求前提下，力求制造和安裝所用的材料和勞動量為最小。

三角形桁架

三角形桁架在沿跨度均勻分布的節點荷載下，上下弦杆的軸力在端點處最大，向跨中逐漸減少；腹杆的軸力則相反。三角形桁架由于弦杆内力差别較大，材料消耗不夠合理，多用于瓦屋面的屋架中。

梯形桁架

梯形桁架和三角形桁架相比，杆件受力情況有所改善，而且用于屋架中可以更容易滿足某些工業廠房的工藝要求。如果梯形桁架的上、下弦平行就是平行弦桁架，杆件受力情況較梯形略差，但腹杆類型大為減少，多用于橋梁和棧橋中。

多邊形桁架

多邊形桁架也稱折線形桁架。上弦節點位于二次抛物線上，如上弦呈拱形可減少節間荷載産生的彎矩，但制造較為複雜。在均布荷載作用下，桁架外形和簡支梁的彎矩圖形相似，因而上下弦軸力分布均勻，腹杆軸力較小，用料最省，是工程中常用的一種桁架形式。

空腹桁架

空腹桁架基本取用多邊形桁架的外形，無斜腹杆，僅以豎腹杆和上下弦相連接。杆件的軸力分布和多邊形桁架相似，但在不對稱荷載作用下杆端彎矩值變化較大。優點是在節點相交會的杆件較少，施工制造方便。

桁架橋

1、桁架橋是橋梁的一種形式。

2、桁架橋一般多見于鐵路和高速公路；分為上弦受力和下弦受力兩種。

3、桁架由上弦、下弦、腹杆組成；腹杆的形式又分為斜腹杆、直腹杆；由于杆件本身長細比較大，雖然杆件之間的連接可能是“固接”，但是實際杆端彎矩一般都很小，因此，設計分析時可以簡化為“鉸接”。簡化計算時，杆件都是“二力杆”，承受壓力或者拉力。

4、由于橋梁跨度都較大，而單榀的桁架“平面外”的剛度比較弱，因此，“平面外”需要設置支撐。設計橋梁時，“平面外”一般也是設計成桁架形式，這樣，橋梁就形成雙向都有很好剛度的整體。

5、有些橋梁橋面設置在上弦，因此力主要通過上弦傳遞；也有的橋面設置在下弦，由于平面外剛度的要求，上弦之間仍需要連接以減少上弦平面外計算長度。

6、桁架的弦杆在跨中部分受力比較大，向支座方向逐步減小；而腹杆的受力主要在支座附件最大，在跨中部分腹杆的受力比較小，甚至有理論上的“零杆”。

産品分類

1、固定桁架：

桁架中最堅固的一種，可重複利用性高，唯一缺點就是運輸成本較高。産品分為方管和圓管兩種。

2、折疊桁架：

最大的優點就是運輸成本低，可重複利用性稍遜。産品分為方管和圓管兩種。

3、蝴蝶桁架：

桁架中最具有藝術性的一種，造型奇特，優美。

4、球節桁架：

又叫球節架，造型優美，堅固性好，也是桁架中造價最高的一種。

工藝特點

1、精工焊接：大型機器，流水作業，多年技師，專業焊接，品質保證。

2、烤漆工藝：汽車品質，專業烤漆房，精工烤漆工藝。

3、規範加工：大型機器定位，孔位準确。

4、技術領先：有自己的租賃安裝公司，一線研發，永遠領先。

設計要求

足夠強度—不發生斷裂或塑性變形；足夠剛性—不發生過大的彈性變形；足夠穩定性—不發生因平衡形式的突然轉變而導緻坍塌；良好的動力學特性—抗震、抗風性。

桁架的設計要求：要有符合要求的杆件；要有良好的連接件，包括鉚釘、銷釘及焊縫的連接。這些就涉及到桁架的類型、杆件的尺寸和材料，但首先是靜力學分析。

形式選擇

一些參考值如：每平米造價，最大構件重量，最大跨度，結構形式，檐高等，以上這些在判斷廠房是否為重鋼或輕鋼時可以提供經驗數據。國家規範和技術文件都并沒有重鋼一說，很多建築都是輕、重鋼都有。為區别輕型房屋鋼結構，也許稱一般鋼結構為“普鋼”更合适。因為普通鋼結構的範圍很廣，可以包含各種鋼結構，不管荷載大小，甚至包括輕型鋼結構的許多内容，輕型房屋鋼結構技術規程隻是針對其“輕”的特點而規定了一些更具體的内容，而且範圍隻局限在單層門式剛架。由此可見，輕鋼與重鋼之分不在結構本身的輕重，而在所承受的圍護材料的輕重，而在結構設計概念上還是一緻的。

結構計算

房屋建築用的桁架，一般僅進行靜力計算；對于風力、地震力、運行的車輛和運轉的機械等動荷載，則化為乘以動力系數的等效靜荷載進行計算；特殊重大的承受動荷載的桁架，如大跨度橋梁和飛機機翼等，則需按動荷載進行動力分析（見荷載）。

平面桁架一般按理想的鉸接桁架進行計算，即假設荷載施加在桁架節點上（如果荷載施加在節間時，可按簡支梁換算為節點荷載），并和桁架的全部杆件均在同一平面内，杆件的重心軸在一直線上，節點為可自由轉動的鉸接點。理想狀态下的靜定桁架，可以将杆件軸力作為未知量，按靜力學的數解法或圖解法求出已知荷載下杆件的軸向拉力或壓力（見杆系結構的靜力分析）。

工程用的桁架節點，一般是具有一定剛性的節點而不是理想的鉸接節點，由于節點剛性的影響而出現的杆件彎曲應力和軸向應力稱為次應力。計算次應力需考慮杆件軸向變形，可用超靜定結構的方法或有限元法求解。

空間桁架由若幹個平面桁架所組成，可将荷載分解成與桁架同一平面的分力按平面桁架進行計算，或按空間鉸接杆系用有限元法計算。

根據桁架杆件所用的材料和計算所得出的内力，選擇合适的截面應能保證桁架的整體剛度和穩定性以及各杆件的強度和局部穩定，以滿足使用要求。

桁架的整體剛度以控制桁架的最大豎向撓度不超過容許撓度來保證；平面桁架的平面外剛度較差，必須依靠支撐體系保證。支撐系統有上弦支撐、下弦支撐、垂直支撐和桁架共同組成空間穩定體系。