桁架結構:術語名詞-中文百科頻道

概述

桁架結構中的桁架指的是桁架梁，是格構化的一種梁式結構。桁架結構常用于大跨度的廠房、展覽館、體育館和橋梁等公共建築中。由于大多用于建築的屋蓋結構，桁架通常也被稱作屋架。隻受結點荷載作用的等直杆的理想鉸結體系稱桁架結構。它是由一些杆軸交于一點的工程結構抽象簡化而成的。桁架在建造木橋和屋架上最先見諸實用。古羅馬人用桁架修建橫跨多瑙河的特雷江橋的上部結構（發現于羅馬的浮雕中，文藝複興時期，意大利建築師（帕拉迪奧 Palladio）也開始采用木桁架建橋出現朗式、湯式、豪式桁架。英國最早的金屬桁架是在1845年建成的，适合湯式木桁架相似的格構桁架，第二年又采用了三角形的華倫式桁架。

結構特點

各杆件受力均以單向拉、壓為主，通過對上下弦杆和腹杆的合理布置，可适應結構内部的彎矩和剪力分布。由于水平方向的拉、壓内力實現了自身平衡，整個結構不對支座産生水平推力。結構布置靈活，應用範圍非常廣。桁架梁和實腹梁（即我們一般所見的梁）相比，在抗彎方面，由于将受拉與受壓的截面集中布置在上下兩端，增大了内力臂，使得以同樣的材料用量，實現了更大的抗彎強度。在抗剪方面，通過合理布置腹杆，能夠将剪力逐步傳遞給支座。這樣無論是抗彎還是抗剪，桁架結構都能夠使材料強度得到充分發揮，從而适用于各種跨度的建築屋蓋結構。更重要的意義還在于，它将橫彎作用下的實腹梁内部複雜的應力狀态轉化為桁架杆件内簡單的拉壓應力狀态，使我們能夠直觀地了解力的分布和傳遞，便于結構的變化和組合。

曆史演變

隻受結點荷載作用的等直杆的理想鉸結體系稱桁架結構。它是由一些杆軸交于一點的工程結構抽象簡化而成的。桁架在建造木橋和屋架上最先見諸實用。古羅馬人用桁架修建橫跨多瑙河的特雷江橋的上部結構（發現于羅馬的浮雕中，文藝複興時期，意大利建築師（帕拉迪奧Palladio）也開始采用木桁架建橋出現朗式、湯式、豪式桁架。英國最早的金屬桁架是在1845年建成的，适合湯式木桁架相似的格構桁架，第二年又采用了三角形的華倫式桁架。

桁架種類

桁架可按不同的特征進行分類。

一、根據桁架的外形分為：

1.平行弦桁架（便于布置雙層結構；利于标準化生産，但杆力分布不夠均勻）；

2.折弦桁架（如抛物線形桁架梁，外形同均布荷載下簡支梁的彎矩圖，杆力分布均勻，材料使用經濟，構造較複雜）；

3.三角形桁架（杆力分布更不均勻，構造布置困難，但斜面符合屋頂排水需要）。

二、以桁架幾何組成方式分：

1.簡單桁架（由一個基本鉸結三角形依次增加二元體組成）；

2.聯合桁架（由幾個簡單桁架按幾何不變體系的簡單組成規則聯合組成）；

3.複雜桁架（不同于前兩種的其它靜定桁架）。

三、按所受水平推力分：

1.無推力的梁式桁架（與相應的實梁結構比較，掏空率大，上下弦杆抗彎，腹杆主要抗剪，受力合理，用材經濟）；

2.有推力的拱式桁架（拱圈與拱上結構聯為一體整體性好，便于施工，跨越能力強，節省鋼材料）。

内力特征

受力特點是結構内力隻有軸力，而沒有彎矩和剪力。這一受力特性反映了實際結構的主要因素，軸力稱桁架的主内力。實際結構（如鋼筋混凝土屋架，鉚（栓）接或焊接的鋼桁架橋）中由于結點的非理想鉸結等原因，還同時存在微小的彎矩和剪力（理想鉸接沒有），對軸力也有很小的影響（因結點剛性和桁架杆橫截面積與慣性矩比值的大小而異，一般減小5%～0.1%），稱為次内力。

考慮桁架各結點的平衡，結點承受彙交力系作用，逐次建立各結點的投影平衡方程，可求出所有的未知杆力，這種方法稱結點法，最适用于簡單桁架。求解時宜根據組成特點先判定零杆，并盡可能避免解聯立方程。有時隻需求少數杆件内力或者對于聯合桁架和複雜桁架，結點法無法奏效時，需用截面法。有選擇地截斷杆件（一般不超過三杆）以桁架的局部為平衡對象，考慮其中任一部分平衡，由平衡方程即可求得所需杆件軸力。對于某些桁架（如K式桁架），聯合應用結點法和截面法更有效。對于杆件很多的複雜桁架或空間桁架，最好的選擇應是計算機方法。

各類比較

梁式桁架可以看作是由梁演化而來，對同樣跨度的梁和常見梁式桁架，在相同均布荷載作用下的内力情況作如下比較。桁架的外形對杆件内力分布影響很大。平行弦桁架弦杆的内力由跨中向兩端遞減；而三角形桁架弦杆的内力卻由跨中向兩端遞增。這是由于桁架是依靠上、下弦杆的内力形成截面彎矩的，弦杆的内力可以表示為：

F=±M°/r式中M°為同樣跨度簡支梁相應桁架節點位置的截面彎矩，r為弦杆内力對距心的力臂。在均布荷載作用下，簡支梁的彎矩是按抛物線規律分布的，在跨中達到最大值。因平行桁架弦杆的力臂是不變的，所以内力由跨中向兩端遞減；三角形桁架弦杆的力臂有跨中向兩端按線性規律遞減，快于M°按抛物線規律遞減的速度，所以弦杆内力由跨中向兩端遞增。當桁架的上弦節點位于一條抛物線上時，其下弦以及各上弦水平分力對矩心的力臂與M°一樣均按抛物線規律變化，故各下弦杆内力及各上弦杆水平分力的大小均相等，這樣各上弦的内力也近乎相等。

平行弦桁架的豎杆内力及斜杆的豎向分力等于簡支梁相應位置上的剪力，故由中間向兩端遞增；抛物線形桁架的上弦符合合理拱軸線，此時作用在上弦節點的豎向力完全由上弦杆的軸力平衡，故腹杆内力為零；三角形桁架的腹杆内力則由中間向兩端遞增。

桁架橋

桁架橋是橋梁的一種形式。

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。

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。

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。

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。

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”。

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。