桁架:理論原理,結構分類,產品分類,工藝特點,設計要求,形式選擇,結構計算,建築實

桁（héng）架（jià）（truss）：一種由桿件彼此在兩端用鉸鏈連線而成的結構。桁架由直桿組成的一般具有三角形單元的平面或空間結構，桁架桿件主要承受軸向拉力或壓力，從而能充分利用材料的強度，在跨度較大時可比實腹梁節省材料，減輕自重和增大剛度。

“桁”字念“héng”，由於“桁”字較少使用，誤被念為“háng”（行），故此，“行架”由此得名。桁架的定義：由桿件通過焊接、鉚接或螺栓連線而成的支撐橫樑結構，稱為“桁架”。

桁架的優點是桿件主要承受拉力或壓力，可以充分發揮材料的作用，節約材料，減輕結構重量。常用的有鋼桁架、鋼筋混凝土桁架、預應力混凝土桁架、木桁架、鋼與木組合桁架、鋼與混凝土組合桁架。

基本介紹

中文名：桁架
外文名：truss
特點：格構式承重結構
套用：橋樑、輸電線路塔、起重機架等
套用學科：水利科技；工程結構、建築材料等

理論原理,結構分類,產品分類,工藝特點,設計要求,形式選擇,結構計算,建築實例,

理論原理

桁架是由一些用直桿組成的三角形框構成的幾何形狀不變的結構物。桿件間的結合點稱為節點(或結點)。根據組成桁架桿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。屋架或橋樑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

組成桁架的桿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桿件構成的。每添加兩個桿，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桿(或叫無冗桿)桁架。如果只添加桿件而不增加節點，就不能保持桁架的幾何堅固性，這種桁架叫作有餘桿(或叫有冗桿)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

組成桁架各桿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，桿件軸線都通過聯結點的球鉸中心並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。節點和桿件數的關係為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內所有桿件所受的內力。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桿的內力。節點法是截取節點為隔離體，利用每個節點所受的空間匯交力系的三個平衡條件，求出各桿的內力。

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，上下弦桿的軸力分布均勻，腹桿軸力小，用料最省；從材料與製造方面分析，木桁架做成三角形，鋼桁架採用梯形或平行弦形，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，力求製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，上下弦桿的軸力在端點處最大，向跨中逐漸減少；腹桿的軸力則相反。三角形桁架由於弦桿內力差別較大，材料消耗不夠合理，多用於瓦屋面的屋架中。

梯形桁架

梯形桁架和三角形桁架相比，桿件受力情況有所改善，而且用於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，桿件受力情況較梯形略差，但腹桿類型大為減少，多用於橋樑和棧橋中。

多邊形桁架

多邊形桁架也稱折線形桁架。上弦節點位於二次拋物線上，如上弦呈拱形可減少節間荷載產生的彎矩，但製造較為複雜。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，腹桿軸力較小，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，無斜腹桿，僅以豎腹桿和上下弦相連線。桿件的軸力分布和多邊形桁架相似，但在不對稱荷載作用下桿端彎矩值變化較大。優點是在節點相交會的桿件較少，施工製造方便。

桁架橋

1、桁架橋是橋樑的一種形式。
2、桁架橋一般多見於鐵路和高速公路；分為上弦受力和下弦受力兩種。
3、桁架由上弦、下弦、腹桿組成；腹桿的形式又分為斜腹桿、直腹桿；由於桿件本身長細比較大，雖然桿件之間的連線可能是“固接”，但是實際桿端彎矩一般都很小，因此，設計分析時可以簡化為“鉸接”。簡化計算時，桿件都是“二力桿”，承受壓力或者拉力。
4、由於橋樑跨度都較大，而單榀的桁架“平面外”的剛度比較弱，因此，“平面外”需要設定支撐。設計橋樑時，“平面外”一般也是設計成桁架形式，這樣，橋樑就形成雙向都有很好剛度的整體。
5、有些橋樑橋面設定在上弦，因此力主要通過上弦傳遞；也有的橋面設定在下弦，由於平面外剛度的要求，上弦之間仍需要連線以減少上弦平面外計算長度。
6、桁架的弦桿在跨中部分受力比較大，向支座方向逐步減小；而腹桿的受力主要在支座附屬檔案最大，在跨中部分腹桿的受力比較小，甚至有理論上的“零桿”。

產品分類

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。產品分為方管和圓管兩種。

2、摺疊桁架：

最大的優點就是運輸成本低，可重複利用性稍遜。產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，孔位準確。
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致坍塌；良好的動力學特性—抗震、抗風性。

桁架的設計要求：要有符合要求的桿件；要有良好的連線件，包括鉚釘、銷釘及焊縫的連線。這些就涉及到桁架的類型、桿件的尺寸和材料，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。國家規範和技術檔案都並沒有重鋼一說，很多建築都是輕、重鋼都有。為區別輕型房屋鋼結構，也許稱一般鋼結構為“普鋼”更合適。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內容，輕型房屋鋼結構技術規程只是針對其“輕”的特點而規定了一些更具體的內容，而且範圍只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致的。

結構計算

房屋建築用的桁架，一般僅進行靜力計算；對於風力、地震力、運行的車輛和運轉的機械等動荷載，則化為乘以動力係數的等效靜荷載進行計算；特殊重大的承受動荷載的桁架，如大跨度橋樑和飛機機翼等，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），並和桁架的全部桿件均在同一平面內，桿件的重心軸在一直線上，節點為可自由轉動的鉸接點。理想狀態下的靜定桁架，可以將桿件軸力作為未知量，按靜力學的數解法或圖解法求出已知荷載下桿件的軸向拉力或壓力（見桿繫結構的靜力分析）。

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，由於節點剛性的影響而出現的桿件彎曲應力和軸向應力稱為次應力。計算次應力需考慮桿件軸向變形，可用超靜定結構的方法或有限元法求解。

空間桁架由若干個平面桁架所組成，可將荷載分解成與桁架同一平面的分力按平面桁架進行計算，或按空間鉸接桿系用有限元法計算。

根據桁架桿件所用的材料和計算所得出的內力，選擇合適的截面應能保證桁架的整體剛度和穩定性以及各桿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。

建築實例

溫州科技館工程中鋼結構共分為六個單體：1、標誌塔為鋼結構塔，塔高62.016米，塔身為管架結構，採用空間鋼管結構體系。2、中廊屋蓋採用空間鋼管結構體系，鋼管之間採用直接相貫的焊接節點，主桁架為平面桁架。3、北展廳屋蓋採用空間鋼管結構體系，鋼管之間採用直接相貫的焊接節點，主桁架為平面桁架。4、南展廳螺栓球節點正方四角錐網架。屋面採用雙層壓型彩鋼板。5、球形網架直徑為33.5米的球體網架。6、鋼折板雨棚為H型簡易鋼結構。

桁架