金字桁架

金字桁架

金字桁架是一種由桿件彼此在兩端用鉸鏈連線而成的結構。桁架是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。

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=3 j- 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。

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。

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。

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