鋼桁架

　　鋼桁架

　　鋼桁架是指用鋼材制造的桁架 工業(yè)與民用建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)吊車梁、橋梁和水工閘門等，常用鋼桁架作為主要承重構(gòu)件。各式塔架，如桅桿塔、電視塔和輸電線路塔等，常用三面、四面或多面平面桁架組成的空間鋼桁架。

　　1簡介

　　摘要： 鋼桁架 (steel truss )用鋼材制造的桁架 工業(yè)與民用建筑的屋蓋結(jié)構(gòu) 吊車梁、橋梁和水工閘門等，常用鋼桁架作為主要承重構(gòu)件。各式塔架，如桅桿塔、電視塔和輸電線路塔等，常用三面、四面或多面平面桁架組成的空間鋼桁架。

　　2概述

　　鋼桁架用鋼材制造的桁架。工業(yè)與民用建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)、吊車梁、橋梁和水工閘門等，常用鋼桁架作為主要承重構(gòu)件。各式塔架，如桅桿塔、電視塔和輸電線路塔等，常用三面、四面或多面平面桁架組成的空間鋼桁架。

　　最常采用的是平面桁架，在橫向荷載作用下其受力實質(zhì)是格構(gòu)式的梁。鋼桁架與實腹式的鋼梁相比較， 其特點是以弦桿代替翼緣和以腹桿代替腹板，而在各節(jié)點處通過節(jié)點板(或其它零件)用焊縫或其它連接將腹桿和弦桿互相連接;有時也可不用節(jié)點板而直接將各桿件互相焊接(或其它連接)。這樣，平面桁架整體受彎時的彎矩表現(xiàn)為上、下弦桿的軸心受壓和受拉，剪力則表現(xiàn)為各腹桿的軸心受壓或受拉。

　　桁架在鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用很廣，例如在工業(yè)與民用建筑的屋蓋(屋架等)和吊車梁(即吊車桁架)、橋梁、起重機(其塔架、梁或臂桿等)、水工閘門、海洋采油平臺中，常用鋼桁架作為承重結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件。在大跨度公共建筑屋蓋結(jié)構(gòu)中較多采用的各種型式的鋼網(wǎng)架，則屬于空間鋼桁架。各種類型的塔架，如電視、輸電、鉆井、起重機用塔架和桅桿塔，常用三面、四面或多面平面桁架組成的空間鋼桁架。

　　鋼桁架與實腹梁相比是用稀疏的腹桿代替整體的腹板，并且桿件主要承受軸心力，從而常能節(jié)省鋼材和減輕結(jié)構(gòu)自重。這使鋼桁架特別適用于跨度或高度較大的結(jié)構(gòu)。此外，鋼桁架還便于按照不同的使用要求制成各種需要的外形。并且，由于腹桿鋼材用量比實腹梁的腹板有所減少，鋼桁架常可做成有較大高度，從而具有較大的剛度。但是，鋼桁架的桿件和節(jié)點較多，構(gòu)造較為復(fù)雜，制造較為費工。

　　鋼桁架中，梁式簡支桁架最為常用。因為這種桁架受力明確，桿件內(nèi)力不受支座沉陷和溫度變化的影響，構(gòu)造簡單，安裝方便;但用鋼量稍大。剛架式和多跨連續(xù)鋼桁架等能節(jié)省鋼材，但其內(nèi)力受支座沉陷和溫度變化的影響較敏感，制造和安裝精度要求較高，因此采用較少。在單層廠房鋼骨架中，屋蓋鋼桁架常與鋼柱組成單跨或多跨剛架，水平剛度較大，能更好適應(yīng)較大吊車或振動荷載的要求。連續(xù)鋼桁架常用于較大跨度的橋梁等結(jié)構(gòu)和有纖繩的桅桿塔結(jié)構(gòu)。在大跨度的公共建筑和橋梁中，也常采用拱式鋼桁架。在海洋平臺和某些房屋結(jié)構(gòu)中，也常采用懸臂式鋼桁架。各種塔架都屬于懸臂式結(jié)構(gòu)。

　　鋼桁架按桿件內(nèi)力、桿件截面和節(jié)點構(gòu)造特點可分為普通、重型和輕型鋼桁架。普通鋼桁架一般采用單腹式桿件，通常是兩個角鋼組成的T形截面，有時也用十形、槽形或管形等截面(圖8—2a)，在節(jié)點處用一塊節(jié)點板連接，構(gòu)造簡單，應(yīng)用最廣。重型鋼桁架的桿件受力較大，采用由鋼板或型鋼組成的H形或箱形截面(圖8—2b)，節(jié)點處用兩塊平行的節(jié)點板連接，它常用于跨度和荷載較大的鋼桁架，如橋梁和大跨度屋架等。輕型鋼桁架采用小角鋼及圓鋼(圖8—2c)，或采用冷彎薄壁型鋼(圖8—2d)，節(jié)點處可用節(jié)點板連接，也可將桿件直接相連，它主要用于跨度較小、屋面較輕的屋蓋結(jié)構(gòu)。

　　3分類

　　鋼桁架常按力學(xué)簡圖、外形和構(gòu)造特點進(jìn)行分類。

　　① 按力學(xué)簡圖分為簡支的和連續(xù)的;靜定的和超靜定的，平面的和空間的。簡支鋼桁架應(yīng)用最廣。

　　② 按外形可分為三角形、 梯形、平行弦和多邊形。屋面坡度較陡的屋架常采用三角形鋼桁架(圖 1a)，跨度一般在18～24米以下;屋面坡度較平緩的屋架常采用梯形鋼桁架(圖1b、c),跨度一般為18～36米，應(yīng)用較廣。其他各類鋼桁架常采用構(gòu)造較簡單的平行弦鋼桁架(圖1d、e、f及見桁架梁橋)。多邊形鋼桁架受力較好(圖1g)，但制造較復(fù)雜，只在大跨度鋼桁架中有時采用。塔架通常采用直線或折線的外形(見塔式結(jié)構(gòu))。

　　③ 按桿件內(nèi)力、桿件截面和節(jié)點構(gòu)造特點分為普通、重型和輕型鋼桁架。普通鋼桁架一般用單腹式桿件，通常是兩個角鋼組成的T形截面,有時也用十字形、槽形或管形等截面，在節(jié)點處用一塊節(jié)點板連接,構(gòu)造簡單,應(yīng)用最廣。重型鋼桁架桿件用由鋼板或型鋼組成的工形或箱形截面，節(jié)點處用兩塊平行的節(jié)點板連接;常用于跨度和荷載較大的鋼桁架，如橋梁和大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)。輕型鋼桁架用小角鋼及圓鋼或薄壁型鋼組成;節(jié)點處可用節(jié)點板連接，也可將桿件直接相連;主要用于小跨度輕屋面的屋蓋結(jié)構(gòu)。

　　4工程要點

　　連接方法

　　鋼桁架可用焊接、普通螺栓連接、高強度螺栓連接或鉚接。焊接應(yīng)用最廣;普通螺栓連接常用于可拆卸的結(jié)構(gòu)、輸電塔和支撐系統(tǒng);高強度螺栓連接常用于重型鋼桁架的工地連接;鉚接用于受較大動力荷載的重型鋼桁架，目前已逐漸被高強度螺栓連接所代替。

　　高跨比

　　鋼桁架的高度由經(jīng)濟、剛度、使用和運輸要求確定。增加高度可減小弦桿截面和撓度,但增加腹桿用量和建筑高度。鋼桁架的高跨比通常采用 1/5～1/12;鋼材強度高、剛度要求嚴(yán)的鋼桁架應(yīng)采用相對偏高值。三角形鋼屋架的高度通常由屋面坡高確定;一般屋面坡度為1/2～1/3時，高跨比相應(yīng)為1/4～1/6。

　　腹桿體系

　　鋼桁架的腹桿體系通常采用人字式或單斜式等形式。人字式腹桿的腹桿數(shù)和節(jié)點數(shù)較少，應(yīng)用較廣;為減少受有荷載的弦桿或受壓弦桿的節(jié)間尺寸,通常增加部分豎桿。單斜式腹桿通常布置使較長的斜桿受拉，較短的豎桿受壓，有時用于跨度較大的鋼桁架。如需進(jìn)一步減小弦桿及腹桿的長度，可采用再分式腹桿體系,鋼桁架高度較大且節(jié)間較小時可采用K式或菱形腹桿體系。在支撐桁架和塔架中，常采用能較好承受變向荷載的交叉式腹桿體系，交叉斜桿通常按拉桿設(shè)計。斜腹桿對弦桿的傾斜角通常在30°～60°范圍內(nèi)。

　　受力特點

　　鋼桁架各桿件的截面形心軸線應(yīng)在節(jié)點處交匯于一點，內(nèi)力計算一般按鉸接桁架進(jìn)行。當(dāng)桁架只承受節(jié)點荷載時，所有桿件只受軸心拉力或壓力;如在桿件節(jié)間內(nèi)也承受荷載，則該桿件將同時受彎。鋼桁架桿件一般較細(xì)，布置節(jié)點時應(yīng)盡量避免或減小局部彎矩。對桿件截面高度與長度比值較大的鋼桁架，必要時應(yīng)考慮節(jié)點剛性引起的桿件次應(yīng)力。

　　支撐系統(tǒng)

　　為了保證平面鋼桁架在桁架平面外的剛度和穩(wěn)定、減小弦桿在桁架平面外的計算長度、并承受可能有的側(cè)向荷載,應(yīng)在鋼桁架側(cè)向布置支撐(圖2)。支撐通常可分為水平支撐(上弦和下弦平面、橫向和縱向)、垂直支撐(桁架兩端和中間)和系桿等類型。成對的鋼桁架可在其間沿下弦及上弦平面分別布置橫向水平支撐，并在鋼桁架兩端及中間每隔適當(dāng)距離的豎桿平面布置垂直支撐。屋蓋結(jié)構(gòu)中有許多鋼桁架，可只在兩端及每隔一定距離的相鄰兩桁架間設(shè)置上、下弦橫向水平支撐和垂直支撐，其余桁架只在上、下弦按適當(dāng)間距設(shè)置系桿;當(dāng)有較重吊車或必要時，還可在桁架下弦端節(jié)間增設(shè)縱向水平支撐。在四面或多面的塔架中應(yīng)每隔一定高度設(shè)置橫隔，以保證塔架剛度和橫截面的幾何不變性。

　　桿件截面設(shè)計

　　鋼桁架桿件的截面形式按節(jié)省鋼材、連接方便和制造簡單等條件選擇，并注意使桿件在兩個主軸方向的長細(xì)比(桿件計算長度和截面回轉(zhuǎn)半徑的比值)盡可能相近。鋼桁架拉桿應(yīng)滿足強度和容許長細(xì)比的要求;壓桿應(yīng)滿足強度、穩(wěn)定和容許長細(xì)比的要求。

　　在計算桿件的強度和穩(wěn)定時,內(nèi)力按軸心力考慮;當(dāng)桿件同時受軸心力和彎矩時，應(yīng)按偏心受力考慮其共同作用。在計算桿件的穩(wěn)定和長細(xì)比時，應(yīng)考慮桁架平面內(nèi)和平面外兩個方向，或長細(xì)比較大的不利方向。桿件的容許長細(xì)比，按桿件受壓或受拉、受靜力荷載或動力荷載等情況分別規(guī)定。

　　起拱

　　跨度稍大的鋼桁架，為抵消自重及荷載作用下的全部或部分撓度，通常規(guī)定在制造時預(yù)先起拱。屋架的起拱度(f)一般為跨度的1/500。