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。
基本介紹
- 中文名：金字桁架
- 拼音：jīn zì héng jià
- 相關概念：桿件
- 領域：建築施工
- 特點：充分利用材料的強度
- 套用：橋樑建設
理論原理,結構分類,設計要求,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。
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。
