鋼桁架

鋼桁架是指用鋼材製造的桁架 工業與民用建築的屋蓋結構吊車梁、橋樑和水工閘門等，常用鋼桁架作為主要承重構件。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。

基本介紹

• 中文名：鋼桁架
• 外文名：steel truss
• 性質：鋼材製造的桁架
• 套用：工業與民用建築

簡介

摘要： 鋼桁架 （steel truss ）用鋼材製造的桁架 工業與民用建築的屋蓋結構 吊車梁、橋樑和水工閘門等，常用鋼桁架作為主要承重構件。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。

鋼桁架

概述

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

橋樑

桁架在鋼結構中套用很廣，例如在工業與民用建築的屋蓋(屋架等)和吊車梁(即吊車桁架)、橋樑、起重機(其塔架、梁或臂桿等)、水工閘門、海洋採油平台中，常用鋼桁架作為承重結構的主要構件。在大跨度公共建築屋蓋結構中較多採用的各種型式的鋼網架，則屬於空間鋼桁架。各種類型的塔架，如電視、輸電、鑽井、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，並且桿件主要承受軸心力，從而常能節省鋼材和減輕結構自重。這使鋼桁架特別適用於跨度或高度較大的結構。此外，鋼桁架還便於按照不同的使用要求製成各種需要的外形。並且，由於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，鋼桁架的桿件和節點較多，構造較為複雜，製造較為費工。

鋼桁架中，梁式簡支桁架最為常用。因為這種桁架受力明確，桿件內力不受支座沉陷和溫度變化的影響，構造簡單，安裝方便；但用鋼量稍大。剛架式和多跨連續鋼桁架等能節省鋼材，但其內力受支座沉陷和溫度變化的影響較敏感，製造和安裝精度要求較高，因此採用較少。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，能更好適應較大吊車或振動荷載的要求。連續鋼桁架常用於較大跨度的橋樑等結構和有縴繩的桅桿塔結構。在大跨度的公共建築和橋樑中，也常採用拱式鋼桁架。在海洋平台和某些房屋結構中，也常採用懸臂式鋼桁架。各種塔架都屬於懸臂式結構。

鋼桁架按桿件內力、桿件截面和節點構造特點可分為普通、重型和輕型鋼桁架。普通鋼桁架一般採用單腹式桿件，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，在節點處用一塊節點板連線，構造簡單，套用最廣。重型鋼桁架的桿件受力較大，採用由鋼板或型鋼組成的H形或箱形截面，節點處用兩塊平行的節點板連線，它常用於跨度和荷載較大的鋼桁架，如橋樑和大跨度屋架等。輕型鋼桁架採用小角鋼及圓鋼，或採用冷彎薄壁型鋼，節點處可用節點板連線，也可將桿件直接相連，它主要用於跨度較小、屋面較輕的屋蓋結構。

分類

鋼桁架常按力學簡圖、外形和構造特點進行分類。

① 按力學簡圖分為簡支的和連續的;靜定的和超靜定的，平面的和空間的。簡支鋼桁架套用最廣。

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採用三角形鋼桁架（圖1a），跨度一般在18～24米以下；屋面坡度較平緩的屋架常採用梯形鋼桁架（圖1b、c）,跨度一般為18～36米，套用較廣。其他各類鋼桁架常採用構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），但製造較複雜，只在大跨度鋼桁架中有時採用。塔架通常採用直線或折線的外形（見塔式結構）。

桁架梁橋

③ 按桿件內力、桿件截面和節點構造特點分為普通、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，在節點處用一塊節點板連線,構造簡單,套用最廣。重型鋼桁架桿件用由鋼板或型鋼組成的工形或箱形截面，節點處用兩塊平行的節點板連線；常用於跨度和荷載較大的鋼桁架，如橋樑和大跨度屋蓋結構。輕型鋼桁架用小角鋼及圓鋼或薄壁型鋼組成；節點處可用節點板連線，也可將桿件直接相連；主要用於小跨度輕屋面的屋蓋結構。

工程要點

連線方法

鋼桁架可用焊接、普通螺栓連線、高強度螺栓連線或鉚接。焊接套用最廣；普通螺栓連線常用於可拆卸的結構、輸電塔和支撐系統；高強度螺栓連線常用於重型鋼桁架的工地連線；鉚接用於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線所代替。

高跨比

鋼桁架的高度由經濟、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築高度。鋼桁架的高跨比通常採用 1/5～1/12；鋼材強度高、剛度要求嚴的鋼桁架應採用相對偏高值。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，高跨比相應為1/4～1/6。

腹桿體系

鋼桁架的腹桿體系通常採用人字式或單斜式等形式。人字式腹桿的腹桿數和節點數較少，套用較廣；為減少受有荷載的弦桿或受壓弦桿的節間尺寸,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，有時用於跨度較大的鋼桁架。如需進一步減小弦桿及腹桿的長度，可採用再分式腹桿體系,鋼桁架高度較大且節間較小時可採用K式或菱形腹桿體系。在支撐桁架和塔架中，常採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計。斜腹桿對弦桿的傾斜角通常在30°～60°範圍內。

受力特點

鋼桁架各桿件的截面形心軸線應在節點處交匯於一點，內力計算一般按鉸接桁架進行。當桁架只承受節點荷載時，所有桿件只受軸心拉力或壓力；如在桿件節間內也承受荷載，則該桿件將同時受彎。鋼桁架桿件一般較細，布置節點時應儘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，必要時應考慮節點剛性引起的桿件次應力。

支撐系統

為了保證平面鋼桁架在桁架平面外的剛度和穩定、減小弦桿在桁架平面外的計算長度、並承受可能有的側向荷載,應在鋼桁架側向布置支撐（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，並在鋼桁架兩端及中間每隔適當距離的豎桿平面布置垂直支撐。屋蓋結構中有許多鋼桁架，可只在兩端及每隔一定距離的相鄰兩桁架間設定上、下弦橫向水平支撐和垂直支撐，其餘桁架只在上、下弦按適當間距設定系桿；當有較重吊車或必要時，還可在桁架下弦端節間增設縱向水平支撐。在四面或多面的塔架中應每隔一定高度設定橫隔，以保證塔架剛度和橫截面的幾何不變性。

桿件截面設計

鋼桁架桿件的截面形式按節省鋼材、連線方便和製造簡單等條件選擇，並注意使桿件在兩個主軸方向的長細比（桿件計算長度和截面迴轉半徑的比值）儘可能相近。鋼桁架拉桿應滿足強度和容許長細比的要求；壓桿應滿足強度、穩定和容許長細比的要求。

在計算桿件的強度和穩定時,內力按軸心力考慮;當桿件同時受軸心力和彎矩時，應按偏心受力考慮其共同作用。在計算桿件的穩定和長細比時，應考慮桁架平面內和平面外兩個方向，或長細比較大的不利方向。桿件的容許長細比，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，通常規定在製造時預先起拱。屋架的起拱度(f)一般為跨度的1/500。