一文带你读懂钢桁架设计与选型

一、钢桁架受力特点

钢桁架一般由上弦、下弦和腹杆组成。其受力与普通梁是有区别的：上弦受压、下弦受拉，形成力偶来平衡外荷载产生的弯矩；斜腹杆轴力的竖向分量来平衡外荷载产生的剪力。各杆单元均为轴向受拉或轴向受压构件，而没有弯矩和剪力，这一特点可以使材料的强度得到充分发挥。但在实际结构中，由于节点的非理想铰结等原因，还同时存在较小的弯矩和剪力，对轴力有很小的影响(因节点刚性和桁架杆横截面积与惯性矩比值的大小而不同，一般减小5％-0．1％)，称为次内力。

二、钢桁架受力分析

1．计算假定

各杆的轴线在同一平面内，节点均为铰结，所有外荷载作用在桁架平面内，并集中作用于节点上。如果作用在节间杆件上，上、下弦的内力将成为压弯或拉弯构件。解决方法：使节点间距等分一致，或再分，尽量将外荷载作用于桁架节点上。

2．结构计算

根据平衡理论，节点承受汇交力系作用，逐次建立各节点的投影平衡方程：ΣX=0、ΣY=0，可求出所有的未知杆件内力，这种方法称节点法，最适用于简单桁架。求解时，可根据平衡理论先判定零杆，并尽可能避免解联立方程，有时只需求少数杆件内力。对于联合桁架和复杂桁架，节点法无法奏效时，需用截面法，有选择地截断杆件(一般不超过三根)以桁架的局部为平衡对象，由平衡方程即可求得所需杆件轴力。对于某些桁架(如K式桁架)，联合应用节点法和截面法更有效。对于杆件很多的复杂桁架或空间桁架，最好选择电算法。

桁架结构的内力以轴力为主，各杆件内力分布不均匀。上弦杆件的内力为轴向压力，下弦杆件的内力为轴向受拉，形成力偶抵抗弯矩作用。竖腹杆和斜腹杆的内力可能为轴向拉力或轴向压力(由杆件布置决定)，抵抗剪力作用。常见桁架如三角形桁架、矩形桁架、抛物线桁架、梯形桁架的斜腹杆布置方向对腹杆受力是有影响的，根据内力分布情况得到以下结论：

(1)三角形桁架：内力分布不均匀，弦杆要改变截面，施工困难，否则浪费材料，端点角度小，制作困难，一般应用于跨度小，跨度一般在18-24m以下，坡度大的屋架。



(2)矩形桁架：内力分布不均匀，如按内力选杆件，类型多，美观性欠佳，施工困难，材料浪费多，但如采用标准杆件，相同截面的弦杆可以使得结构整齐，而且采购方便，不至造成浪费。



(3)梯形桁架：内力介于三角形桁架和矩形桁架之间。



(4)抛物型桁架：内力分布均匀，使用材料最为经济，但上弦杆的倾角不同，结构复杂，施工不便，因此，多在60m及以上的大跨结构中采用，有利于节约材料。



3．连接设计

钢桁架的连接方式有焊接、普通螺栓连接、高强螺栓连接或铆接。在钢桁架中应用最广的应属焊接；而普通螺栓连接则常用于可拆的结构如输电塔和支撑系统；高强螺栓连接常用于重型钢桁架的工地连接；铆接用于受较大动力荷载的重型钢桁架，目前已逐渐被高强螺栓连接代替。工程应用时，应结合工程特点，施工条件确定连接方式。

4．外形与内力的关系

钢桁架是由杆件组成的格构体系，其节点一般假定为铰节点，当荷载作用在节点上时，桁架的杆件内力与桁架的外形有着密切的关系。三角形桁架的杆件内力也是不均匀的，弦杆内力是两端大而向中间逐渐减小，腹杆内力是两端小而向中间逐渐增大。矩形桁架的杆件内力是连续但不均匀，弦杆内力是两端小而向中间逐渐增大，腹杆内力是两端大而向中间逐渐减小。抛物型桁架的杆件内力大致均匀，从力学角度看，它的形状与同跨度、同荷载的简支梁的弯矩图形相似，其形状符合受荷后的内力变化规律，所以它是较好的桁架形式。在满足承载力和使用要求的条件下，桁架的外形高度一般为其跨度的1/15左右时较为经济。

三、钢桁架应用

鉴于钢桁架的受力特点、自身的优点，钢桁架广泛应用于一些公共建筑、工业生产辅助建筑、港口工程中的货物输送栈桥等。





四、结论

在钢桁架设计和应用选型时必须综合考虑使用要求、使用特点、跨度和荷载大小以及材料供应情况，施工条件等因素，并进行全面的技术经济分析。在设计和选型时尚需注意以下问题。

1．设计注意的问题

（1）杆件截面设计：桁架杆件的截面形式按节省钢材、连接方便和制造简单等条件选择，并注意使杆件在两个主轴方向的长细比（杆件计算长度和截面回转半径的比值）尽可能相近，并应满足强度、稳定和长细比的要求。

（2）强度和稳定验算：在计算杆件的强度和稳定时，内力按轴心力考虑，当杆件同时受轴力和弯矩时，应按偏心受力考虑其共同作用。在计算杆件的稳定和长细比时，应考虑桁架平面内和平面外两个方向，或长细比较大的不利方向。

杆件的容许长细比，按杆件受压或受拉、受静力荷载或动力荷载等情况分别进行验算。

（3）起拱：跨度稍大的钢桁架，为抵消自重及荷载作用下的全部或部分挠度，保持外形美观，在制作时通常预先起拱，起拱值一般为跨度的1/500或设计规定值。

2．选型注意的问题

（1）一般建议跨度在30m以上采用钢桁架，可以取得较好的经济效果。钢桁架的高度由应力比、刚度、使用、运输和经济等要求确定。增加高度可以减小弦杆截面和挠度，但是增加了腹杆的用钢量和建筑物的高度。钢桁架的高跨比通常为1/8~1/15，钢材强度高，刚度要求严的钢桁架应采用相对偏高值。

（2）对于空间钢桁架，为了保证其横向整体稳定性，钢桁架的宽度也是选型时需考虑的一个要素。为了提高空间钢桁架的横向刚度，保障其横向稳定性，一般情况下，钢桁架的宽跨比控制在1/20以上，但是，如果钢桁架是全封闭的，横向受到的风荷载较大，其空间稳定性主要是以风荷载控制，因此，需要通过空间分析再确定合理的宽度。

（3）由于钢桁架的外形与其内力之间存在密切的联系，因此，建议将斜腹杆对弦杆的倾斜角通常控制在30°~60°范围内，合理的外形（如抛物型钢桁架）可以是材料强度得到充分发挥，从而节约用钢量。下弦下沉式重心降低，提高了稳定性，可有效地减少支撑体系。

（4）由于钢材对温度变化较敏感，因此，在温差较大的地区，尚应考虑温升降引起的内力和支座变位，采用合适的支座形式予以释放，如滚轴支座、转轴支座等。

（5）由于钢材耐火、耐酸性能较差，因此，对于需要考虑防火的和处在酸性环境中的钢桁架须采取必要的防火和防腐涂装以确保钢桁架的耐久性。