鋼桁架簡介

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。

桁架在鋼結構中應用很廣，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構的主要構件。在大跨度公共建筑屋蓋結構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)省鋼材和減輕結構自重。這使鋼桁架特別適用于跨度或高度較大的結構。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?？勺龀捎休^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，構造較為復雜，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構和有纖繩的桅桿塔結構。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構中，也常采用懸臂式鋼桁架。各種塔架都屬于懸臂式結構。

鋼桁架按桿件內(nèi)力、桿件截面和節(jié)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，在節(jié)點處用一塊節(jié)點板連接，構造簡單，應用最廣。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，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，或采用冷彎薄壁型鋼，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、屋面較輕的屋蓋結構。

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(xù)的;靜定的和超靜定的，平面的和空間的。簡支鋼桁架應用最廣。

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，應用較廣。其他各類鋼桁架常采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），但制造較復雜，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（見塔式結構）。

③ 按桿件內(nèi)力、桿件截面和節(jié)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(jié)點處用一塊節(jié)點板連接,構造簡單,應用最廣。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構。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構。

鋼桁架連接方法

鋼桁架可用焊接、普通螺栓連接、高強度螺栓連接或鉚接。焊接應用最廣；普通螺栓連接常用于可拆卸的結構、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，已逐漸被高強度螺栓連接所代替。

鋼桁架高跨比

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、剛度要求嚴的鋼桁架應采用相對偏高值。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，高跨比相應為1/4～1/6。

鋼桁架腹桿體系

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計。斜腹桿對弦桿的傾斜角通常在30°～60°范圍內(nèi)。

鋼桁架受力特點

鋼桁架各桿件的截面形心軸線應在節(jié)點處交匯于一點，內(nèi)力計算一般按鉸接桁架進行。當桁架只承受節(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，布置節(jié)點時應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，必要時應考慮節(jié)點剛性引起的桿件次應力。

鋼桁架支撐系統(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、并承受可能有的側向荷載,應在鋼桁架側向布置支撐（圖2）。支撐通?？煞譃樗街危ㄉ舷液拖孪移矫?、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、下弦按適當間距設置系桿；當有較重吊車或必要時，還可在桁架下弦端節(jié)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置橫隔，以保證塔架剛度和橫截面的幾何不變性。

鋼桁架桿件截面設計

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。鋼桁架拉桿應滿足強度和容許長細比的要求；壓桿應滿足強度、穩(wěn)定和容許長細比的要求。

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(wěn)定和長細比時，應考慮桁架平面內(nèi)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(guī)定。

鋼桁架起拱

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)定在制造時預先起拱。屋架的起拱度(f)一般為跨度的1/500。

鋼桁架橘按靜力

鋼桁架橘可分為簡支梁橋、連續(xù)梁橋和懸臂梁橋。

①簡支梁橋：主梁簡支在墩臺上,各孔獨立工作,不受墩臺變位影響。實腹式主梁構造簡單，設計簡便，施工時可用自行式架橋機或聯(lián)合架橋機將一片主梁一次架設成功。但簡支梁橋各孔不相連續(xù)，車輛在通過斷縫時將產(chǎn)生跳躍，影響車速的提高。因此，目前趨向于把主梁做成為簡支，而把橋面做成連續(xù)的形式。簡支梁橋隨著跨徑增大，主梁內(nèi)力將急劇增大，用料便相應增多，因而大跨徑橋一般不用簡支梁。

②連續(xù)梁橋：主梁是連續(xù)支承在幾個橋墩上。在荷載作用時，主梁的不同截面上有的有正彎矩，有的有負彎矩，而彎矩的絕對值均較同跨徑橋的簡支梁小。這樣，可節(jié)省主梁材料用量。連續(xù)梁橋通常是將3～5孔做成一聯(lián)，在一聯(lián)內(nèi)沒有橋面接縫，行車較為順適。連續(xù)梁橋施工時，可以先將主梁逐孔架設成簡支梁然后互相連接成為連續(xù)梁?；蛘邚亩张_上逐段懸伸加長最后連接成為連續(xù)梁。近一、二十年，在架設預應力混凝土連續(xù)梁時，成功地采用了頂推法施工，即在橋梁一端（或兩端）路堤上逐段連續(xù)制作梁體逐段頂向橋孔，使施工較為方便。連續(xù)梁橋主梁內(nèi)有正彎矩和負彎矩，構造比較復雜。此外，連續(xù)梁橋的主梁是超靜定結構，墩臺的不均勻沉降會引起梁體各孔內(nèi)力發(fā)生變化。因此，連續(xù)梁一般用于　地基條件較好、跨徑較大的橋梁上。1966年建成的美國亞斯托利亞橋，是目前跨徑最大的鋼桁架連續(xù)梁橋，它的跨徑為376米。

③懸臂梁橋：又稱伸臂梁橋。是將簡支梁向一端或兩端懸伸出短臂的橋梁。這種橋式有單懸臂梁橋或雙懸臂梁橋。懸臂梁橋往往在短臂上擱置簡支的掛梁，相互銜接構成多跨懸臂梁。有短臂和掛梁的橋孔稱為懸臂孔或掛孔，支持短臂的橋孔稱為錨固孔。懸臂梁橋的每個掛孔兩端為橋面接縫，懸臂端的撓度也較大，行車條件并不比簡支梁橋有所改善。懸臂梁一片主梁的長度較同跨簡支梁為長，施工安裝上相應要困難些。目前對預應力混凝土懸臂梁橋多采用懸臂拼裝或懸臂澆筑的方法施工。為適應懸臂施工法的發(fā)展，保證主梁的內(nèi)力狀態(tài)和施工時一樣，出現(xiàn)一種沒有錨固孔，并把懸伸的短臂和墩身直接固結在立面上，形成預應力混凝土 T形剛架橋，這種橋在20世紀50年代后發(fā)展起來。

鋼桁架橘按材料

有木梁橋、石梁橋、鋼梁橋、鋼筋混凝土梁橋、預應力混凝土梁橋以及用鋼筋混凝土橋面板和鋼梁構成的結合梁橋等。木梁橋和石梁橋只用于小橋；鋼筋混凝土梁橋用于中、小橋；鋼梁橋和預應力混凝土梁橋可用于大、中橋。

鋼桁架橘按結構

有實腹梁橋和桁架梁橋兩大類。實腹梁橋的截面積主要由彎矩決定，而彎矩大致與跨度的平方成正比（均布荷載條件下），當跨度大時，梁的腹板上的平均法向應力頗小，不能使材料充分利用，所以跨度不宜做得太大；桁架梁橋的桿件承受軸向力，材料能充分利用，自重較輕，跨越能力大，多用于建造大跨度橋。但實腹梁橋構造簡單，制造與架設均較方便。由于這兩種梁式橋的受力性質(zhì)不同，實腹梁橋以用于預應力混凝土橋為主，而桁架梁橋則多用于鋼橋。