桁架、单层刚架与拱

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1、第三篇钢结构设计计算及实例与图集第五章桁架、单层刚架与拱第一节桁架一、桁架的用途和结构组成桁架是由杆件组成的几何不变体，既可作为独立的结构，又可作为结构体系的一个单元发挥承载作用。广义的桁架所对应的工程范围很广，例如简支或连续支承的竖向桁架可用于桥梁、屋架（图!"#"$%），水平放置的桁架可用于工业厂房中的吊车制动系统、墙面抗风支承（图!"#"$&），输电塔、微波塔、缀条柱等则是直立的悬臂式桁架（图!"#"$’）。前两类桁架可看作是空腹的抗弯构件，本节主要介绍这两类桁架。后一类桁架，或作为塔式结构处理，或作为格构式柱按空腹式受压或压弯构件处理。图!"#"$桁架结构（%）纵向桁架；

2、（&）水平桁架；（’）竖向悬臂桁架；（(）空间桁架桁架有平面桁架和空间桁架之分。图!"#"$（&）是典型的平面桁架，图!"#"$—+*)—第五章桁架、单层刚架与拱（!）的剖面从形式上看，具有空间构架的几何构成，但其主要受力是两榀平行的竖向桁架，一般仍作为平面桁架分析和设计。图"#$#%（&）是跨度较大时采用的一种屋架或檩条形式，具有空间桁架的特征。平面桁架在其自身平面内有很大的刚度，能负担很大的横向荷载，但其平面外的刚度很小。对于可能发生的侧向荷载，以及考虑平面外的稳定性，一般需要有平面外的支承。平面外支承可以由多种方式实现。如对图"#$#%（!）的组成共同工作的两榀桁架，在其上

3、下弦平面分别形成几何不变的体系，可以起到这种作用。图"#$#%（’）中，利用墙面对桁架起面外支承作用。桁架平面外支承一般的形式是采用支撑系统。例如图"#$#(所示屋盖结构，平面桁架作为承受屋面竖向荷载的主要承重构件，称为屋架。在屋架上弦平面内，可设置各种支撑，图中所示上弦平面的横向水平支撑就是其中的一种。当不设置这种支撑时，屋架的受压弦杆可能发生如!轴处虚线所示的失稳波形。一旦设置了这类支撑，两相邻屋架上弦就形成了几何不变的体系，受压弦杆可能的失稳波形如"轴处虚线所示。比之前一种情况，显然减少了受压弦杆在桁架平面外的计算长度，提高了整体稳定的承载力。端开间（轴线!与"之间、#与$

4、之间）以外的部分，通过设置系杆，成为依托于支撑开间的几何不变体。从图"#$#(中还可以发现，两相邻屋架的弦杆和横向水平支撑实际上又形成了一水平桁架)*)+*+，可以作为抵抗屋架桁架平面外侧向力的结构。类似的给桁架提供平面外支承点的方式，也可通过交叉桁架体系的方法实现（图"#$#"），各榀桁架既承受自身平面内作用的荷载，又为相垂直的桁架提供侧向支承刚度。图"#$#(屋盖上弦平面的横向水平支撑组成钢桁架的杆件，可以是钢管截面，如圆管、矩形或方形钢管，轧制的,型钢、-型钢、.型钢，角钢或双角钢组合截面；在一些轻型桁架中，也可使用圆钢作为受拉杆件。一个桁架可以由不同截面形式的杆件组成。在

5、工厂制作时，桁架的弦杆是连续的。当钢材长度不够，或选用的截面有变化时，经过拼接接头的过渡，整体上还是连续的。桁架的竖腹杆、斜腹杆和弦杆之间的连接，一种方式是直接连接（图"#$#/0），一种方式是通过节点板连接（图"#$#/’）。—21"—第三篇钢结构设计计算及实例与图集图!"#"!交叉桁架图!"#"$桁架杆件采用节点板与不采用节点板的连接方式（%）节点部位；（&）节点板连接方式；（’）无节点板连接方式—)($—第五章桁架、单层刚架与拱平面桁架中相连杆件的轴线，在交汇处应尽可能交于一点，例如图!"#"$中%&，’&，%(&，’(&应交汇于&点，以减少交汇处力的偏心，该点即是桁架结构

6、的节点。桁架弦杆上两相邻节点间的长度称为节间长度。如图!"#"$中%&间的连线是该处上弦的节间长度，%(’(是该处下弦的节间长度。作为桁架平面外支承的杆件（支撑斜杆、竖杆、系杆）也应交在平面杆件交汇的节点上。钢结构平面桁架设计的主要工作内容有：确定几何外形，布置杆件，选择杆件截面，以及桁架平面外的支撑布置，内力分析，杆件的强度、稳定性和构件刚度校核，节点设计。二、几何构成设计（一）桁架外形桁架外形设计需考虑结构用途、荷载特点、与其它构件的连接要求等。三角形桁架通常用于坡度较大的屋架。降雪量大、雨水量大而集中的地区建造房屋的屋盖较多采用这种形式；有单侧均匀充足采光要求的工业厂房屋盖

7、和有较大悬挑的雨篷等也采用这种形式（图!"#"#）。除悬挑式桁架外（图!"#"#&），三角形桁架端部不能承受弯矩，整体上杆件截面利用不尽合理，因而一般用于跨度不大的情况。图!"#"#三角形平面桁架梯形桁架（图!"#")）的外形可以调整到与弯矩分布的图形相近似，无论是简支桁架还是连续桁架，都可以使得大部分弦杆的内力比较均匀，因而效率较高。梯形桁架端部有一定高度，上下弦杆都与柱子或其他支承结构相连的话，上下弦杆的拉压轴力形成一对力偶，可以抵抗端弯矩，类似两端刚接的抗弯构件，对结构整体