膜结构设计钢桁架受力分析

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。

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