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空间桁架
组成桁架各杆件的轴线和所受外力不在同一平面上。在工程上,有些空间桁架不能简化为平面桁架来处理,如网架结构。塔架、起重机构架等。空间桁架的节点为光滑球铰结点,杆件轴线都通过联结点的球铰中心并可绕球铰中心的任意轴线转动。每个节点在空间有三个自由度。节点和杆件数的关系为W=3j-n,W>0为几何可变桁架,W=0为几何不变且无多余约束的空间桁架。空间桁架和平面桁架一样,可用部分截割法和节点法求出桁架内所有杆件所受的内力。部分截割法则是利用空间任意力系的六个平衡条件求出各杆的内力。节点法是截取节点为隔离体,利用每个节点所受的空间汇交力系的三个平衡条件,求出各杆的内力。
桁架的种类及特性:
桁架是由直杆通过焊接、铆接或螺栓连接而成的、具有相邻三角形单元的平面或空间结构。由于直杆仅承受轴向拉力或压力,从而能充分利用材料的强度,在跨度较大时相较实腹梁能节省大量材料,减轻结构重量。
从外形上区分,常用桁架可分为三角桁架、梯形桁架、平行弦桁架等几何类型。其中平行弦桁架因为组成零件规格较少,制造简单,在温室行业使用较为普遍。
温室用平行弦桁架通常由上下弦杆、直腹杆、斜腹杆、端板组成,各构件之间采用焊接相连。根据斜腹杆的布置方式不同,平行弦桁架又可以分为人字式、单向斜杆式(豪式)两种类型。
其中,人字式斜腹杆桁架所用腹杆数量、总长度较小,相应节点数量也少,可以减少制造成本及焊接工作量,但受拉、受压斜腹杆长度相等,结构上不尽合理;同时,弦杆节间长度较大,当弦杆吊挂荷载较大(例如瓜果类种植)时,需要提高弦杆抗弯能力;与之相对应,单向斜杆式桁架杆件数量较多,材料用量、加工量较大,但受压的直腹杆长度较小,弦杆结间距同样较小,在较大吊挂荷载下材料性能能可得到更好的发挥。设计过程中应根据桁架荷载状况综合考虑,选择较优结构方案。为简便起见,以下仅就人字式腹杆平行弦桁架进行讨论。
结构计算:
房屋建筑用的桁架,一般仅进行静力计算;对于风力、地震力、运行的车辆和运转的机械等动荷载,则化为乘以动力系数的等效静荷载进行计算;特殊重大的承受动荷载的桁架,如大跨度桥梁和飞机机翼等,则需按动荷载进行动力分析(见荷载)。
平面桁架一般按理想的铰接桁架进行计算,即假设荷载施加在桁架节点上(如果荷载施加在节间时,可按简支梁换算为节点荷载),并和桁架的全部杆件均在同一平面内,杆件的重心轴在一直线上,节点为可自由转动的铰接点。理想状态下的静定桁架,可以将杆件轴力作为未知量,按静力学的数解法或图解法求出已知荷载下杆件的轴向拉力或压力(见杆系结构的静力分析)。
工程用的桁架节点,一般是具有一定刚性的节点而不是理想的铰接节点,由于节点刚性的影响而出现的杆件弯曲应力和轴向应力称为次应力。计算次应力需考虑杆件轴向变形,可用**静定结构的方法或有限元法求解。
空间桁架由若干个平面桁架所组成,可将荷载分解成与桁架同一平面的分力按平面桁架进行计算,或按空间铰接杆系用有限元法计算。
根据桁架杆件所用的材料和计算所得出的内力,选择合适的截面应能**桁架的整体刚度和稳定性以及各杆件的强度和局部稳定,以满足使用要求。
桁架的整体刚度以控制桁架的较大竖向挠度不**过容许挠度来**;平面桁架的平面外刚度较差,必须依靠支撑体系**。支撑系统有上弦支撑、下弦支撑、垂直支撑和桁架共同组成空间稳定体系。