桁架的类型

桁(héng)架(英文:truss)

桁架简单地定义为构件的三角剖分,以形成稳定的结构。三角剖分是数学上的稳定配置。通常桁架具有称为上弦,下弦,垂直弦和对角弦的单元。桁架的主要功能:

  • 从上方结构承载载荷
  • 为整个结构提供足够的横向稳定性

在设计过程中有一些基本假设。应该明确的是,桁架的构造应符合设计假设,以避免由于力和载荷的分散而引起的不必要的破坏。以下是桁架设计和计算中的基本假设

  1. 桁架结构单元仅承受轴向力(及轴向拉压载荷)
  2. 节点(即单元的连接)被设计为胶接,从而不会将力矩传递给桁架杆单元
  3. 所有外部负载和反应仅作用于节点上
  4. 通常情况下桁架应在同一平面上。
  5. 通常情况下将桁架的构件制成I形,三角形,T形,管形,方形和槽形。就结构分析结果而言,I型截面更适合作为优化截面。

1  桁架类型

1.1  简易桁架

三角形就是最简单的桁架,这类的桁架常出现在屋顶,由二根斜向的椽架及水平的托梁组成一个单元,像在自行车及飞机上也可以看到类似的架构。这类的桁架有形状的稳定性,且已有方法可以分析其各部分的受力,因此由三角形组成的桁架称为简易桁架。像传统由二个相邻三角形组成的钻石型自行车车架,就是简易桁架的例子。

1.2  平面桁架

平面桁架位在同一平面上,一般会用数个平面桁架平行排列,组成屋顶及桥梁。

平面桁架的深度,也就是平面桁架上方及下方的上弦杆及下弦杆之间的距离,是桁架之所以成为经济耐用的结构的原因。实心的梁或是梁不论是重量或是成本,都比相同强度的桁架要贵。跨度相同时,若桁架的深度越深,其上弦杆及下弦杆所需的材料越少,但垂直杆及对角线杆需要的材料会增加。因此若深度最佳化,桁架的成本也可以节省。

1.3  立体桁架

空间桁架是三维的框架,各杆的末端以旋转接点相接。四面体的外形是最简单的桁架,由六根杆组成,有四个接点。大型的平面结构也可以用四面体组成,在大型的独立输电杆塔中也有用到立体桁架。

四面体桁架

2  平面桁架的常见类型

2.1  普拉特桁架

普拉特桁架 普拉特桁架(Pratt truss)是由二位波士顿铁路工程师在1844年申请专利。其设计用垂直杆件来承受压缩力,水平垂直杆件来承受张力,现今这仍是常用的桁架型式,只是原有的木头换成铁,最后再换成钢。普拉特桁架持续受欢迎的原因也许也因为较长的对角杆件只承受因为重力效应产生的张力,因为对角细长杆件若承受压力下,比较容易会挫曲,这在设计上也不易控制。因为若针对固定深度的平面桁架,承受静态、垂直的荷重,普拉特桁架也许是最有效的桁架。

2.2  弓弦桁架

弓弦桁架(Bowstring truss)因其外型得名,最早用在有拱的桁架桥,常和系拱桥混淆。弓弦桁架桥的桥拱和桥面是以杆件相连,而系拱桥是用绳索或钢索连接桥拱和桥面。

在二次大战时时兴建了上千座弓弦桁架,目的是为了飞机库或是其他军用建筑的曲线。连结上弦杆和下弦杆之间的杆有许多不同的变化,从接近等腰三角形到类似普拉特桁架的变体。

2.3  单柱桁架

单柱桁架(king post truss)是桁架中最简单的一种,有一个垂直的柱子支撑,两侧则有斜的杆件。

2.4  双柱桁架

双柱桁架(queen post truss)类似单柱桁架,但中间是二根垂直柱子,之间用梁连接,以提供其结构稳定性,这类桁架只适用在跨距较短的应用中。

2.5  透镜桁架桥

透镜桁架桥(Lenticular trusses)是由威廉·道格拉斯在1878年申请专利 ,不过1823年的Gaunless桥是第一座透镜桁架桥,其上弦板及下弦板都是拱形的,因此整体像透镜一样。

2.6  格构桁架

美国建筑师 Ithiel Town设计了格构桁架,取代用粗重木头作的桥,他的设计在1820年及1835年申请专利,利用易于处理的木板,对角线的固定在上弦板及下弦板之间。

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