自由桁架理論原理

桁架是由一些用直桿組成的三角形框構成的幾何形狀不變的結構物。桿件間的結合點稱為節(jié)點(或結點)。根據(jù)組成桁架桿件的軸線和所受外力的分布情況，桁架可分為平面桁架和空間桁架。屋架或橋梁等空間結構是由一系列互相平行的平面桁架所組成。若它們主要承受的是平面載荷，可簡化為平面桁架來計算。

平面桁架

組成桁架的桿件的軸線和所受外力都在同一平面上(圖1)。平面桁架可視為在一個基本的三角形框上添加桿件構成的。每添加兩個桿，須形成一個新節(jié)點才能使結構的幾何形狀保持不變。這種能保持幾何堅固性的桁架叫作無余桿(或叫無冗桿)桁架。如果只添加桿件而不增加節(jié)點，就不能保持桁架的幾何堅固性，這種桁架叫作有余桿(或叫有冗桿)桁架。

分析靜定平面桁架的受力情況有以下兩種方法：

①截面法

②節(jié)點法

③麥克斯韋-克雷莫納法

空間桁架

組成桁架各桿件的軸線和所受外力不在同一平面上。在工程上，有些空間桁架不能簡化為平面桁架來處理，如網架結構。塔架、起重機構架等?？臻g桁架的節(jié)點為光滑球鉸結點，桿件軸線都通過聯(lián)結點的球鉸中心并可繞球鉸中心的任意軸線轉動。每個節(jié)點在空間有三個自由度。節(jié)點和桿件數(shù)的關系為W=3j－n，W>0為幾何可變桁架，W=0為幾何不變且無多余約束的空間桁架?？臻g桁架和平面桁架一樣，可用部分截割法和節(jié)點法求出桁架內所有桿件所受的內力。部分截割法則是利用空間任意力系的六個平衡條件求出各桿的內力。節(jié)點法是截取節(jié)點為隔離體，利用每個節(jié)點所受的空間匯交力系的三個平衡條件，求出各桿的內力。

各種形式

從力學方面分析，桁架外形與簡支梁的彎矩圖相似時，上下弦桿的軸力分布均勻，腹桿軸力小，用料最省；從材料與制造方面分析，木桁架做成三角形，鋼桁架采用梯形或平行弦形，鋼筋混凝土與預應力混凝土桁架為多邊形或梯形為宜。

桁架的高度與跨度之比，通常，立體桁架為1/12~1/16，立體拱架為1/20~1/30，張拉立體拱架為1/30~1/50，在設計手冊和規(guī)范中均有具體規(guī)定。桁架的使用范圍很廣，在選擇桁架形式時應綜合考慮桁架的用途、材料和支承方式、施工條件，其最佳形式的選擇原則是在滿足使用要求前提下，力求制造和安裝所用的材料和勞動量為最小。

三角形桁架

三角形桁架在沿跨度均勻分布的節(jié)點荷載下，上下弦桿的軸力在端點處最大，向跨中逐漸減少；腹桿的軸力則相反。三角形桁架由于弦桿內力差別較大，材料消耗不夠合理，多用于瓦屋面的屋架中。

梯形桁架

梯形桁架和三角形桁架相比，桿件受力情況有所改善，而且用于屋架中可以更容易滿足某些工業(yè)廠房的工藝要求。如果梯形桁架的上、下弦平行就是平行弦桁架，桿件受力情況較梯形略差，但腹桿類型大為減少，多用于橋梁和棧橋中。

多邊形桁架

多邊形桁架也稱折線

形桁架。上弦節(jié)點位于二次拋物線上，如上弦呈拱形可減少節(jié)間荷載產生的彎矩，但制造較為復雜。在均布荷載作用下，桁架外形和簡支梁的彎矩圖形相似，因而上下弦軸力分布均勻，腹桿軸力較小，用料最省，是工程中常用的一種桁架形式。

空腹桁架

空腹桁架基本取用多邊形桁架的外形，無斜腹桿，僅以豎腹桿和上下弦相連接。桿件的軸力分布和多邊形桁架相似，但在不對稱荷載作用下桿端彎矩值變化較大。優(yōu)點是在節(jié)點相交會的桿件較少，施工制造方便。

桁架橋

1、桁架橋是橋梁的一種形式。

2、桁架橋一般多見于鐵路和高速公路；分為上弦受力和下弦受力兩種。

3、桁架由上弦、下弦、腹桿組成；腹桿的形式又分為斜腹桿、直腹桿；由于桿件本身長細比較大，雖然桿件之間的連接可能是“固接”，但是實際桿端彎矩一般都很小，因此，設計分析時可以簡化為“鉸接”。簡化計算時，桿件都是“二力桿”，承受壓力或者拉力。

4、由于橋梁跨度都較大，而單榀的桁架“平面外”的剛度比較弱，因此，“平面外”需要設置支撐。設計橋梁時，“平面外”一般也是設計成桁架形式，這樣，橋梁就形成雙向都有很好剛度的整體。

5、有些橋梁橋面設置在上弦，因此力主要通過上弦傳遞；也有的橋面設置在下弦，由于平面外剛度的要求，上弦之間仍需要連接以減少上弦平面外計算長度。

6、桁架的弦桿在跨中部分受力比較大，向支座方向逐步減??；而腹桿的受力主要在支座附件最大，在跨中部分腹桿的受力比較小，甚至有理論上的“零桿”。

1、固定桁架：

桁架中最堅固的一種，可重復利用性高，唯一缺點就是運輸成本較高。產品分為方管和圓管兩種。

2、折疊桁架：

最大的優(yōu)點就是運輸成本低，可重復利用性稍遜。產品分為方管和圓管兩種。

3、蝴蝶桁架：

桁架中最具有藝術性的一種，造型奇特，優(yōu)美。

4、球節(jié)桁架：

又叫球節(jié)架，造型優(yōu)美，堅固性好，也是桁架中造價最高的一種。

1、精工焊接：大型機器，流水作業(yè)，多年技師，專業(yè)焊接，品質保證。

2、烤漆工藝：汽車品質，專業(yè)烤漆房，精工烤漆工藝。

3、規(guī)范加工：大型機器定位，孔位準確。

4、技術領先：有自己的租賃安裝公司，一線研發(fā)，永遠領先。

足夠強度—不發(fā)生斷裂或塑性變形；足夠剛性—不發(fā)生過大的彈性變形；足夠穩(wěn)定性—不發(fā)生因平衡形式的突然轉變而導致坍塌；良好的動力學特性—抗震、抗風性。

桁架的設計要求： 要有符合要求的桿件；要有良好的連接件，包括鉚釘、銷釘及焊縫的連接。這些就涉及到桁架的類型、桿件的尺寸和材料，但首先是靜力學分析。

一些參考值如：每平米造價，最大構件重量，最大跨度，結構形式，檐高等，以上這些在判斷廠房是否為重鋼或輕鋼時可以提供經驗數(shù)據(jù)。國家規(guī)范和技術文件都并沒有重鋼一說，很多建筑都是輕、重鋼都有。為區(qū)別輕型房屋鋼結構，也許稱一般鋼結構為“普鋼”更合適。因為普通鋼結構的范圍很廣，可以包含各種鋼結構，不管荷載大小，甚至包括輕型鋼結構的許多內容，輕型房屋鋼結構技術規(guī)程只是針對其“輕”的特點而規(guī)定了一些更具體的內容，而且范圍只局限在單層門式剛架。由此可見，輕鋼與重鋼之分不在結構本身的輕重，而在所承受的圍護材料的輕重，而在結構設計概念上還是一致的。

鋼桁架

房屋建筑用的桁架，一般僅進行靜力計算；對于風力、地震力、運行的車輛和運轉的機械等動荷載，則化為乘以動力系數(shù)的等效靜荷載進行計算；特殊重大的承受動荷載的桁架，如大跨度橋梁和飛機機翼等，則需按動荷載進行動力分析（見荷載）。

平面桁架一般按理想的鉸接桁架進行計算，即假設荷載施加在桁架節(jié)點上（如果荷載施加在節(jié)間時，可按簡支梁換算為節(jié)點荷載），并和桁架的全部桿件均在同一平面內，桿件的重心軸在一直線上，節(jié)點為可自由轉動的鉸接點。理想狀態(tài)下的靜定桁架，可以將桿件軸力作為未知量，按靜力學的數(shù)解法或圖解法求出已知荷載下桿件的軸向拉力或壓力（見桿系結構的靜力分析）。

工程用的桁架節(jié)點，一般是具有一定剛性的節(jié)點而不是理想的鉸接節(jié)點，由于節(jié)點剛性的影響而出現(xiàn)的桿件彎曲應力和軸向應力稱為次應力。計算次應力需考慮桿件軸向變形，可用超靜定結構的方法或有限元法求解。

木桁架

空間桁架由若干個平面桁架所組成，可將荷載分解成與桁架同一平面的分力按平面桁架進行計算，或按空間鉸接桿系用有限元法計算。

根據(jù)桁架桿件所用的材料和計算所得出的內力，選擇合適的截面應能保證桁架的整體剛度和穩(wěn)定性以及各桿件的強度和局部穩(wěn)定，以滿足使用要求。

桁架的整體剛度以控制桁架的最大豎向撓度不超過容許撓度來保證；平面桁架的平面外剛度較差，必須依靠支撐體系保證。支撐系統(tǒng)有上弦支撐、下弦支撐、垂直支撐和桁架共同組成空間穩(wěn)定體系。2100433B

張弦桁架上弦桿截面為D480X22，桁架中部下弦 桿件截面為D480x12，接近支座處下弦桿件為口480x24，材質為Q345D，桁架弦桿與腹桿間為相貫焊接連接。

自由曲面是工程中最復雜而又經常遇到的曲面，在航空、造船、汽車、家電、機械制造等部門中許多零件外形，如飛機機翼或汽車外形曲面，以及模具工件表面等均為自由曲面。工業(yè)產品的形狀大致上可分為兩類或由這兩類組成:一類是僅由初等解析曲面例如平面、圓柱面、圓錐面、球面等組成。大多數(shù)機械零件屬于這一類?？梢杂卯嫹◣缀闻c機械制圖完全清楚表達和傳遞所包含的全部形狀信息。另一類是不能由初等解析曲面組成，而由復雜方式自由變化的曲線曲面即所謂的自由曲線曲面組成。例如飛機，汽車，船舶的外形零件。自由型曲線曲面因不能由畫法幾何與機械制圖表達清楚，成為擺在工程師面前首要解決的問題。