淺析桁架結構在鋼結構廠房建設中的應用

任建科

（西安建工集團，陜西 西安 710065）

1 概述

在經濟高速發展的今天，鋼材的產量越來越大，越來越多的建筑采用鋼結構來建造，鋼結構建筑不僅堅固，而且消耗資源少，建造費用低，還可回收，具有美觀實用等特點，受到眾多建筑廠家的青睞。

1.1 鋼結構廠房的概念

鋼結構廠房是指主要用鋼材作為主體承重構件的廠房，包括鋼梁、鋼柱子、鋼屋頂、鋼屋蓋。而廠房屋頂的跨度比較大，基本上都是用鋼結構的屋架。整個廠房的建造是用鋼材完成，當然鋼結構的墻也可以用磚墻。鋼結構廠房也可分為輕型鋼結構廠房和重型鋼結構廠房[1]。

1.2 鋼結構廠房的優點

鋼結構廠房質量輕，強度高，屋頂跨度大，承重能力強，不容易坍塌。而且建筑周期短，耗費資源少，相應的建筑成本低。鋼結構的廢舊廠房容易拆卸，鋼材可以回收，不會造成浪費還污染等問題，節約了成本。

鋼結構廠房的抗震能力強，有很強的抗震和抵抗水平荷載能力，抗震能力能達8級以上。而且鋼結構廠房強度高，質量輕，變形能力強，所以抗風性很高。

2 桁架結構及其作用原理

2.1 桁架結構的概念

桁架結構是指格構化的一種梁式結構，它的核心就是二力桿件與節點的幾何體，大跨度，輕質量，便施工。可根據不同的特征分為不同的種類。

根據桁架結構的外形分：平行弦桁架、折弦桁架、三角形桁架。根據桁架的幾何組成方式分為：簡單桁架、聯合桁架、復合桁架。按照所受水平推力可分為：無推力的梁式桁架、有推力的梁式桁架。

2.2 桁架結構的設計和作用原理

在桁架結構中，各桿件的受力主要是單向的拉伸、壓縮為主，水平方向的拉、壓能使桁架結構實現其自身的平衡，這樣整個結構就不會對支座造成水平的推力。桁架結構的布局是非常靈活的，它的適用范圍非常廣泛。在抗彎方面，兩端來承受拉力和壓力，增加了內力臂，加大了抗彎強度；在抗剪方面，它能夠將剪力傳遞給支座，從而提高了抗剪能力。桁架結構在抗彎和抗剪方面都有了很大的提升，能夠充分發揮所使用材料的強度，從而適用于各種跨度的屋頂結構，特別是在鋼結構的建筑中，能發揮更大的作用。

3 桁架結構在鋼結構廠房中的應用

3.1 桁架結構的應用概況

桁架結構在現實中的應用非常廣泛，它可應用于大跨度的屋蓋結構，比如大型廠房，造船工業廠房的屋蓋；還可用于鋼結構的現代建筑，比如體育館；在抗震加固中頻繁應用，桁架結構由于其受力特點，所以具有很強的抗震能力。除此之外，在室內外活動的背景搭建、各種舞臺文藝演出的搭建，都會用到桁架結構。

3.2 桁架結構在鋼結構廠房中的穩定性分析

關于桁架結構的穩定性理論有兩種，一種是幾何非線性特征值穩定性理論，另一種是幾何非線性臨界點理論。

工程建設采用的桁架結構中，弦桿是作為一整根梁與柱交接形成的平面框架，在節點處，弦桿是連續的鋼接節點，這種設計可以傳遞彎矩，而且弦桿還能承受整體的彎矩，而不僅僅是桿件上因負載而產生的局部彎矩，在節點處與弦桿的連接則是以鉸接或剛接的方式。

節點鉸接的桁架結構在節點處，弦桿的彎矩會變成0，桿件本身只會產生因荷載而形成的局部彎矩，剛接的桁架結構則不同，它包括弦桿有梁的整體彎矩還有本身單元的局部彎矩。因為弦桿要直接承受混凝土的樓面的壓力，弦桿的尺寸要大于腹桿尺寸，而且弦桿的構成是一根工字型梁直接通過節點，彎矩的傳遞也非常直接，所以，采用桁架的模型計算非常符合鋼結構的實際情況。

3.3 桁架結構在鋼結構廠房中的效益分析

桁架結構是典型的框架結構，所占空間和用鋼量都非常少，在建設過程中桁架腹桿的用鋼量是隨著層高的增大，所用鋼量的比例也越來越大。而作為廠房建設，所建樓層不會太高，鋼材的消耗也會相應較少。在廠房的建設中要加強對桁架和柱子的用鋼量控制。合理的桁架腹桿截面對降低桁架結構自身的用鋼量有明顯的影響，而盡量減小桁架腹桿的長度能有效的降低桁架結構的用鋼量。

3.4 桁架結構的應用實例

在當今的建筑中，很多都使用了各種類型的桁架結構。香港中國銀行大廈，這是由貝律銘設計的，為巨型桁架體系，主體的結構為八榀巨型桁架，其中的四榀是沿正方形平面的周邊布置，另四榀是沿對角線方向布置。

4 桁架結構的優化和發展

桁架結構的優化，主要是桁架的形狀結構優化，是通過對桁架截面和節點位置的優化達到的。同時，優化結構的截面面積和節點位置，是結構在滿足應力、不穩定以及節點位移等多種約束條件下，重量最輕，桁架結構的最優形狀受到單元截面尺寸的影響。

隨著當今社會經濟的高速發展，建筑材料、施工水平、設計理論等的發展也日新月異，各種理論、優化方案、桁架結構模型不斷地提出，桁架結構在社會上的應用也會越來越廣泛，桁架結構也會一直不斷的創新。

5 結語

在競爭越來越激烈的今天，工廠、廠房的建設也更加注重安全和效益，桁架結構在鋼結構廠房的建設中發揮著越來越大的作用，我們在建設鋼結構廠房時，要不斷的加強對桁架結構的優化設計和創新工作，以期達到最大的安全經濟效益。

[1] 王秀麗.大跨度空間鋼結構分析與概念設計[M].北京：機械工業出版社，2008．

[2] 陳紹蕃.鋼結構穩定設計指南 [M].北京：中國建筑工業出版社，2004．

[3] 王勇.基于微粒群算法的桁架結構優化設計[D].上海：同濟大學土木工程學院，2008．

[4] 馬洪波.隨機結構可靠性分析和優化設計研究[D]．西安：西安電子科技大學機電工程學院，2004．

[5] 劉軍偉，姜節勝.桁架動力學形狀優化的統一設計變量方法[J].振動工程學報，2000，13(1)：84-88．