浅谈工业建筑中桁架结构的优化设计
发表时间：2019-02-28T15:08:35.403Z 来源：《基层建设》2018年第36期作者：张明[导读] 摘要：随着我国工业化的进一步发展，桁架结构在工业建筑中的应用越来越广泛。

河钢股份有限公司唐山分公司发展规划部河北省唐山市 063000
摘要：随着我国工业化的进一步发展，桁架结构在工业建筑中的应用越来越广泛。

除厂房屋盖结构外，桁架结构还应用于带式输送机的栈桥、通道、塔架等。

它具有重量轻、跨度大、材料消耗经济、标准化程度高等优点，各种形状以满足不同用途。

本文主要探讨在带式输送机栈桥的桁架中如何布置构件，使桁架结构受力更合理，使用更经济的材料。

通过比较分析桁架在不同构件布置方案下的受力性能，达到优化桁架结构设计的目的。

关键词：平面桁架结构；杆件布置；优化设计
1 桁架基本情况
1.1 桁架的特点与组成
桁架结构是在简支梁基础上发展而来的，简支梁在均布荷载作用下，沿梁轴线弯曲，剪力的分布及截面正应力的分布在中和轴处为零，截面上下边缘处的正应力最大，随着跨度的增大，梁高增加根据正应力的分布特点，在先形成工字型梁后，继续挖空成空腹形式，中间剩下几根截面很小的连杆时，就发展成为“桁架”。

由此可见，桁架是从梁式结构发展产生出来的。

桁架的实质是利用梁的截面几何特征的几何因素—构件截面的惯性矩Ⅰ增大的同时，截面面积反而可以减小，从而减轻结构自重，达到节省材料的目的。

桁架结构是由直杆在杆端相互连接而组成的以抗弯为主的格构式体系，一般由上弦、下弦、腹杆组成，多应用于受弯构件。

简支桁架在外荷载的作用下整体所产生的弯矩图和剪力图都与简支梁的情况相似，但桁架构件的受力性能与梁完全不同。

桁架的上弦杆受压、下弦杆受拉，由此形成力偶来平衡外荷载所产生的弯矩，由斜腹杆轴力中的竖向分量来平衡外荷载所产生的剪力。

1.2 桁架结构计算的基本假定条件
（1）杆件与杆件之间相连接的节点均为绝对光滑无摩擦的铰结点。

（2）所有杆件的轴线均是直线且在同一平面内，并通过铰的中心。

（3）荷载和支座反力均作用在节点上，并位于桁架的平面内。

通过分析可以看出:从整体来看，整个桁架相当于一个受弯杆件，而从局部看，桁架的每个杆件只承受轴力、拉力或压力，没有弯矩和剪力。

2 桁架在实际工程中的应用分析
这里以位于甘肃平凉某骨料生产线项目为例，分析桁架结构杆件布置。

此桁架为皮带机运输栈桥桁架，跨度 18 m，宽度 3.2 m，高度2.7 m，全封闭结构，角度0°。

2.1 桁架结构建模
采用 PKPM 软件进行建模分析,取单榀桁架，高度 2.7 m，立杆间距取 3 m，荷载取宽度的一半，所有杆件按柱布置，所有节点设为较结点，荷载直接输在节点上。

经计算上弦单个节点恒载 0.5 kN、活载7.5 kN，下弦单个节点恒载 3.5 kN、活载 24 kN，通过设置不同的杆件连接形式进行结果分析，桁架均对称布置。

2.2 桁架结构的对比分析
文章共进行四种连接形式的计算，在杆件和荷载均相同的情况下进行结果分析。

（1）由于桁架各杆件只有轴力，我们先将四种桁架结构的轴力图进行对比，如图 1 所示。

从图中对比可以看出，桁架采取不同的杆件布置，桁架杆件的内力是不均匀的，整体近似梁内力分布，上下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的。

但是明显3、4 形式下桁架的支座处节点荷载远远大于 1、2 形式，由此可见桁架结构边跨处腹杆直接与支座连接时，桁架整体受力更加合理，图中的 1、2 形式连接相对于 3、4 连接更加合理。

图1 恒载轴力
（2）将 1、2 两种桁架结构的应力图进行对比，如图 2 所示。

从图中对比可以看出桁架杆件在 1、2 形式布置下虽然整体轴力分布都比较均匀，但是应力计算结果显示不同的布置下杆件所受内力不同，在相同的条件下 2 形式中间的杆件长细比（187>150）已经超限，1 形式杆件全部满足。

由此可见桁架四种形式下最终比较结果 1 形式结构受力更合理。