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【钢结构·技术】充满无限可能的桁架

常规的桁架是由几何不变的三角形单元组成的刚性结构,杆件主要承受轴向拉压力,结构效率很高。对于空间结构的悬挑和跨越主题,桁架结构几乎是万能的。


今天就从桁架的历史发展说起,介绍三角桁架、梁桁架、空腹桁架、空间桁架等形式,以及相应的经典案例。

早在两千年前,人类的祖先就发现了三角形的稳定性原理,并发明了三角桁架,广泛应用在古代住房的木制屋盖中。三角桁架与梁、拱一样,是古代建筑实现跨越的最主要方法。 三角桁架形状与简支梁跨中受集中荷载的弯矩图一致,它比梁结构的效率更高,且不会像拱那样对支座产生推力。

早期的三角桁架只有2根斜置上弦杆和1根水平下弦杆。而后,人们根据经验,尝试在三角形内部对应弦杆中间点的位置,增加了3根腹杆,演化出单柱式屋架(KingPost Truss)和双柱式屋架(QueenPost Truss) 两种基本形式。

单柱式和双柱式屋架在相当漫长的历史中并没有太大变化。直到19世纪中叶,各种现代桁架形式相继出现,比如豪威桁架(Howe)、芬克桁架(Fink)、华伦桁架(Warren)、普拉特桁架(Pratt)等。桁架材料也不再局限于木材,越来越多的采用了铁或钢。

在大跨度结构中,现存记录最早的是1818年由贝塔克鲁设计建造的莫斯科马术体育馆。建筑物长宽为160x50m,大跨度木质三角桁架的跨度沿短边50米方向,间距5.8米布置。其跨度远远超过同时期的常规建筑,三角桁架内部嵌入了三层梯形桁架,以抵抗巨大且不均匀的雪荷载。

上弦杆呈现变截面,符合轴压力的变化趋势。超长的下弦杆承受了巨大的拉力,由2根木材分上下两层齿接叠合。各榀桁架之间也布置了许多联系构件,通过螺栓紧密连接形成一个稳定的整体。200年前的桁架设计,无处不体现出设计师的创造力。

梁桁架又称为平行弦桁架,是19世纪中叶突然出现的一种形式。当时正值美国西部大开发,对铁路桥梁的需求急速增加。木桥是当时桥梁的主流,多采用来源于欧洲的传统拱桥技术。

拱桥在均匀荷载下的承载力很大,但在火车的移动不均匀荷载下则产生很大变形。因此木桥普遍采用拱桥和增强刚架结合的形式。经过多次实践发现,只要把补强刚架做得足够坚固,甚至可以省去拱。于是各种新式的桁架纷纷出现,梁桁架的时代从此开始了。

随着力的平衡理论、解析方法和图解方法的研究,到19世纪80年代,工程师们已经掌握了简洁实用的桁架设计方法。同时,材料也在不断的进步,工程师将铸铁用于受压杆,锻铁用于受拉杆,而后又以性能更好的钢材替代。越来越多的大跨度桁架结构出现,尤其是在桥梁领域。

位于上海的外白渡桥是中国的第一座全钢结构铆接桥梁,于1908年1月20日落成通车。该桥为下承式简支钢桁架,两孔跨经组合各52.12米,桥面铺设电车轨道。

1890年建成的福斯湾铁路桥是那个时代的代表作,是世界上第二长的多跨悬臂桥。大桥建成已经有130年的历史,至今仍在通行客货火车,是桥梁设计和建筑史上的一个里程碑。

大桥主跨跨径520m,总长1620m,这在当时是前所未有的大跨度。因风力过大,桥梁桁架做成向内倾斜。

全桥共计3个桥塔,六个伸臂悬挑长206m,为静定悬臂桁架梁桥结构。在主跨的两个悬臂桁架之间,架设了一跨120长的简支桁架。

桥梁的主要材料是钢,长年经受海风和海水的侵蚀,防腐蚀问题很重要。以至于英国有句俗语“Paint the Forth Bridge”,形容一件永远都做不完的工作。

为了市民解释悬臂桁架桥梁的原理,工程师做了一个简易的示范试验,以手臂作桁架拉杆、钢棒作压杆,两人坐在椅子上很轻松地托起中间跨的重荷载(简支桁架段)。图中的三人分别是大桥的设计师JohnFowler、BenjaminBaker和工程指挥渡边嘉一。

一时间欧洲传统的拱结构也开始与桁架相结合,桁架体系迎来了迅速的发展。

巴黎世博会机械馆由工程师J·B.Krantz和埃菲尔Eifel设计,于1867年建成。它采用钢制三铰拱,拱截面为桁架格构形式。共有20榀这样的钢拱,形成宽115米、长420米,内部毫无阻挡的庞大室内空间。

钢制三铰拱最大截面高3.5米,宽0.75米,而这些庞然大物越接近地面越窄,在与地面相接处几乎缩小为一点,每点集中压力有120吨,是技术能力的展现。

关于钢桁架的连接,早期在美国按照设计理论采用铰接,在欧洲由于使用铆接而采用刚接。随着焊接技术的发展,越来越来多的桁架采用焊缝连接,从而使桁架节点更为简洁灵巧。


蓬皮杜中心 Centre Georges Pompidou

建筑师罗杰斯和皮亚诺与结构师彼得.赖斯设计蓬皮杜中心,大量地采用了平行弦桁架结构,赋予了桁架新的活力。

除了外围的28根柱子以外,整个建筑内部没有一根立柱,楼面完全以桁架和格尔悬臂梁承担。格尔悬臂梁,就像一个转轴在立柱上的跷跷板,短的一头支撑着主跨的桁架大梁,承担桁架传来的剪力;另一端由固定在建筑底部的拉杆紧紧拉住。

由于桁架梁端为铰接连接,柱截面得以减小,同时外层立柱被拉杆取代,视觉的干扰降至最小。除了结构形式的创新,蓬皮杜艺术中心最为人称道的就是它精妙的节点设计。

由比利时工程师ArthurVierendeel于19世纪末提出的空腹桁架,是将平行弦桁架去掉斜腹杆,由竖腹杆与弦杆构成的格子状结构。

空腹桁架的直腹杆承受较大的剪力和弯矩,桁架整体的效率不如普通桁架,但形状更加简洁明快,在建筑功能上独特的适用性。

耶鲁大学善本图书馆采用了多层空腹桁架。建筑上部五层整体构成空腹桁架由四角的柱墩支承,建筑首层全部架空。

建筑外表镶嵌了30mm的大理石板,可阻挡自然光中的紫外线,既为建筑内部提供柔和的光线,又不会损伤馆藏资料。

沃尔夫斯堡汽车城主题公园的看台挑棚,从外表看仿佛是一整块实体的悬挑,实际上它是空腹桁架结构,整体悬挑了25米。

可能是因为桁架高度小,用开洞的空腹形式更易于实施,建筑造型优美。表皮为不锈钢板,厚度10mm-30mm,屋面1400平米,425t不锈钢。

 空 间 桁 架

早期的桁架都是以平面形式出现,工程师一般通过布置水平支撑的方式,解决其平面外的稳定问题。而后出现的空间桁架,构件则在三个维方向布置,其横断面常为三角形或矩形等,大大提高了桁架的整体稳定性,适用于现代大跨度空间结构。


旧金山国际机场航站楼

旧金山国际机场作为建筑与结构完美结合的典范,备受好评。主屋面由5榀三跨连续的鱼腹空间桁架构成。连续桁架中间部分的跨度为116米,两端悬挑49米,总长262米。

郑州钢结构,河南钢结构工程


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