浅析桁架结构在钢结构厂房建设中的应用

任建科

（西安建工集团，陕西 西安 710065）

1 概述

在经济高速发展的今天，钢材的产量越来越大，越来越多的建筑采用钢结构来建造，钢结构建筑不仅坚固，而且消耗资源少，建造费用低，还可回收，具有美观实用等特点，受到众多建筑厂家的青睐。

1.1 钢结构厂房的概念

钢结构厂房是指主要用钢材作为主体承重构件的厂房，包括钢梁、钢柱子、钢屋顶、钢屋盖。而厂房屋顶的跨度比较大，基本上都是用钢结构的屋架。整个厂房的建造是用钢材完成，当然钢结构的墙也可以用砖墙。钢结构厂房也可分为轻型钢结构厂房和重型钢结构厂房[1]。

1.2 钢结构厂房的优点

钢结构厂房质量轻，强度高，屋顶跨度大，承重能力强，不容易坍塌。而且建筑周期短，耗费资源少，相应的建筑成本低。钢结构的废旧厂房容易拆卸，钢材可以回收，不会造成浪费还污染等问题，节约了成本。

钢结构厂房的抗震能力强，有很强的抗震和抵抗水平荷载能力，抗震能力能达8级以上。而且钢结构厂房强度高，质量轻，变形能力强，所以抗风性很高。

2 桁架结构及其作用原理

2.1 桁架结构的概念

桁架结构是指格构化的一种梁式结构，它的核心就是二力杆件与节点的几何体，大跨度，轻质量，便施工。可根据不同的特征分为不同的种类。

根据桁架结构的外形分：平行弦桁架、折弦桁架、三角形桁架。根据桁架的几何组成方式分为：简单桁架、联合桁架、复合桁架。按照所受水平推力可分为：无推力的梁式桁架、有推力的梁式桁架。

2.2 桁架结构的设计和作用原理

在桁架结构中，各杆件的受力主要是单向的拉伸、压缩为主，水平方向的拉、压能使桁架结构实现其自身的平衡，这样整个结构就不会对支座造成水平的推力。桁架结构的布局是非常灵活的，它的适用范围非常广泛。在抗弯方面，两端来承受拉力和压力，增加了内力臂，加大了抗弯强度；在抗剪方面，它能够将剪力传递给支座，从而提高了抗剪能力。桁架结构在抗弯和抗剪方面都有了很大的提升，能够充分发挥所使用材料的强度，从而适用于各种跨度的屋顶结构，特别是在钢结构的建筑中，能发挥更大的作用。

3 桁架结构在钢结构厂房中的应用

3.1 桁架结构的应用概况

桁架结构在现实中的应用非常广泛，它可应用于大跨度的屋盖结构，比如大型厂房，造船工业厂房的屋盖；还可用于钢结构的现代建筑，比如体育馆；在抗震加固中频繁应用，桁架结构由于其受力特点，所以具有很强的抗震能力。除此之外，在室内外活动的背景搭建、各种舞台文艺演出的搭建，都会用到桁架结构。

3.2 桁架结构在钢结构厂房中的稳定性分析

关于桁架结构的稳定性理论有两种，一种是几何非线性特征值稳定性理论，另一种是几何非线性临界点理论。

工程建设采用的桁架结构中，弦杆是作为一整根梁与柱交接形成的平面框架，在节点处，弦杆是连续的钢接节点，这种设计可以传递弯矩，而且弦杆还能承受整体的弯矩，而不仅仅是杆件上因负载而产生的局部弯矩，在节点处与弦杆的连接则是以铰接或刚接的方式。

节点铰接的桁架结构在节点处，弦杆的弯矩会变成0，杆件本身只会产生因荷载而形成的局部弯矩，刚接的桁架结构则不同，它包括弦杆有梁的整体弯矩还有本身单元的局部弯矩。因为弦杆要直接承受混凝土的楼面的压力，弦杆的尺寸要大于腹杆尺寸，而且弦杆的构成是一根工字型梁直接通过节点，弯矩的传递也非常直接，所以，采用桁架的模型计算非常符合钢结构的实际情况。

3.3 桁架结构在钢结构厂房中的效益分析

桁架结构是典型的框架结构，所占空间和用钢量都非常少，在建设过程中桁架腹杆的用钢量是随着层高的增大，所用钢量的比例也越来越大。而作为厂房建设，所建楼层不会太高，钢材的消耗也会相应较少。在厂房的建设中要加强对桁架和柱子的用钢量控制。合理的桁架腹杆截面对降低桁架结构自身的用钢量有明显的影响，而尽量减小桁架腹杆的长度能有效的降低桁架结构的用钢量。

3.4 桁架结构的应用实例

在当今的建筑中，很多都使用了各种类型的桁架结构。香港中国银行大厦，这是由贝律铭设计的，为巨型桁架体系，主体的结构为八榀巨型桁架，其中的四榀是沿正方形平面的周边布置，另四榀是沿对角线方向布置。

4 桁架结构的优化和发展

桁架结构的优化，主要是桁架的形状结构优化，是通过对桁架截面和节点位置的优化达到的。同时，优化结构的截面面积和节点位置，是结构在满足应力、不稳定以及节点位移等多种约束条件下，重量最轻，桁架结构的最优形状受到单元截面尺寸的影响。

随着当今社会经济的高速发展，建筑材料、施工水平、设计理论等的发展也日新月异，各种理论、优化方案、桁架结构模型不断地提出，桁架结构在社会上的应用也会越来越广泛，桁架结构也会一直不断的创新。

5 结语

在竞争越来越激烈的今天，工厂、厂房的建设也更加注重安全和效益，桁架结构在钢结构厂房的建设中发挥着越来越大的作用，我们在建设钢结构厂房时，要不断的加强对桁架结构的优化设计和创新工作，以期达到最大的安全经济效益。

[1] 王秀丽.大跨度空间钢结构分析与概念设计[M].北京：机械工业出版社，2008．

[2] 陈绍蕃.钢结构稳定设计指南 [M].北京：中国建筑工业出版社，2004．

[3] 王勇.基于微粒群算法的桁架结构优化设计[D].上海：同济大学土木工程学院，2008．

[4] 马洪波.随机结构可靠性分析和优化设计研究[D]．西安：西安电子科技大学机电工程学院，2004．

[5] 刘军伟，姜节胜.桁架动力学形状优化的统一设计变量方法[J].振动工程学报，2000，13(1)：84-88．