任建科

（西安建工集團(tuán)，陜西 西安 710065）

1 概述

在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，鋼材的產(chǎn)量越來越大，越來越多的建筑采用鋼結(jié)構(gòu)來建造，鋼結(jié)構(gòu)建筑不僅堅(jiān)固，而且消耗資源少，建造費(fèi)用低，還可回收，具有美觀實(shí)用等特點(diǎn)，受到眾多建筑廠家的青睞。

1.1 鋼結(jié)構(gòu)廠房的概念

鋼結(jié)構(gòu)廠房是指主要用鋼材作為主體承重構(gòu)件的廠房，包括鋼梁、鋼柱子、鋼屋頂、鋼屋蓋。而廠房屋頂?shù)目缍缺容^大，基本上都是用鋼結(jié)構(gòu)的屋架。整個(gè)廠房的建造是用鋼材完成，當(dāng)然鋼結(jié)構(gòu)的墻也可以用磚墻。鋼結(jié)構(gòu)廠房也可分為輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房和重型鋼結(jié)構(gòu)廠房[1]。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)廠房的優(yōu)點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)廠房質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，屋頂跨度大，承重能力強(qiáng)，不容易坍塌。而且建筑周期短，耗費(fèi)資源少，相應(yīng)的建筑成本低。鋼結(jié)構(gòu)的廢舊廠房容易拆卸，鋼材可以回收，不會(huì)造成浪費(fèi)還污染等問題，節(jié)約了成本。

鋼結(jié)構(gòu)廠房的抗震能力強(qiáng)，有很強(qiáng)的抗震和抵抗水平荷載能力，抗震能力能達(dá)8級(jí)以上。而且鋼結(jié)構(gòu)廠房強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，變形能力強(qiáng)，所以抗風(fēng)性很高。

2 桁架結(jié)構(gòu)及其作用原理

2.1 桁架結(jié)構(gòu)的概念

桁架結(jié)構(gòu)是指格構(gòu)化的一種梁式結(jié)構(gòu)，它的核心就是二力桿件與節(jié)點(diǎn)的幾何體，大跨度，輕質(zhì)量，便施工?？筛鶕?jù)不同的特征分為不同的種類。

根據(jù)桁架結(jié)構(gòu)的外形分：平行弦桁架、折弦桁架、三角形桁架。根據(jù)桁架的幾何組成方式分為：簡(jiǎn)單桁架、聯(lián)合桁架、復(fù)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和作用原理

在桁架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其自身的平衡，這樣整個(gè)結(jié)構(gòu)就不會(huì)對(duì)支座造成水平的推力。桁架結(jié)構(gòu)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(nèi)力臂，加大了抗彎強(qiáng)度；在抗剪方面，它能夠?qū)⒓袅鬟f給支座，從而提高了抗剪能力。桁架結(jié)構(gòu)在抗彎和抗剪方面都有了很大的提升，能夠充分發(fā)揮所使用材料的強(qiáng)度，從而適用于各種跨度的屋頂結(jié)構(gòu)，特別是在鋼結(jié)構(gòu)的建筑中，能發(fā)揮更大的作用。

3 桁架結(jié)構(gòu)在鋼結(jié)構(gòu)廠房中的應(yīng)用

3.1 桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用概況

桁架結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用非常廣泛，它可應(yīng)用于大跨度的屋蓋結(jié)構(gòu)，比如大型廠房，造船工業(yè)廠房的屋蓋；還可用于鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代建筑，比如體育館；在抗震加固中頻繁應(yīng)用，桁架結(jié)構(gòu)由于其受力特點(diǎn)，所以具有很強(qiáng)的抗震能力。除此之外，在室內(nèi)外活動(dòng)的背景搭建、各種舞臺(tái)文藝演出的搭建，都會(huì)用到桁架結(jié)構(gòu)。

3.2 桁架結(jié)構(gòu)在鋼結(jié)構(gòu)廠房中的穩(wěn)定性分析

關(guān)于桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性理論有兩種，一種是幾何非線性特征值穩(wěn)定性理論，另一種是幾何非線性臨界點(diǎn)理論。

工程建設(shè)采用的桁架結(jié)構(gòu)中，弦桿是作為一整根梁與柱交接形成的平面框架，在節(jié)點(diǎn)處，弦桿是連續(xù)的鋼接節(jié)點(diǎn)，這種設(shè)計(jì)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(fù)載而產(chǎn)生的局部彎矩，在節(jié)點(diǎn)處與弦桿的連接則是以鉸接或剛接的方式。

節(jié)點(diǎn)鉸接的桁架結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)處，弦桿的彎矩會(huì)變成0，桿件本身只會(huì)產(chǎn)生因荷載而形成的局部彎矩，剛接的桁架結(jié)構(gòu)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?yàn)橄覘U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(gòu)成是一根工字型梁直接通過節(jié)點(diǎn)，彎矩的傳遞也非常直接，所以，采用桁架的模型計(jì)算非常符合鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。

3.3 桁架結(jié)構(gòu)在鋼結(jié)構(gòu)廠房中的效益分析

桁架結(jié)構(gòu)是典型的框架結(jié)構(gòu)，所占空間和用鋼量都非常少，在建設(shè)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(shè)，所建樓層不會(huì)太高，鋼材的消耗也會(huì)相應(yīng)較少。在廠房的建設(shè)中要加強(qiáng)對(duì)桁架和柱子的用鋼量控制。合理的桁架腹桿截面對(duì)降低桁架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的用鋼量。

3.4 桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用實(shí)例

在當(dāng)今的建筑中，很多都使用了各種類型的桁架結(jié)構(gòu)。香港中國銀行大廈，這是由貝律銘設(shè)計(jì)的，為巨型桁架體系，主體的結(jié)構(gòu)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(duì)角線方向布置。

4 桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和發(fā)展

桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，主要是桁架的形狀結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是通過對(duì)桁架截面和節(jié)點(diǎn)位置的優(yōu)化達(dá)到的。同時(shí)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的截面面積和節(jié)點(diǎn)位置，是結(jié)構(gòu)在滿足應(yīng)力、不穩(wěn)定以及節(jié)點(diǎn)位移等多種約束條件下，重量最輕，桁架結(jié)構(gòu)的最優(yōu)形狀受到單元截面尺寸的影響。

隨著當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，建筑材料、施工水平、設(shè)計(jì)理論等的發(fā)展也日新月異，各種理論、優(yōu)化方案、桁架結(jié)構(gòu)模型不斷地提出，桁架結(jié)構(gòu)在社會(huì)上的應(yīng)用也會(huì)越來越廣泛，桁架結(jié)構(gòu)也會(huì)一直不斷的創(chuàng)新。

5 結(jié)語

在競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈的今天，工廠、廠房的建設(shè)也更加注重安全和效益，桁架結(jié)構(gòu)在鋼結(jié)構(gòu)廠房的建設(shè)中發(fā)揮著越來越大的作用，我們?cè)诮ㄔO(shè)鋼結(jié)構(gòu)廠房時(shí)，要不斷的加強(qiáng)對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新工作，以期達(dá)到最大的安全經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 王秀麗.大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)分析與概念設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

[2] 陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)指南 [M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004．

[3] 王勇.基于微粒群算法的桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].上海：同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，2008．

[4] 馬洪波.隨機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D]．西安：西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，2004．

[5] 劉軍偉，姜節(jié)勝.桁架動(dòng)力學(xué)形狀優(yōu)化的統(tǒng)一設(shè)計(jì)變量方法[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2000，13(1)：84-88．