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　　桁架作為一種材料消耗較少的結(jié)構(gòu)件，在大跨度溫室中得到了廣泛的使用。本文結(jié)合溫室的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程，介紹桁架在設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中的相關(guān)注意事項(xiàng)，供相關(guān)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員參考。

　　一、桁架的種類(lèi)及特性

　　桁架是由直桿通過(guò)焊接、鉚接或螺栓連接而成的、具有相鄰三角形單元的平面或空間結(jié)構(gòu)。由于直桿僅承受軸向拉力或壓力，從而能充分利用材料的強(qiáng)度，在跨度較大時(shí)相較實(shí)腹梁能節(jié)省大量材料，減輕結(jié)構(gòu)重量。

　　從外形上區(qū)分，常用桁架可分為三角桁架、梯形桁架、平行弦桁架等幾何類(lèi)型。其中平行弦桁架因?yàn)榻M成零件規(guī)格較少，制造簡(jiǎn)單，在溫室行業(yè)使用較為普遍。

　　溫室用平行弦桁架通常由上下弦桿、直腹桿、斜腹桿、端板組成，各構(gòu)件之間采用焊接相連。根據(jù)斜腹桿的布置方式不同，平行弦桁架又可以分為人字式、單向斜桿式（豪式）兩種類(lèi)型，如下圖所示。

圖一 平行弦桁架的兩種類(lèi)型

　　其中，人字式斜腹桿桁架所用腹桿數(shù)量、總長(zhǎng)度較小，相應(yīng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量也少，可以減少制造成本及焊接工作量，但受拉、受壓斜腹桿長(zhǎng)度相等，結(jié)構(gòu)上不盡合理；同時(shí)，弦桿節(jié)間長(zhǎng)度較大，當(dāng)弦桿吊掛荷載較大（例如瓜果類(lèi)種植）時(shí)，需要提高弦桿抗彎能力；與之相對(duì)應(yīng)，單向斜桿式桁架桿件數(shù)量較多，材料用量、加工量較大，但受壓的直腹桿長(zhǎng)度較小，弦桿結(jié)間距同樣較小，在較大吊掛荷載下材料性能能可得到更好的發(fā)揮。設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)桁架荷載狀況綜合考慮，選擇最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，以下僅就人字式腹桿平行弦桁架進(jìn)行討論。

　　二、桁架設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　　1.桁架的計(jì)算應(yīng)該在與立柱組成的組合結(jié)構(gòu)中進(jìn)行

　　早期桁架計(jì)算多參考力學(xué)計(jì)算手冊(cè)、采用手工方式進(jìn)行。為減少計(jì)算工作量，往往將桁架作為一個(gè)獨(dú)立部件進(jìn)行計(jì)算，不考慮立柱對(duì)桁架的影響，最終通過(guò)提高結(jié)構(gòu)安全系數(shù)來(lái)解決計(jì)算誤差問(wèn)題。在目前的技術(shù)環(huán)境下，各種結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的使用已經(jīng)非常普遍，桁架的精確組合計(jì)算變得非常簡(jiǎn)單。以下是特定規(guī)格的同一桁架的三種不同組合狀態(tài)，以及對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的桿件軸力圖、軸力匯總表（桁架荷載包括上弦均布垂直、上弦中點(diǎn)集中垂直荷載），荷載值采用有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算。

圖二 獨(dú)立桁架受力圖

圖三 獨(dú)立桁架桿件軸力圖

圖四 單跨桁架-立柱組件受力圖

圖五 單跨桁架-立柱組件桿件內(nèi)力圖

圖六 雙跨桁架-立柱組件受力圖

圖七 雙跨桁架-立柱組件桿件內(nèi)力圖

表一 垂直荷載作用下桁架桿件軸力（單位：kN）

　　比較表一相關(guān)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在不同的組合狀態(tài)下，上、下弦桿不同位置點(diǎn)的軸力不僅大小變化顯著，甚至多個(gè)桿件所受力的性質(zhì)（拉、壓）也發(fā)生了變化。這種變化除影響桿件截面的選擇外，對(duì)桁架與立柱的連接點(diǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

　　例如，多跨桁架上、下弦桿*軸力段位于桁架兩端，弦桿與桁架端板的焊接結(jié)構(gòu)需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)以滿足強(qiáng)度要求，桁架端板的厚度也需保證端板局部的抗彎強(qiáng)度；桁架與立柱連接用螺栓可能需要采用高強(qiáng)度等級(jí)產(chǎn)品，否則可能因相鄰桁架之間拉力過(guò)大而導(dǎo)致連接件損壞。

　　2.桁架的使用對(duì)溫室立柱提出了更高的要求

　　桁架因?yàn)榇怪背休d面積較大，由桁架轉(zhuǎn)移到立柱上的垂直荷載也較大，對(duì)立柱材料截面積的調(diào)整不會(huì)成為問(wèn)題。但是，因?yàn)闇厥医Y(jié)構(gòu)的特殊性，垂直荷載往往較小，對(duì)立柱的要求更多地受制于水平荷載，即風(fēng)載的作用。桁架的使用會(huì)對(duì)立柱水平承載能力（抗彎能力）帶來(lái)更大的影響，而這個(gè)影響往往會(huì)被低估，造成立柱在極端荷載條件下強(qiáng)度超限。

　　圖八是特定規(guī)格的立柱在不使用桁架（立柱之間采用水平拉桿連接）時(shí)受風(fēng)載作用的受力圖及彎矩圖；圖九是同規(guī)格立柱使用桁架連接時(shí)同樣風(fēng)載作用下的受力圖，圖十是對(duì)應(yīng)的組合結(jié)構(gòu)彎矩圖。

　　比較兩種連接狀態(tài)下的立柱受力圖，立柱*彎矩由圖八的4.16kN.m上升到圖十的13.55，后者是前者的3.26倍；如果立柱采用同等壁厚的圓管，為保證特定荷載條件下達(dá)到等強(qiáng)度效果，后者單位長(zhǎng)度重量約為前者的1.8倍，這將使得立柱用料大幅度增加。

圖八 獨(dú)立立柱受力圖

圖九 立柱桁架組件受力圖

圖十 立柱桁架組件彎矩圖

此外，立柱*彎矩的作用位置由立柱的長(zhǎng)度中點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了桁架下弦與立柱的連接點(diǎn)。該點(diǎn)通常需開(kāi)孔以用于立柱桁架的連接，且孔徑較大。開(kāi)孔對(duì)該點(diǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成較大的削弱。以常用立柱材料矩形管100*50*2.5為例，同樣彎矩作用條件下，在50寬度表面上加工直徑18的對(duì)穿孔，考慮應(yīng)力集中效應(yīng)時(shí)，開(kāi)孔處應(yīng)力為原值的2.3倍。

為降低開(kāi)孔帶來(lái)的負(fù)面影響，可在開(kāi)孔處追加補(bǔ)強(qiáng)鋼板，或變更連接形式。圖十一～圖十三是常用結(jié)點(diǎn)、補(bǔ)強(qiáng)結(jié)點(diǎn)和無(wú)立柱孔結(jié)點(diǎn)示意圖。

圖十 一

圖十二

圖十三

　　計(jì)算結(jié)果顯示采用，采用圖十二的方法（追加補(bǔ)強(qiáng)鋼板），開(kāi)孔處應(yīng)力僅上升10％左右；圖十三所示的變更形式因不需要在立柱上開(kāi)孔，對(duì)立柱強(qiáng)度無(wú)影響。

　　3.其他

　　a、桁架結(jié)構(gòu)因自身重量較大，且溫室建造地往往無(wú)法使用起重機(jī)械，需考慮人工起吊時(shí)的作業(yè)便捷性。如圖十四所示，在立柱上焊接桁架止動(dòng)板，可在在桁架與立柱的空中組裝過(guò)程中承載桁架自重，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)安全性。

圖十四 桁架止動(dòng)板

圖十五 繞度補(bǔ)償

　　b、為便于制造，溫室用桁架多采用中間無(wú)起拱結(jié)構(gòu)，安裝于大跨度桁架上的支立柱因桁架在固定荷載作用下的繞度而出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，導(dǎo)致整列天溝產(chǎn)生中間高度低于山墻處高度的現(xiàn)象，形成天溝積水，加速天溝的腐蝕。為此，需對(duì)支立柱的高度進(jìn)行加長(zhǎng)以補(bǔ)償其下降量，如圖十五所示。補(bǔ)償量Δ以不小于桁架在固定荷載下的繞度為限。

　　c、無(wú)遮陽(yáng)保溫裝置及生長(zhǎng)架荷載的塑料薄膜溫室因自身結(jié)構(gòu)重量較輕，在風(fēng)荷載作用下，桁架在天溝結(jié)點(diǎn)所受垂直力極有可能是上拔力，且數(shù)值較大。因此，桁架結(jié)構(gòu)需具有抵抗垂直雙向荷載能力。

　　d、桁架結(jié)構(gòu)的使用使得溫室立柱數(shù)量減少，當(dāng)桁架上出現(xiàn)向上的垂直荷載時(shí)，每一根立柱所受的上拔力較大，立柱基礎(chǔ)的抗拔出能力需重點(diǎn)校核。特別是安裝有柱間支撐結(jié)構(gòu)的立柱，其基礎(chǔ)抗拔能力還需要抵抗斜拉筋張力的垂直分量，更需要慎重。

　　e、當(dāng)桁架跨度較大時(shí)，為便于制造及運(yùn)輸，可將桁架分段制造、現(xiàn)場(chǎng)拼接為整體。桁架的拼接結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需保證其可調(diào)節(jié)性，建議采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓結(jié)點(diǎn)。因所有構(gòu)件為鍍鋅結(jié)構(gòu)，連接計(jì)算時(shí)摩擦面抗滑移系數(shù)可取0.17①?，F(xiàn)場(chǎng)拼接應(yīng)特別注意清除摩擦面雜物（鋅瘤、油污、泥沙等），并保證螺栓擰緊扭矩值。

　　注1：鍍鋅處理對(duì)高強(qiáng)度螺栓扭矩系數(shù)和抗滑移系數(shù)的影響，彭驛亮，鋼結(jié)構(gòu) 2012年第8期 第27卷