[分享]万能桁架,无限变化,速速get!

发表于2018-10-11    640人浏览    2人跟帖    总热度:227  

本文转自iStructure, 作者:杨笑天
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。

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今天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。
 
 梁 桁 架

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。

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从”拱桥+增强刚架”到平行弦桁架的演化

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▲ 平行弦桁架钢桥, 下承式

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▲ 平行弦桁架桥,上承式

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▲ Bollman Truss Railroad Bridge
Wendel Bollman,1869年
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。

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外白渡桥,1908年
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。

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福斯湾铁路桥 Forth Bridge
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。

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 福斯湾铁路桥,JohnFowler,Benjamin Baker,1890
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。

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福斯湾铁路桥建造过程

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。 

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用来解释悬臂梁桥原理的模型

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。

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巴黎博览会机器展览馆, 1867年

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。

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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。

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蓬皮杜中心,,结构Arup彼得.赖斯,1971

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。

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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。

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金属质感分割线



 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。


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利用了空间桁架造型,兼做采光天窗。


桁架横断面呈三角形,桁架最大高度8.2米,宽10.7米,由直径305~508mm的钢管组成,杆件间采用相贯焊节点。鱼腹式空间桁架首尾铰接,两端的平衡悬臂桁架为平面结构。

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每榀连续桁架结构由4根柱支承,桁架外形与均布荷载作用下结构的弯矩图基本相似。跨中的倒三角形空间鱼腹式桁架的支点对应结构弯矩图的零点,其外形与弯矩图的外形吻合。

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旧金山国际机场,som设计,2000年

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支承柱与桁架的连接节点

关西机场候机楼

关西机场建筑设计概念上追求连续的空间感受。建筑建筑上呈现流动的形态。结构上采用了82.8米超大跨度的空间桁架。

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关西机场候机楼,1994

建筑设计:Renzo Piano,日建设计,巴黎空港协会
结构设计:结构Arup彼得.赖斯,日建设计

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分叉柱支撑曲线型桁架,节点造型及细部线条考究

桁架外露,结合空间桁架布置天窗

幕张会展中心 MakuhariMesse

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幕张会展中心MakuhariMesse,1997
建筑设计:槙综合规划事务所
结构设计:SDG结构设计集团

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凹形的分叉鱼腹式桁架

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桁架端部合并处理的细节

对于桁架的高度与跨度之比,通常空间桁架为1/12~1/16,立体拱架为1/20~1/30,张拉立体拱架为1/30~1/50。在选择桁架形式时应综合考虑桁架的用途、材料、支承方式和施工条件。

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创 新 桁 架


优化的桁架
SOM 和 UIUC 合作的论文中曾介绍了一种创新性的设计方法,根据图解法的优化分析,寻找桁架布置的最优解。
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在假定的荷载布置下,
方案 d 的应变能仅为常规方案 a 的66.9% 
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优化后的桁架形式
 
Michell-Truss
对承受集中力作用的悬臂梁进行应力迹线分析和拓扑优化,可得到结构效率更高的桁架形式,称为Machell truss。

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深圳中信金融中心/2019,SOM

Machell truss在超高层建筑已经有了相关应用案例。深圳中信金融中心的两栋塔楼结构方案,较高塔楼的支撑布置参考Machell truss;较低塔楼的支撑则根据拓扑优化得到的。

可展开桁架
将桁架与机械装置相结合,或者采用临时固定的特殊节点,设计出的可展开式桁架,让人耳目一新。

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Heater Wick 设计的可展开桁架人行桥
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Heater Wick 设计的可展开桁架人行桥

桁架的变化似乎充满无限的可能性。

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宇航员在太空为空间站组装桁架结构
参考文献: 建筑结构的奥秘,川口卫著,王小盾陈志华译

The End
本文转自iStructure, 作者:杨笑天。如有侵权,请联系我们。


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 发表于2018-10-11   |  只看该作者      

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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。

 发表于2018-10-13   |  只看该作者       筑龙币+10

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桁架结构几乎是万能的,应用于很多建筑。

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