四、参考资料

桁架存在的条件——判断桁架的静定与非静定

本节主要是介绍简单桁架的内力计算及分析影响桁架稳定性和强度的因素，为了透彻理解桁架的组成原理和设计约束条件，教师还有必要了解桁架结构存在的几何条件，这样有利于在具体设计时保证桁架一定是有实用效果的。

1．桁架单元由桁架和节点组成

桁架——由若干杆件彼此在两端用适当方式连接而成、受力后几何形状不变的结构。

节点——组成桁架的杆件两端的连接处。

桁架的效能与选择的材料、连接方式、空间形式密切相关。

（1）材料：木桁架、钢筋混凝土桁架、钢桁架等。

（2）连接方式：榫接、刚接、铆接、焊接等。[通用技术网]

（3）空间形式：平面桁架、空间桁架。

2．工程上，桁架的计算根据下列假设

（1）桁架中的各杆件均看作是光滑铰链相连接的。

（2）组成桁架各杆件的轴线都是直线，并通过铰的中心。

（3）所有外力，包括荷载及支座反作用力都作用在节点上，对实际不作用在节点上的外力可按比例分配到杆件两端的节点上。

满足上述三条假设的桁架称为理想桁架（图1.3）。

图1.3　桁架模型

以一个铰链三角形桁架为基础，每增一个节点需增加两根杆件，如此构成的为无多余杆的平面桁架，其节点如图1.4所示。

图1.4　平面简单桁架节点

设总杆数为m，总节点数为n，可以得到m-3=2（n-3），即m=2 n-3表示直杆数和节点数的关系。如果m>2n-3，此时叫作平面超静定桁架，如果从桁架中抽去某根杆件，桁架仍不会活动变形；如果m=2n-3，则叫作平面静定桁架，如果从桁架中任意抽去一根杆件，则桁架就会活动变形（图1.5）。[通用技术网]

图1.5　静定、超静定桁架

如果m＜2 n-3，则可叫作非桁架结构或非静定结构，这时的结构是不能受力的（图1.6）。

图1.6非桁架结构（非静定结构）

组成理想桁架的各杆件均为二力杆，内力沿杆轴线作用，各截面内力均相等。因只承受轴向力，不承受剪力和弯矩，可以充分发挥材料承受的拉（压）力特性；同时有效地节约材料，

减轻结构的重量，增大结构跨度。力学计算简单，计算结果安全可靠，这就是桁架结构广泛应用的主要原因。同时应注意：实际桁架和理想桁架是有差别的，对重要的建筑物上采用的桁架结构，还需考虑节点刚性、非节点荷载和节点偏心等造成的影响。

3．结构的连接方式

实际工作中，无论大型或小型的建筑结构体都不可能仅用一块板、一根梁就能完成，机器设备也是由许多零件或构件组合起来的，所以结构的稳定性或强度问题还要考虑到结构的连接方式，工程上应用的结构连接方式很多，教材中概略地介绍了焊接、螺栓连接、铆接、胶接、榫接这五种方式。

（1）焊接。焊接是利用对材料局部加热或加热又加压的方法使两个零件在连接处熔融而构成的不可拆卸的连接。焊接的原理有很多种，其中用得最普遍的是焊条电弧焊，其原理是把被连接零件和焊接材料（就是焊条）分别接到直流电源的正极和负极，当零件和焊条接近到一定间隙时，电压会击穿空气产生电弧放电，电弧放电会在被连接零件的接缝处产生大量热量，使接缝处材料融化融合，冷却后结合成一体。显然，它是一种不可拆卸的结构连接方式。

（2）螺栓连接。螺栓连接是在被连接件上钻孔，穿入螺栓，拧紧螺母，实现可拆式连接的一种方式。通常用于钢结构的安装连接。[通用技术网]

（3）铆接。铆接需事先在构件上钻孔，在加热或常温下击打铆钉进行铆合。铆接的最大优点在于韧性和塑性好，传力可靠；缺点是费料费工。现在已很少采用大面积的平面铆接了，铆接属于可拆性连接。

（4）胶接（胶黏剂连接）。胶接是利用直接涂在被连接件表面上的胶黏剂凝固黏结形成的连接，工业上常用环氧树脂、聚酯、酚醛树脂等作为胶黏剂原料。胶接形式有对接、搭接和正交，使用胶接时要注意，应尽可能使黏结层结合面受剪切或受压，避免受拉。

（5）榫接。木材的榫接就是把需要连接的两个木质构件分别做成卯、榫接头，对接后形成一个整体结构，主要是家具或建筑构件中木材的连接方法，使用榫接可以有效地避免钢钉、螺钉连接所产生的应力集中，并相应减少结构的重量，提高结构的整体强度。本章第四节关于结构赏析实例——山西应县木塔，就是中国古代应用木材的榫接工艺的优秀设计典范，对当代结构设计与产品开发依然有重要的启发意义。

五、教学准备

（1）准备结构失效破坏的典型案例视频。课前收集准备一些结构失效破坏的反面案例视频，如重庆綦江彩虹桥整体垮塌事故、2008年南方百年一遇的雪灾导致许多地方的供电系统瘫痪、20世纪40年代美国华盛顿州当时世界第三大钢结构悬索桥——塔科马大桥风致振动垮塌等视频或图片，引起学生对结构安全性的重视。

（2）课堂演示试验可能要用到的塑料吸管、小木棒、纸板或纸牌、不倒翁玩具、各种不同截面形状的铝型材下脚料等。[通用技术网]

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