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　　桁架作為一種材料消耗較少的結構件，在大跨度溫室中得到了廣泛的使用。本文結合溫室的實際設計過程，介紹桁架在設計計算過程中的相關注意事項，供相關專業設計人員參考。

　　一、桁架的種類及特性

　　桁架是由直桿通過焊接、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構。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度，在跨度較大時相較實腹梁能節省大量材料，減輕結構重量。

　　從外形上區分，常用桁架可分為三角桁架、梯形桁架、平行弦桁架等幾何類型。其中平行弦桁架因為組成零件規格較少，制造簡單，在溫室行業使用較為普遍。

　　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，各構件之間采用焊接相連。根據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）兩種類型，如下圖所示。

圖一 平行弦桁架的兩種類型

　　其中，人字式斜腹桿桁架所用腹桿數量、總長度較小，相應節點數量也少，可以減少制造成本及焊接工作量，但受拉、受壓斜腹桿長度相等，結構上不盡合理；同時，弦桿節間長度較大，當弦桿吊掛荷載較大（例如瓜果類種植）時，需要提高弦桿抗彎能力；與之相對應，單向斜桿式桁架桿件數量較多，材料用量、加工量較大，但受壓的直腹桿長度較小，弦桿結間距同樣較小，在較大吊掛荷載下材料性能能可得到更好的發揮。設計過程中應根據桁架荷載狀況綜合考慮，選擇最優結構方案。為簡便起見，以下僅就人字式腹桿平行弦桁架進行討論。

　　二、桁架設計注意事項

　　1.桁架的計算應該在與立柱組成的組合結構中進行

　　早期桁架計算多參考力學計算手冊、采用手工方式進行。為減少計算工作量，往往將桁架作為一個獨立部件進行計算，不考慮立柱對桁架的影響，最終通過提高結構安全系數來解決計算誤差問題。在目前的技術環境下，各種結構計算軟件的使用已經非常普遍，桁架的精確組合計算變得非常簡單。以下是特定規格的同一桁架的三種不同組合狀態，以及對應狀態下的桿件軸力圖、軸力匯總表（桁架荷載包括上弦均布垂直、上弦中點集中垂直荷載），荷載值采用有限元結構計算軟件進行計算。

圖二 獨立桁架受力圖

圖三 獨立桁架桿件軸力圖

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）

　　比較表一相關數據可以發現，在不同的組合狀態下，上、下弦桿不同位置點的軸力不僅大小變化顯著，甚至多個桿件所受力的性質（拉、壓）也發生了變化。這種變化除影響桿件截面的選擇外，對桁架與立柱的連接點的結構設計也會產生較大的影響。

　　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構需要重點設計以滿足強度要求，桁架端板的厚度也需保證端板局部的抗彎強度；桁架與立柱連接用螺栓可能需要采用高強度等級產品，否則可能因相鄰桁架之間拉力過大而導致連接件損壞。

　　2.桁架的使用對溫室立柱提出了更高的要求

　　桁架因為垂直承載面積較大，由桁架轉移到立柱上的垂直荷載也較大，對立柱材料截面積的調整不會成為問題。但是，因為溫室結構的特殊性，垂直荷載往往較小，對立柱的要求更多地受制于水平荷載，即風載的作用。桁架的使用會對立柱水平承載能力（抗彎能力）帶來更大的影響，而這個影響往往會被低估，造成立柱在極端荷載條件下強度超限。

　　圖八是特定規格的立柱在不使用桁架（立柱之間采用水平拉桿連接）時受風載作用的受力圖及彎矩圖；圖九是同規格立柱使用桁架連接時同樣風載作用下的受力圖，圖十是對應的組合結構彎矩圖。

　　比較兩種連接狀態下的立柱受力圖，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到等強度效果，后者單位長度重量約為前者的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度中點轉移到了桁架下弦與立柱的連接點。該點通常需開孔以用于立柱桁架的連接，且孔徑較大。開孔對該點結構強度造成較大的削弱。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的對穿孔，考慮應力集中效應時，開孔處應力為原值的2.3倍。

為降低開孔帶來的負面影響，可在開孔處追加補強鋼板，或變更連接形式。圖十一～圖十三是常用結點、補強結點和無立柱孔結點示意圖。

圖十 一

圖十二

圖十三

　　計算結果顯示采用，采用圖十二的方法（追加補強鋼板），開孔處應力僅上升10％左右；圖十三所示的變更形式因不需要在立柱上開孔，對立柱強度無影響。

　　3.其他

　　a、桁架結構因自身重量較大，且溫室建造地往往無法使用起重機械，需考慮人工起吊時的作業便捷性。如圖十四所示，在立柱上焊接桁架止動板，可在在桁架與立柱的空中組裝過程中承載桁架自重，減輕工人勞動強度，提高作業安全性。

圖十四 桁架止動板

圖十五 繞度補償

　　b、為便于制造，溫室用桁架多采用中間無起拱結構，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下沉現象，導致整列天溝產生中間高度低于山墻處高度的現象，形成天溝積水，加速天溝的腐蝕。為此，需對支立柱的高度進行加長以補償其下降量，如圖十五所示。補償量Δ以不小于桁架在固定荷載下的繞度為限。

　　c、無遮陽保溫裝置及生長架荷載的塑料薄膜溫室因自身結構重量較輕，在風荷載作用下，桁架在天溝結點所受垂直力極有可能是上拔力，且數值較大。因此，桁架結構需具有抵抗垂直雙向荷載能力。

　　d、桁架結構的使用使得溫室立柱數量減少，當桁架上出現向上的垂直荷載時，每一根立柱所受的上拔力較大，立柱基礎的抗拔出能力需重點校核。特別是安裝有柱間支撐結構的立柱，其基礎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、當桁架跨度較大時，為便于制造及運輸，可將桁架分段制造、現場拼接為整體。桁架的拼接結點設計需保證其可調節性，建議采用摩擦型高強度螺栓結點。因所有構件為鍍鋅結構，連接計算時摩擦面抗滑移系數可取0.17①。現場拼接應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：鍍鋅處理對高強度螺栓扭矩系數和抗滑移系數的影響，彭驛亮，鋼結構 2012年第8期 第27卷