桁架 (工程)

臺北南門工場桁架]]
桁架(),為建築工程名詞,是指「只由二力元件組成,組裝後如同單一物體」的結構。二力元件(two-force member)是指只在二個端點上有受力的結構元件。在此嚴格的定義下允許用元件以穩定的組態組合出任意的形狀,不過桁架一般會包括由直杆元件組合而成的結構,其中有五個或更多三角形單位,各元件的末端以結構節點相連接,稱為頂點。

在此定義下,外力及因外力而產生的反作用力一般會視為只作用在端點上,而且只會讓元件產生張力及壓力,若都是直桿元件,不考慮各元件所受到的轉矩,因為桁架中所有元件的結構節點都是旋轉接點。一元件受到的轉矩無法傳遞到其他元件。

平面桁架是指所有的節點都位於同一個二維平面以下,而空間桁架有元件及節點延伸出二維平面以外。桁架最上方的杆一般稱為上弦杆(top chord),多半只承受壓迫力。最下方的杆一般稱為下弦杆(bottom chord),多半只承受張力。桁架中間的杆一般稱為梁腹(web),梁腹之間形成的空間稱為桁格(panel)。

詞源
桁架的英文源自約1200年時的古法文,意思是「許多連結在一起東西的集合」。truss一詞還常常用來描述由許多元件組合的物體,例如框架及屋頂的椽架,不過也常用來表達以下工程上的定義「桁架是由許多個別結構件組成的單一平面框架,結構件的末端互相連接,形成許多三角形,可以延伸很長的距離。」。

桁架的特點
桁架一般(但並非一定)會包括直桿結構件,彼此以接點相連,這些接點也稱為panel points。 桁架一般(但並非一定)會由三角形組成,因為三角形有其結構上的穩定性。三角形是最簡單只要各邊長度確定,其形狀就不會改變的幾何圖形。相較起來,四邊形的各邊及各角都要確定才會確定其形狀。

簡易桁架
的屋頂用桁架]]
三角形就是最簡單的桁架,這類的桁架常出現在屋頂,由二根斜向的及水平的組成一個單元,像在自行車及飛機上也可以看到類似的架構。這類的桁架有形狀的穩定性,且已有方法可以分析其各部份的受力,因此由三角形組成的桁架稱為簡易桁架。像傳統由二個相鄰三角形組成的鑽石型自行車車架,就是簡易桁架的例子。

平面桁架
平面桁架位在同一平面上。

立體桁架
空間桁架是三維的框架,各杆的末端以旋轉接點相接。四面體的外形是最簡單的桁架,由六根杆組成,有四個接點,他們是Caleb Pratt及他的兒子Thomas Willis Pratt。其設計用垂直杆件來承受壓縮力,水平垂直杆件來承受張力,現今這仍是常用的桁架型式,只是原有的木頭換成鐵,最後再換成鋼。普拉特桁架持續受歡迎的原因也許也因為較長的對角杆件只承受因為重力效應產生的張力,因為對角細長杆件若承受壓力下,比較容易會挫曲,這在設計上也不易控制。因為若針對固定深度的平面桁架,承受靜態、垂直的荷重,普拉特桁架也許是最有效的桁架。

亞利桑那州坦佩的南太平洋鐵路橋全長393公尺,是1912年興建的長桁架橋,由九段長度不同的普拉特桁架組成,此橋現今還在使用。

莱特飞行器的機翼結構也使用普拉特桁架,其受壓杆件的最小化可以降低風阻。

弓弦桁架
弓弦桁架(Bowstring truss)因其外型得名,最早用在有拱的桁架桥,常和混淆。弓弦桁架橋的桥拱和橋面是以杆件相連,而繫拱橋是用繩索或鋼索連接桥拱和橋面。

在二次大戰時時興建了上千座弓弦桁架,目的是為了飛機庫或是其他軍用建築的曲線。連結上弦杆和下弦杆之間的杆有許多不同的變化,從接近等腰三角形到類似普拉特桁架的變體。

單柱桁架
單柱桁架(king post truss)是桁架中最簡單的一種,有一個垂直的柱子支撐,兩側則有斜的杆件。

雙柱桁架(queen post truss)類似單柱桁架,但中間是二根垂直柱子,之間用梁連接,以提供其結構穩定性,這類桁架只適用在跨距較短的應用中。

透鏡桁架橋
透鏡桁架橋(Lenticular trusses)是由威廉·道格拉斯在1878年申請專利
,不過1823年的Gaunless橋是第一座透鏡桁架橋,其上弦板及下弦板都是拱形的,因此整體像透鏡一樣。。

格構桁架
美國建筑师 Ithiel Town設計了,取代用粗重木頭作的橋,他的設計在1820年及1835年申請專利,利用易於處理的木板,對角線的固定在上弦板及下弦板之間。

桁架的靜力學
若桁架是用杆件構成,杆件以間的末端以旋轉接點相連,而且只有二個支撐點,結構是鉸接或是滾筒,此桁架是靜定的。用牛頓運動定律可以應用在整個桁架上,也可以用在每一個接點或是組件。為了讓每一個接點在受外力下仍可以維持靜止,需滿足以下的條件:接點所有的合力(水平方向及垂直方向)以及所有的轉矩都要為零。利用每一個接點滿足上述條件,可以得到組件的壓迫力(或張力)的大小。

若桁架的支撐點不只二個,此桁架是靜不定,無法只用牛頓運動定律來判斷杆件的受力。

桁架若是由旋轉接點相連的組件構成,桁架本身不一定要全部由三角形組成
File:Truss Dachstuhl.jpg|法國克呂尼隱修院配樓的屋架
File:Queen-post-truss.png|木材屋架中的一部份
File:Woodlands mall3 texas.jpg|

相關條目

  • Andreini鑲嵌,只有28種三維桁架可以填滿三維空間,而且每一個結點都是相同的。
  • 網格穹頂,一種外形為球形的桁架
  • 结构力学
  • ,望遠鏡中使用的桁架
  • 應力:

** 壓應力
** 張應力

  • 钢结构
  • 结构钢
  • 张拉整体,受壓構件之間並不彼此接觸的桁架。
  • ,吉他的一部份。

註解
參考資料
外部連結

评论 (0)

  • 还没有评论,来抢沙发吧。