杆件最少数量为5根。杆件数量多于不变体系要求的最少杆件数的结构称为赘余体系。赘余体系是不变体系中的一个类别。在赘余体系中,个别杆件的破坏并不意味整个结构体系就破坏。只要体系是不变的,就仍能承受一定的外荷载。网架结构是一种典型的赘余体系,其杆件数量比维持结构为不变体系的最少杆件数量要多得多。但这并不是说赘余体系的杆件可以任意破坏。一根杆件破坏了,不再承担外力,原来由其承担的力要由其它杆件分担。这就在结构中产生了力的重新分配。有些杆件受的力会增加。如果受力增加的杆件不破坏,则结构仍是安全的。但如果有的杆件由于受的力增加而出现了新的破坏,就可能会发生杆件破坏的连锁反映,导致结构最终破坏。因此,即使是赘余体系也应认真设计。
2. 只受拉杆件
还有一个概念问题需要说明:前面提到的杆件都是即可受拉又可受压,但在实际工程中,常用到一种只能受拉不能受压的杆件。例如悬索、钢绞线、钢链和长而细的圆钢(常用直径范围为12~30mm)。此时,结构稳定对杆件数量的要求会与荷载方向有关。仍以四杆铰节的结构为例,布置在周边的四杆均为普通杆,即可承拉又可受压。在结构的对角线上布置拉杆(只能受拉)。
外力与拉杆方向一致,结构是稳定的。在图1-10B中,外力与拉杆不在同一对角,导致拉杆受压,由于拉杆不能承压,发生屈曲,结构形状发生改变,成为可变体系。在图1-10C中两对角处均设置拉杆,不论外力作用在哪个方向,结构都是稳定的。但此时与前述相比,维持结构为不变体系的杆件最少数量不再是5根而是6根。
杆件的连接形式。
确定结构是否为不变体系的因素不仅仅是杆件的数量,与杆件之间的连接形式也有关系。如果在上述四杆可变体系中将任意两杆相连的节点由铰节改为刚节点,则结构成为了不变体系。若有两个节点改为刚节点,则结构为一次赘余体系。
铰节点:杆件可绕节点转动,即各杆的相对角度可任意改变而又不引起杆件受力。
刚节点:杆件不可绕节点转动。杆件之间的相对角度不发生变化。
两种节点相比较,不论是从工程费用上还是从施工的难易程度上,铰节点要比刚节点经济和容易做得多。在施工中,对铰节点的质量控制要比控制刚节点的质量来得容易,因此在工程设计中,如果不是由于稳定或刚度的要求,节点多被做成铰接形式。