作为工程师，你不得不要了解的一些桁架知识与经典案例 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。 今天小编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。
三 角 桁 架
早在两千年前，人类的祖先就发现了三角形的稳定性原理，并发明了三角桁架，广泛应用在古代住房的木制屋盖中。三角桁架与梁、拱一样，是古代建筑实现跨越的最主要方法。 三角桁架的基本原理
华南热带作物学院三角桁架形状与简支梁跨中受集中荷载的弯矩图一致，它比梁结构的效率更高，且不会像拱那样对支座产生推力。
早期的三角桁架只有2根斜置上弦杆和1根水平下弦杆。而后，人们根据经验，尝试在三角形
下地岛内部对应弦杆中间点的位置，增加了3根腹杆，演化出单柱式屋架(KingPost Truss)和双柱式屋架(QueenPost Truss) 两种基本形式。
最早采用King PostTruss建造的铸铁桥，1793年
单柱式和双柱式屋架在相当漫长的历史中并没有太大变化。直到19世纪中叶，各种现代桁架形式相继出现，比如豪威桁架(Howe)、芬克桁架(Fink)、华伦桁架(Warren)、普拉特桁架(Pratt)等。桁架材料也不再局限于木材，越来越多的采用了铁或钢。
三角桁架的基本形式和演化
在大跨度结构中，现存记录最早的是1818年由贝塔克鲁设计建造的莫斯科马术体育馆。建筑物长宽为160x50m，大跨度木质三角桁架的跨度沿短边50米方向，间距5.8米布置。其跨度远远超过同时期的常规建筑，三角桁架内部嵌入了三层梯形桁架，以抵抗巨大且不均匀的雪荷载。
莫斯科马术体育馆，贝塔克鲁，1818年
上弦杆呈现变截面，符合轴压力的变化趋势。超长的下弦杆承受了巨大的拉力，由2根木材分上下两层齿接叠合。各榀桁架之间也布置了许多联系构件，通过螺栓紧密连接形成一个稳定的整体。200年前的桁架设计，无处不体现出设计师的创造力。
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。
从”拱桥 增强刚架”到平行弦桁架的演化
▲ 平行弦桁架钢桥, 下承式
▲ 平行弦桁架钢桥，上承式
▲ Bollman Truss Railroad Bridge安云霁
Wendel Bollman，1869年
浙江大学校医院陈文备随着力的平衡理论、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。
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。
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。
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。
福斯湾铁路桥建造过程
中国电镀信息网
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。
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。
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。
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。
甘氨酸乙酯
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。
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。
空 腹 桁 架
由比利时工程师ArthurVierendeel于19世纪末提出的空腹桁架，是将平行弦桁架去掉斜腹杆，由竖腹杆与弦杆构成的格子状结构。
空腹桁架的直腹杆承受较大的剪力和弯矩，桁架整体的效率不如普通桁架，但形状更加简洁明快，在建筑功能上独特的适用性。
耶鲁大学善本图书馆，1963年
耶鲁大学善本图书馆采用了多层空腹桁架。建筑上部五层整体构成空腹桁架由四角的柱墩支承，建筑首层全部架空。
建筑外表镶嵌了30mm的大理石板，可阻挡自然光中的紫外线，既为建筑内部提供柔和的光线，又不会损伤馆藏资料。
沃尔夫斯堡汽车城，结构设计SBP，2000
沃尔夫斯堡汽车城主题公园的看台挑棚，从外表看仿佛是一整块实体的悬挑，实际上它是空腹桁架结构，整体悬挑了25米。
可能是因为桁架高度小，用开洞的空腹形式更易于实施，建筑造型优美。表皮为不锈钢板，厚度10mm-30mm，屋面1400平米，425t不锈钢。
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。
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。
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。
旧金山国际机场，som设计，2000年
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。
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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