桁架结构是一种由直杆组成的格构式结构，主要承受轴向拉力或压力。它由上弦、腹杆和下弦组成，具有三角形单元的平面或空间结构。桁架受力合理，计算简单，施工方便，适应性强，不会对支座产生横向水平推力，因此广泛应用于工程中。桁架的高度变化与外荷载产生的弯矩图一致，使上、下弦杆各节间轴力也完全相等或者非常接近。桁架结构的发明克服了梁的受力缺陷，将截面不均匀受力变为均匀受力，复杂应力分步变为简单应力分布，等高截面变为变高度截面。

桁架结构概念

定义及基本特性

桁架结构是一种由直杆组成的平面或空间结构，主要由三角形单元构成。这种结构形式能够充分利用材料的强度，特别是在跨度较大的情况下，相比实腹梁可以节省材料，减轻自重并增大刚度。

主要用途

桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中。由于其独特的结构特性，桁架不仅适用于建筑物的屋盖结构，还可以作为桥梁的支撑结构。

结构特点

• 材料强度利用：各杆件受力主要以单向拉、压为主，通过合理布置上下弦杆和腹杆，能够适应结构内部的弯矩和剪力分布。
• 自平衡特性：水平方向的拉、压内力实现了自身平衡，整个结构不对支座产生水平推力，这使得结构布置非常灵活。
• 抗弯与抗剪能力：与实腹梁相比，桁架结构在抗弯方面通过集中布置受拉与受压的截面在上下两端，增大了内力臂，从而提高抗弯强度。在抗剪方面，通过合理布置腹杆，能够将剪力逐步传递给支座。

桁架结构的分类

按外形分类

• 三角形桁架：在沿跨度均匀分布的节点荷载下，上下弦杆的轴力在端点处最大，向跨中逐渐减少；腹杆的轴力则相反。
• 梯形桁架：相比三角形桁架，杆件受力情况有所改善，适用于屋架中可以更容易满足某些工业厂房的工艺要求。
• 多边形桁架：也称折线形桁架，上弦节点位于二次抛物线上，如上弦呈拱形可减少节间荷载产生的弯矩。
• 空腹桁架：基本取用多边形桁架的外形，无斜腹杆，仅以竖腹杆和上下弦相连接，施工制造方便。

按几何组成方式分类

• 简单桁架：基本的三角形单元结构。
• 复杂桁架：不同于简单桁架的其他静定桁架。

按所受水平推力分类

• 无推力的梁式桁架：结构内力只有轴力，而没有弯矩和剪力，适用于跨度较大的结构。
• 有推力的梁式桁架：存在微小的弯矩和剪力，施工更加方便，且能够有效节约钢材料。

历史背景与应用实例

桁架结构的历史可以追溯到古罗马时期，当时人们已经使用桁架修建桥梁。文艺复兴时期，意大利建筑师开始采用木桁架建桥。到了近代，随着冶金技术的发展，金属桁架开始广泛应用于各种大型建筑和桥梁中。例如，英国最早的金属桁架建于1845年，随后出现了多种改进的桁架形式，如三角形的华伦式桁架和平行弦桁架等。

结论

综上所述，桁架结构以其独特的结构和材料利用优势，在现代建筑和大跨度结构中发挥着重要作用。通过合理的设计和应用，桁架结构不仅能提供强大的结构支撑，还能实现材料的优化配置和成本的节约。

桁架结构在现代建筑中的应用案例

桁架结构与实腹梁比较优势

桁架结构设计的基本原则

桁架结构的历史演变过程