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桁架是用来干什么的 桁架是什么

生活经验知识分享


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 。
今天从历史发展说起 ， 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
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
Wendel Bollman ， 1869年
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
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 。
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 。
【桁架是用来干什么的 桁架是什么】 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

分叉柱支撑曲线型桁架 ， 节点造型及细部线条考究
桁架外露 ， 结合空间桁架布置天窗
幕张会展中心 MakuhariMesse
幕张会展中心MakuhariMesse ， 1997
建筑设计：槙综合规划事务所
结构设计：SDG结构设计集团
凹形的分叉鱼腹式桁架
桁架端部合并处理的细节
对于桁架的高度与跨度之比 ， 通常空间桁架为1/12~1/16 ， 立体拱架为1/20~1/30 ， 张拉立体拱架为1/30~1/50 。在选择桁架形式时应综合考虑桁架的用途、材料、支承方式和施工条件 。
创 新 桁 架
优化的桁架
SOM 和 UIUC 合作的论文中曾介绍了一种创新性的设计方法 ， 根据图解法的优化分析 ， 寻找桁架布置的最优解 。
在假定的荷载布置下 ， 
方案 d 的应变能仅为常规方案 a 的66.9%
优化后的桁架形式
Michell-Truss
对承受集中力作用的悬臂梁进行应力迹线分析和拓扑优化 ， 可得到结构效率更高的桁架形式 ， 称为Machell truss 。

深圳中信金融中心/2019 ， SOM
Machell truss在超高层建筑已经有了相关应用案例 。深圳中信金融中心的两栋塔楼结构方案 ， 较高塔楼的支撑布置参考Machell truss；较低塔楼的支撑则根据拓扑优化得到的 。
可展开桁架
将桁架与机械装置相结合 ， 或者采用临时固定的特殊节点 ， 设计出的可展开式桁架 ， 让人耳目一新 。
Heater Wick 设计的可展开桁架人行桥

Heater Wick 设计的可展开桁架人行桥
桁架的变化似乎充满无限的可能性 。
宇航员在太空为空间站组装桁架结构
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