桁架結構是一種由直桿組成的格構式結構，主要承受軸向拉力或壓力。它由上弦、腹桿和下弦組成，具有三角形單元的平面或空間結構。桁架受力合理，計算簡單，施工方便，適應性強，不會對支座產生橫向水平推力，因此廣泛應用于工程中。桁架的高度變化與外荷載產生的彎矩圖一致，使上、下弦桿各節間軸力也完全相等或者非常接近。桁架結構的發明克服了梁的受力缺陷，將截面不均勻受力變為均勻受力，復雜應力分步變為簡單應力分布，等高截面變為變高度截面。

桁架結構概念

定義及基本特性

桁架結構是一種由直桿組成的平面或空間結構，主要由三角形單元構成。這種結構形式能夠充分利用材料的強度，特別是在跨度較大的情況下，相比實腹梁可以節省材料，減輕自重并增大剛度。

主要用途

桁架結構常用于大跨度的廠房、展覽館、體育館和橋梁等公共建筑中。由于其獨特的結構特性，桁架不僅適用于建筑物的屋蓋結構，還可以作為橋梁的支撐結構。

結構特點

• 材料強度利用：各桿件受力主要以單向拉、壓為主，通過合理布置上下弦桿和腹桿，能夠適應結構內部的彎矩和剪力分布。
• 自平衡特性：水平方向的拉、壓內力實現了自身平衡，整個結構不對支座產生水平推力，這使得結構布置非常靈活。
• 抗彎與抗剪能力：與實腹梁相比，桁架結構在抗彎方面通過集中布置受拉與受壓的截面在上下兩端，增大了內力臂，從而提高抗彎強度。在抗剪方面，通過合理布置腹桿，能夠將剪力逐步傳遞給支座。

桁架結構的分類

按外形分類

• 三角形桁架：在沿跨度均勻分布的節點荷載下，上下弦桿的軸力在端點處最大，向跨中逐漸減少；腹桿的軸力則相反。
• 梯形桁架：相比三角形桁架，桿件受力情況有所改善，適用于屋架中可以更容易滿足某些工業廠房的工藝要求。
• 多邊形桁架：也稱折線形桁架，上弦節點位于二次拋物線上，如上弦呈拱形可減少節間荷載產生的彎矩。
• 空腹桁架：基本取用多邊形桁架的外形，無斜腹桿，僅以豎腹桿和上下弦相連接，施工制造方便。

按幾何組成方式分類

• 簡單桁架：基本的三角形單元結構。
• 復雜桁架：不同于簡單桁架的其他靜定桁架。

按所受水平推力分類

• 無推力的梁式桁架：結構內力只有軸力，而沒有彎矩和剪力，適用于跨度較大的結構。
• 有推力的梁式桁架：存在微小的彎矩和剪力，施工更加方便，且能夠有效節約鋼材料。

歷史背景與應用實例

桁架結構的歷史可以追溯到古羅馬時期，當時人們已經使用桁架修建橋梁。文藝復興時期，意大利建筑師開始采用木桁架建橋。到了近代，隨著冶金技術的發展，金屬桁架開始廣泛應用于各種大型建筑和橋梁中。例如，英國最早的金屬桁架建于1845年，隨后出現了多種改進的桁架形式，如三角形的華倫式桁架和平行弦桁架等。

結論

綜上所述，桁架結構以其獨特的結構和材料利用優勢，在現代建筑和大跨度結構中發揮著重要作用。通過合理的設計和應用，桁架結構不僅能提供強大的結構支撐，還能實現材料的優化配置和成本的節約。

桁架結構在現代建筑中的應用案例

桁架結構與實腹梁比較優勢

桁架結構設計的基本原則

桁架結構的歷史演變過程