什么是桁架?

[拼音]：hengjia

[外文]：truss

由若干直杆组成的一般具有三角形区格的平面或空间承重构件。在荷载作用下，桁架杆件主要承受轴向压力或拉力，从而能充分利用材料的强度，在跨度较大时可比实腹梁节省材料，减轻自重和增大刚度，故适用于较大跨度的承重结构（如屋架，支撑桁架，楼盖桁架梁、桥梁、吊车桥架）及高耸结构（如输电线路塔、无线电塔、卫星发射塔）。其他如水工闸门，起重机架也可采用桁架。缺点是制造时耗费劳动量和结构本身占用建筑空间较大。

桁架按力学性能分为静定桁架和超静定桁架，在房屋建筑中一般用静定桁架。按受力特征分为平面桁架和空间桁架，前者为杆件和荷载处于同一平面内，后者可以不在同一平面内。按所用材料分为钢桁架、钢筋混凝土桁架、预应力混凝土桁架、木桁架以及钢与木组合桁架和钢与混凝土组合桁架。按桁架外形分为三角形桁架、梯形桁架、平行弦桁架、多边形桁架。按所采用的腹杆形式分为斜腹杆桁架和无斜腹杆桁架即空腹桁架。

三角形桁架（图a）。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。三角形桁架由于弦杆内力差别较大，材料消耗不够合理，多用于瓦屋面的屋架中。

梯形桁架（图b）和三角形桁架相比，杆件受力情况有所改善，而且用于屋架中可以更容易满足某些工业厂房的工艺要求。如果梯形桁架的上、下弦平行就是平行弦桁架（图d），杆件受力情况较梯形略差，但腹杆类型大为减少，多用于桥梁和栈桥中。

多边形桁架也称折线形桁架 (图c)。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，但制造较为复杂。在均布荷载作用下，桁架外形和简支梁的弯矩图形相似，因而上下弦轴力分布均匀，腹杆轴力较小，用料最省，是工程中常用的一种桁架形式。

空腹桁架（图e）。基本取用多边形桁架的外形，上弦节点之间为直线，无斜腹杆，仅以竖腹杆和上下弦相连接。杆件的轴力分布和多边形桁架相似，但在不对称荷载作用下杆端弯矩值变化较大。优点是在节点相交会的杆件较少，施工制造方便。

从力学方面分析，桁架外形与简支梁的弯矩图相似时，上下弦杆的轴力分布均匀，腹杆轴力小，用料最省；从材料与制造方面分析，木桁架做成三角形，钢桁架采用梯形或平行弦形，钢筋混凝土与预应力混凝土桁架为多边形或梯形为宜。桁架的高度与跨度之比，通常采用1/6～1/12，在设计手册和规范中均有具体规定。桁架的使用范围很广，在选择桁架形式时应综合考虑桁架的用途、材料和支承方式、施工条件，其最佳形式的选择原则是在满足使用要求前提下，力求制造和安装所用的材料和劳动量为最小。

房屋建筑用的桁架，一般仅进行静力计算；对于风力、地震力、运行的车辆和运转的机械等动荷载，则化为乘以动力系数的等效静荷载进行计算；特殊重大的承受动荷载的桁架，如大跨度桥梁和飞机机翼等，则需按动荷载进行动力分析（见荷载）。

平面桁架一般按理想的铰接桁架进行计算，即假设荷载施加在桁架节点上（如果荷载施加在节间时，可按简支梁换算为节点荷载），并和桁架的全部杆件均在同一平面内，杆件的重心轴在一直线上，节点为可自由转动的铰接点。理想状态下的静定桁架，可以将杆件轴力作为未知量，按静力学的数解法或图解法求出已知荷载下杆件的轴向拉力或压力（见杆系结构的静力分析）。

工程用的桁架节点，一般是具有一定刚性的节点而不是理想的铰接节点，由于节点刚性的影响而出现的杆件弯曲应力和轴向应力称为次应力。计算次应力需考虑杆件轴向变形，可用超静定结构的方法或有限元法求解。

空间桁架由若干个平面桁架所组成，可将荷载分解成与桁架同一平面的分力按平面桁架进行计算，或按空间铰接杆系用有限元法计算。

根据桁架杆件所用的材料和计算所得出的内力，选择合适的截面应能保证桁架的整体刚度和稳定性以及各杆件的强度和局部稳定，以满足使用要求。

桁架的整体刚度以控制桁架的最大竖向挠度不超过容许挠度来保证；平面桁架的平面外刚度较差，必须依靠支撑体系保证。支撑系统有上弦支撑、下弦支撑、垂直支撑和桁架共同组成空间稳定体系。