今天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。

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。

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。




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。

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。

外白渡桥
南京长江大桥,1969年建成,主桥为带承托的钢桁架连续梁桥,全桥长6000米,上层为公路,下层为铁路。“一桥飞架南北,天堑变通途。”作为中国第一座自主设计和建造的现代化桥梁,南京长江大桥不仅是中国技术成就的象征,更是承载了一代中国人的记忆。


南京长江大桥
我们自己建的第一座长江桥,到底有多难,请看纪录片《中铁大桥局四公司 南京长江大桥纪录片12.7》
https://v.qq.com/x/page/n08142au59q.html

参考文献:
1. 建筑结构的奥秘,川口卫著,王小盾陈志华译
2. http://wikipedia.org/wiki/Truss
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