桁架结构是如何做到“物尽其用”的

桁架(Trusses)是由许多直杆在端点按一定的形式连接而构成的几何形状不变的结构。桁架是一种梁式构件，它是由很多小截面杆组成的“空腹式的大梁”，是静定结构。桁架的优点是杆件主要承受拉力或压力，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。因为上述的诸多优点，桁架结构得以广泛应用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中。

例如建于1890年的福斯湾铁路桥是桁架结构的代表。它是世界上第二长的多跨悬臂桥。福斯桥主跨跨径519m，铁路高出水位47.8m，塔顶宽约10m，塔底宽36.6m，全桥共计3个桥塔，六个伸臂，各长206m，悬跨长107m。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。有趣的是，桥造成后7年，李鸿章出使英国，在参观这座桥后，也想在中国的渤海湾建造一座。后来詹天佑在当粤汉铁路督办时，提出的武汉长江大桥的方案就参照了福斯桥。

图1英国福斯湾桥(跨度521米，1890年)

除此之外，诸如北京首都机场航空港内钢结构飞机库的屋顶、塔式起重机、甚至著名的法国埃菲尔铁塔等建筑，都运用了桁架结构。

?图2北京首都国际机场航空港内钢结构飞机库

但是，只依靠寥寥几根钢管即可支撑起沉重的屋顶、千钧的桥梁，这不由得令人怀疑其安全性能，这几根钢管是否“靠得住”呢？

答案显然是肯定的。我们不妨以桁架桥为例进行分析。

?图3桁架桥简化模型

?图4桁架桥及其截面简图

我们可以把桥梁简化图3所示的模型，在上面施加向下的力F，此时桥梁截面上只存在弯曲正应力，则桥梁截面上的弯曲正应力分布规律是从两边到中线上线性缩减，在横截面的中线上受力几乎为0，因此则可以把长方体初步简化为截面为“工”字形的梁，如图4所示。

?图5截面上弯曲正应力分布规律

借助有限元方法分析三点弯曲状态下的桥梁内部应力分布，得到各处应力的大小如图6所示。这么一来可以得知桥梁在三点弯曲状态下，内部各部分受力最大的部分其实就是这几根杆的部位。在这几处焊接上强度足够大的钢管，可以产生近乎相同的支撑效果，同时大大节省了材料、减轻了结构的自重。桁架结构的广泛应用可以说是制造工艺的一大发展。

?图6桥梁内部应力分布

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。由于空间桁架结构具有刚度大、自重轻的特点，结构处于三维受力状态，能够承受来自各个方向的荷载，因此具有较好的抗震性能。

例如建造于2000年、耗资26亿美元的旧金山国际机场航站楼，便是运用了空间桁架结构的实例。航站楼主屋顶由5道三跨连续的鱼腹空间桁架组成，连续桁架中间部分的跨度为116米，两端悬挑49米，总长262米。巨大的钢桁架伸向前方支撑大楼的中心部位，而中心部位下面的地面上没有任何支柱。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。新颖的结构与外形，使得这座标志性建筑为机场和旧金山市塑造了一个强有力的形象。

?图7航站楼设计草图

?图8旧金山国际机场航站楼

总的来说，桁架结构几何确定、受力明确、整体刚度大、承载能力高、稳定性好，且最大限度地做到“物尽其用”。同时桁架结构造型优美、构型多变、杆件均匀及节点连接可靠便捷。并且，桁架结构建筑能很好地适应对长大空间、结构刚度与可靠度、建筑造型以及特殊场地的要求,可以预见在未来桁架的应用前景将更为宽广。