万能的桁架，无限的变化

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[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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                                                                                                                        [b]三 角 桁 架[/b]                                                [color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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[align=center][color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [color=#888888][size=14px]三角桁架的基本原理[/size][/color][/size][/font][/color][/align]
[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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[align=center][color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [color=#888888][size=14px]最早采用King PostTruss建造的铸铁桥，1793年[/size][/color][/size][/font][/color][/align]
[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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[align=center][color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [color=#888888][size=14px]三角桁架的基本形式和演化[/size][/color][/size][/font][/color][/align]
[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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[align=center][color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [color=#888888][size=14px]莫斯科马术体育馆，贝塔克鲁，1818年[/size][/color][/size][/font][/color][/align]
[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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                                                                                                                        [b]梁桁 架[/b]                                                [color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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[align=center][color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [color=#888888][size=14px]从”拱桥+增强刚架”到平行弦桁架的演化[/size][/color][/size][/font][/color][/align]
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[align=center][color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [color=#888888][size=14px]▲平行弦桁架钢桥,下承式[/size][/color][/size][/font][/color][/align]
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[align=center][color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [color=#888888][size=14px]▲平行弦桁架钢桥，上承式[/size][/color][/size][/font][/color][/align]
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[align=center][color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [color=#888888][size=14px][align=center]▲[/align]Bollman Truss Railroad Bridge[/size][/color][/size][/font][/color][/align]
[align=center][color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [color=#888888][size=14px]Wendel Bollman，1869年[/size][/color][/size][/font][/color][/align]
[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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[align=center][color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [color=#888888][size=14px]外白渡桥，1908年[/size][/color][/size][/font][/color][/align]
[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size]
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[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=16px][b][color=#0052FF]福斯湾铁路桥 Forth Bridge[/color][/b][/size][/size][/font][/color]
[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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[align=center][color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [color=#888888][size=14px]福斯湾铁路桥,JohnFowler,Benjamin Baker,1890[/size][/color][/size][/font][/color][/align]
[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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[align=center][color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [color=#888888][size=14px]福斯湾铁路桥建造过程[/size][/color][/size][/font][/color][/align]
[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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[align=center][color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [color=#888888][size=14px]用来解释悬臂梁桥原理的模型[/size][/color][/size][/font][/color][/align]
[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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[align=center][color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [color=#888888][size=14px]巴黎博览会机器展览馆, 1867年[/size][/color][/size][/font][/color][/align]
[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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[/size][size=16px]采用钢制三铰拱，拱截面为桁架格构形式。[size=15px]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。[/size][/size][/size][/font][/color]
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[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [color=#0052FF][size=16px][b]蓬皮杜中心 Centre Georges Pompidou[/b][/size][/color][/size][/font][/color]
[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [color=#1A1A1A][font=微软雅黑, sans-serif][size=15px]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。[/size][/font][/color][/size][/font][/color]
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[align=center][color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [color=#888888][size=14px]蓬皮杜中心,,结构Arup彼得.赖斯，1971[/size][/color][/size][/font][/color][/align]
[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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                                                                                                                        [b]空 腹 桁 架[/b]                                                [color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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[align=center][color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [color=#888888][size=14px]耶鲁大学善本图书馆，1963年[/size][/color][/size][/font][/color][/align]
[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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[align=center][color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [color=#888888][size=14px]沃尔夫斯堡汽车城，结构设计SBP，2000[/size][/color][/size][/font][/color][/align]
[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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[color=#333333][font=-apple-system-font, BlinkMacSystemFont, &quot][size=17px]        [size=15px]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。[/size][/size][/font][/color]
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