1.桁架结构的概念
桁架是由杆件组成的一种格构式结构体系。杆件与杆件的连接假定为铰接，在外力作用下的杆件内力为轴向力（拉力或压力），而且分布均匀，故桁架结构比梁结构受力合理。桁架的杆件内力是轴向力，而梁的内力主要是弯矩，且分布不均匀，梁的断面大小常以最大弯矩处的断面尺寸为整个梁的断面大小，因此梁的材料强度利用不够充分。桁架内力分布均匀，能充分利用材料强度，减少材料消耗量和结构自重，使结构跨度增大。
桁架结构、 网架结构
桁架结构的特点：受力合理，计算简单，施工方便，适应性强，对支座没有横向力。因此在结构工程中，桁架常用来作为屋盖承重结构，常称为屋架。桁架的主要缺点是结构高度大，侧向刚度小。结构高度大不但增加了屋面及围护墙的用料，而且增加了采暖、通风、采光等设备的负荷，并给音响控制带来困难。侧向刚度小对钢屋架的影响特别明显，受压的上弦平面外稳定性差，难以抵抗房屋纵向的侧向力，这就需要设置支撑。一般房屋纵向的侧向力并不大，但支撑很多，都按构造（长细比）要求确定截面，故耗钢量大，未能材尽其用。所以桁架结构主要用于体育馆、影剧院、展览馆、食堂、菜场、商场等公共建筑。为了使桁架的规格统一，有利于工业化施工，建筑的平面形式宜采用矩形或方形。
2.桁架结构的形式
桁架结构的形式很多，按所使用材料的不同，可分为木屋架、钢-木组合屋架、钢屋架、混凝土屋架、钢筋混浆土-钢组合屋架等；按屋架外形的不同，可分为三角形屋架、梯形屋架、抛物线屋架、折线形屋架、平行弦屋架等；根据结构受力的特点及材料性能的不同，可分为桥式屋架、无斜腹杆屋架或刚接桁架、立体桁架等。
（1）木屋架。
常用的木屋架是方木或原木齿连接的豪式木屋架，一般分为三角形（图11-8）和梯形（图11-9）两种，大都在工地上用手工制作。
图11-8 三角形豪式木屋架
图11-9 梯形豪式木屋架
豪式木屋架的节间长度控制在2～3m为宜，一般为4～8 节间，适用跨度为12～18m。当屋架跨度不大时，上弦可用整根木料，当屋架跨度较大，上弦需做节头时，四节头位置应尽量靠近节点，避免承受较大的弯矩。木屋架的高跨比宜为1/5～1/4。
三角形木屋架的内力分布不均匀，内力分布为支座处大而跨中小，一般适用于跨度在18m以内的建筑中。三角形木屋架的坡度大，适用于屋面材料为黏土瓦、水泥瓦及小青瓦等要求排水坡度较大的情况。
梯形木屋架受力性能比三角形木屋架合理，当房屋跨度较大时，选用梯形木屋架较为适宜。当采用坡形石棉瓦、铁皮或卷材作屋面防水材料时，屋面坡度需取斜度i=1/5。梯形木屋架适用跨度为12～18m。
（2）钢-木组合屋架。
钢-木组合屋架的形式有豪式屋架、芬克式屋架、梯形屋架和下折式屋架，如图11-10所示。
由于不易取得符合下弦材质标准的上等木材，特别是原木和方木干燥较慢，干裂缝对采用齿连接和螺栓连接的下弦十分不利，而采用钢拉杆作为屋架的下弦，每平方米建筑面积的用钢量仅增加2～4 kg，却显著地提高了结构的可靠性。同时，钢材的弹性模量高于木材，且消除了接头的非弹性变形，提高了屋架结构的刚度。
钢-木组合屋架的适用跨度视屋架结构的外形而定，对于三角形屋架，其跨度一般为12～18m，对于梯形、折线形等多边形屋架，其跨度可为18～24m。
（3）钢屋架。
钢屋架的形式主要有三角形钢屋架、梯形钢屋架、矩形（平行弦）钢屋架等，为改善上弦杆的受力情况，常采用再分式腹杆的形式，如图11-11所示。
图11-10 钢-木组合屋架
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图11-11 钢屋架
（a）三角形钢屋架；（b）梯形钢屋架；（c）矩形钢屋架
三角形钢屋架一般用于屋面坡度较大的屋盖结构中，当屋面材料为黏土瓦、机制平瓦时，要求屋架的高跨比为1/6～1/4。三角形钢屋架弦杆内力变化较大，弦杆内力在支座处最大，在跨度很小时，材料强度不能充分发挥作用，一般宜用于中小跨度的轻屋盖结构。当荷载和跨度较大时，采用三角形钢屋架就不够经济。三角形钢屋架的常用形式是芬克式屋架，它的腹杆受力合理，长杆受拉，且可分为两榀小屋架制作，运至现场进行安装，施工方便，必要时可将下弦中段抬高，使房屋净空增加。
梯形钢屋架一般用于屋面坡度较小的屋盖中，其受力性能比三角形钢屋架优越，适用于较大跨度或荷载的工业厂房。当上弦坡度为1/12 ～1/8时，梯形钢屋架的高度可取（1/10～1/6）l，当跨度大或屋面荷载小时取小值，跨度小或屋面荷载大时取大值。梯形钢屋架一般都用于无檩体系屋盖，屋面材料大多用大型屋面板。这时上弦节间长度应与大型屋面板尺寸相配合，使大型屋面板的主肋正好搁置在屋架上弦的节点上，在上弦中不产生局部弯矩，当节间过长时，可采用再分式腹杆的形式。当采用有檩体系屋盖时，则上弦节间长度可根据檩条的间距而定，一般为0.8～3.0m。
矩形钢屋架也称为平行弦钢屋架。因其上下弦平行，腹杆长度一致，杆件类型少，易于满足标准化、工业化生产的要求。矩形钢屋架在均布荷载作用下，杆件内力分布极不均匀，故材料强度得不到充分利用，不宜用于大跨度建筑中，一般常用于托架或支撑系统。当跨度较大时，为节约材料，也可采用不同的杆件截面尺寸。
（4）混凝土屋架。
混凝土屋架的常见形式有梯形屋架、折线形屋架、拱形屋架、无斜腹杆屋架等。根据是否对屋架下弦施加预应力，可分为钢筋混凝土屋架和预应力钢筋混凝土屋架两种，其跨度为18～36m或更大。混凝土屋架的常用形式如图11-12所示。
图11-12 混凝土屋架的常用形式
（a）梯形屋架；（b）折线形屋架1；（c）折线形屋架2；（d）拱形屋架；（e）无斜腹杆屋架
梯形屋架［图11-12（a）］上弦为直线，屋面坡度为1/12～1/10，适用于卷材防水屋面。一般上弦节间为3m，下弦节间为6m，矢高与跨度之比为1/8～1/6，屋架端部高度为1.8～2.2m。梯形屋架自重较大，刚度好，适用于重型、高温作业及采用井式或横向天窗的厂房。折线形屋架［图11-12（b）］外形较合理，结构自重较轻，屋面坡度为1/4～1/3，适用于非卷材防水屋面的中型厂房或大中型厂房。折线形屋架［图11-12（c）］屋面坡度平缓，适用于卷材防水屋面的中型厂房。为改善屋架端部的屋面坡度，减少油毡下滑和油膏流淌，一般可在端部增加两个杆件，以使整个屋面的坡度较为均匀。拱形屋架（图11-12d）上弦为曲线形，一般采用抛点落在抛物线上，拱形屋架外形合理，杆件内力均匀，自重轻、经济指标良好，但屋架端部屋面坡度太陡，这时可在上弦上部加设短柱而不改变屋面坡度，使之适合于卷材防水屋面，拱形屋架矢高比一般1/8～1/6。
无斜腹杆屋架［图11-12（e）］的上弦一般为抛物线拱，没有斜腹杆，结构构造简单，便于制作。屋面板可以支承在上弦杆上，也可以支承在下弦杆上，因此较适用于采用井式或横向天窗的厂房。这样不仅省去了天窗架等构件，简化了结构构造，而且降低了厂房屋盖的高度，减小了建筑物受风的面积。无斜腹杆屋架力学上的显著特点是屋架节点不能简化为铰节点。由力学原理可知，若该屋架简化为铰节点，则将成为几何可变的机构。因此，该屋架应按刚架结构或拱式结构计算。按刚架结构计算时，各杆件内均有弯矩作用且在杆端节点处弯矩最大。上弦杆为压弯构件，下弦杆和竖腹杆为拉弯构件。按拱式结构计算时，上弦杆为拱身承受压力，下弦杆为拱的拉杆，当荷载作用在上弦杆时，则竖腹杆内力为零。
钢筋混凝土屋架也有其他各种形式，如钢筋混凝土桥式屋架等。桥式屋架是将屋面板与屋架合二为一的轻结构体系，屋面板与屋架共同工作，屋盖结构传力简捷、整体性好，充分利用了构件的承载能力，节省了材料，其缺点是施工复杂。桥式屋架可逐榀紧靠着布置，也可间隔布置，在两榀桥式屋架之间再现浇屋面板或铺设预制屋面板。桥式屋架一般直接支承在承重外墙的圈梁上，如果房屋为柱子承重，则须在柱间加设托架梁。
（5）钢筋混凝土-钢组合屋架。
常见的钢筋混凝土-钢组合屋架有折线形组合屋架、五角形组合屋架、三铰组合屋架、两铰组合屋架等，如图11-13所示。
图11-13 钢筋混凝土-钢组合屋架
（a）折线形组合屋架；（b）五角形组合屋架；（c）三铰组合屋架；（d）两铰组合屋架
折线形组合屋架上弦及受压腹杆为钢筋混凝土，下弦及受拉腹杆为角钢，充分发挥了两种不同材料的力学性能，其特点是自重轻、用料少、技术经济指标都较好，适用于跨度为12～18m的中小型厂房。折线形屋架屋面坡度约为1/4，适用于石棉瓦、瓦垄铁、构件自防水等的屋面。为使屋面坡度均匀一致，也可在屋架端部上弦加设短柱。
两铰或三铰组合屋架上弦为钢筋混凝土或预应力混凝土构件，下弦为型钢或钢筋，预接点为刚接（两铰组合屋架）或铰接（三铰组合屋架）。此类屋架特点是杆件少、自重轻、受力明确，构造简单，施工方便，特别适用于农村地区的中小型建筑。当采用卷材防水时屋面坡度为1/5，非卷材防水时屋面坡度为1/4。
桁架选型应综合考虑建筑的功能要求、跨度和荷载大小、材料供应和施工条件等因素。当建筑跨度在36m以上时，为了减轻结构自重，宜选择钢桁架；跨度在36m以下时，一般可选用钢筋混凝土桁架，有条件时最好选用预应力混凝土桁架；当桁架所处的环境相对湿度大于75%或有腐蚀性介质时，不宜选用木桁架和钢桁架，而应选用预应力混凝土桁架。
3.桁架结构的建筑造型
桁架结构在大跨度建筑中多用作屋顶的承重结构，根据建筑的功能要求、材料供应和经济的合理性，可设计成单坡、双坡、单跨、多跨等不同的外观和形状。
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