对于空间结构的悬挑和跨越主题，桁架结构几乎是万能的。有三角桁架、梁桁架、空腹桁架、空间桁架等形式。 桁架桥桥梁工程展示
对于空间结构的悬挑和跨越主题，桁架结构几乎是万能的。有三角桁架、梁桁架、空腹桁架、空间桁架等形式。
桁架桥桥梁工程展示
中承式钢桁架拱桥。
世界上最大跨度的双层钢桁架悬索桥，主跨1700米。
世界上最大跨度的钢箱桁架推力拱桥，主跨531.2米。
桁架的几种类型
对于空间结构的悬挑和跨越主题，桁架结构几乎是万能的。有三角桁架、梁桁架、空腹桁架、空间桁架等形式。
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。
三角桁架的基本原理
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。
最早采用King PostTruss建造的铸铁桥，1793年
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
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。
从”拱桥+增强刚架”到平行弦桁架的演化
▲ 平行弦桁架钢桥, 下承式
▲ 平行弦桁架钢桥，上承式
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。
空间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。
每榀连续桁架结构由4根柱支承，桁架外形与均布荷载作用下结构的弯矩图基本相似。跨中的倒三角形空间鱼腹式桁架的支点对应结构弯矩图的零点，其外形与弯矩图的外形吻合。
优化的桁架
SOM 和 UIUC 合作的论文中曾介绍了一种创新性的设计方法，根据图解法的优化分析，寻找桁架布置的最优解。
在假定的荷载布置下，
方案 d 的应变能仅为常规方案 a 的66.9%
优化后的桁架形式
钢桁架设计、选型及注意事项
一、钢桁架受力特点
钢桁架一般由上弦、下弦和腹杆组成。其受力与普通梁是有区别的：上弦受压、下弦受拉，形成力偶来平衡外荷载产生的弯矩；斜腹杆轴力的竖向分量来平衡外荷载产生的剪力。各杆单元均为轴向受拉或轴向受压构件，而没有弯矩和剪力，这一特点可以使材料的强度得到充分发挥。但在实际结构中，由于节点的非理想铰结等原因，还同时存在较小的弯矩和剪力，对轴力有很小的影响(因节点刚性和桁架杆横截面积与惯性矩比值的大小而不同，一般减小5％-0．1％)，称为次内力。
二、钢桁架受力分析
各杆的轴线在同一平面内，节点均为铰结，所有外荷载作用在桁架平面内，并集中作用于节点上。如果作用在节间杆件上，上、下弦的内力将成为压弯或拉弯构件。解决方法：使节点间距等分一致，或再分，尽量将外荷载作用于桁架节点上。
根据平衡理论，节点承受汇交力系作用，逐次建立各节点的投影平衡方程：ΣX=0、ΣY=0，可求出所有的未知杆件内力，这种方法称节点法，最适用于简单桁架。求解时，可根据平衡理论先判定零杆，并尽可能避免解联立方程，有时只需求少数杆件内力。对于联合桁架和复杂桁架，节点法无法奏效时，需用截面法，有选择地截断杆件(一般不超过三根)以桁架的局部为平衡对象，由平衡方程即可求得所需杆件轴力。对于某些桁架(如K式桁架)，联合应用节点法和截面法更有效。对于杆件很多的复杂桁架或空间桁架，最好选择电算法。
桁架结构的内力以轴力为主，各杆件内力分布不均匀。上弦杆件的内力为轴向压力，下弦杆件的内力为轴向受拉，形成力偶抵抗弯矩作用。竖腹杆和斜腹杆的内力可能为轴向拉力或轴向压力(由杆件布置决定)，
钢桁架的连接方式有焊接、普通螺栓连接、高强螺栓连接或铆接。在钢桁架中应用最广的应属焊接；而普通螺栓连接则常用于可拆的结构如输电塔和支撑系统；高强螺栓连接常用于重型钢桁架的工地连接；铆接用于受较大动力荷载的重型钢桁架，目前已逐渐被高强螺栓连接代替。工程应用时，应结合工程特点，施工条件确定连接方式。
钢桁架是由杆件组成的格构体系，其节点一般假定为铰节点，当荷载作用在节点上时，桁架的杆件内力与桁架的外形有着密切的关系。三角形桁架的杆件内力也是不均匀的，弦杆内力是两端大而向中间逐渐减小，腹杆内力是两端小而向中间逐渐增大。矩形桁架的杆件内力是连续但不均匀，弦杆内力是两端小而向中间逐渐增大，腹杆内力是两端大而向中间逐渐减小。抛物型桁架的杆件内力大致均匀，从力学角度看，它的形状与同跨度、同荷载的简支梁的弯矩图形相似，其形状符合受荷后的内力变化规律，所以它是较好的桁架形式。在满足承载力和使用要求的条件下，桁架的外形高度一般为其跨度的1/15左右时较为经济。
三、钢桁架应用
鉴于钢桁架的受力特点、自身的优点，钢桁架广泛应用于一些公共建筑、工业生产辅助建筑、港口工程中的货物输送栈桥等。
剪力作用。常见桁架如三角形桁架、矩形桁架、抛物线桁架、梯形桁架的斜腹杆布置方向对腹杆受力是有影响的
。
因此，在钢桁架设计和应用选型时必须综合考虑使用要求、使用特点、跨度和荷载大小以及材料供应情况，施工条件等因素，并进行全面的技术经济分析。
四、注意事项
（1）杆件截面设计：桁架杆件的截面形式按节省钢材、连接方便和制造简单等条件选择，并注意使杆件在两个主轴方向的长细比（杆件计算长度和截面回转半径的比值）尽可能相近，并应满足强度、稳定和长细比的要求。
（2）强度和稳定验算：在计算杆件的强度和稳定时，内力按轴心力考虑，当杆件同时受轴力和弯矩时，应按偏心受力考虑其共同作用。在计算杆件的稳定和长细比时，应考虑桁架平面内和平面外两个方向，或长细比较大的不利方向。
杆件的容许长细比，按杆件受压或受拉、受静力荷载或动力荷载等情况分别进行验算。
（3）起拱：跨度稍大的钢桁架，为抵消自重及荷载作用下的全部或部分挠度，保持外形美观，在制作时通常预先起拱，起拱值一般为跨度的1/500或设计规定值。
（1）一般建议跨度在30m以上采用钢桁架，可以取得较好的经济效果。钢桁架的高度由应力比、刚度、使用、运输和经济等要求确定。增加高度可以减小弦杆截面和挠度，但是增加了腹杆的用钢量和建筑物的高度。钢桁架的高跨比通常为1/8~1/15，钢材强度高，刚度要求严的钢桁架应采用相对偏高值。
（2）对于空间钢桁架，为了保证其横向整体稳定性，钢桁架的宽度也是选型时需考虑的一个要素。为了提高空间钢桁架的横向刚度，保障其横向稳定性，一般情况下，钢桁架的宽跨比控制在1/20以上，但是，如果钢桁架是全封闭的，横向受到的风荷载较大，其空间稳定性主要是以风荷载控制，因此，需要通过空间分析再确定合理的宽度。
（3）由于钢桁架的外形与其内力之间存在密切的联系，因此，建议将斜腹杆对弦杆的倾斜角通常控制在30°~60°范围内，合理的外形（如抛物型钢桁架）可以是材料强度得到充分发挥，从而节约用钢量。下弦下沉式重心降低，提高了稳定性，可有效地减少支撑体系。
（4）由于钢材对温度变化较敏感，因此，在温差较大的地区，尚应考虑温升降引起的内力和支座变位，采用合适的支座形式予以释放，如滚轴支座、转轴支座等。
（5）由于钢材耐火、耐酸性能较差，因此，对于需要考虑防火的和处在酸性环境中的钢桁架须采取必要的防火和防腐涂装以确保钢桁架的耐久性。
案例：钢桁架桥建造关键技术
“曲线钢—混组合变截面全焊接连续钢桁架桥建造关键技术”项目研究依托北京市跨温榆河顺于路西延桥工程进行，所采用的技术原理如下。
通过研究采用三维智能建模技术精确放样、研制三维高精度构件焊接胎架、优化焊接工艺、多节段工厂预拼调整技术、运输减振防碰撞措施、现场拼装三向位移控制技术、预留嵌补调整段等系列关键，确保了桥线形与设计符合良好。合理设计了钢桁梁现场拼装临时支架及砂箱系统，确保了施工期临时支架的沉降变形、强度在安全可范围内，采用门式吊机吊装方案及配套三向变形控制措施进行钢桁梁节段拼装。研发了悬挂于钢桁架上弦杆的新型三脚架支撑结构作为桥面板混凝土浇筑支撑架。
桥梁钢梁结构吊装施工
项目关键技术及创新点
该项目研究的关键技术及创新点如下。
1)形成并申报了多项专利技术：①《一种多个砂箱同步卸载的联动装置》实用新型专利，专利号为ZL 2015 2 0407085.5；②《一种新型三角架支撑结构》实用新型专利，专利号为ZL 2015 2 05000847.6；③《一种节段预制钢桁架连续梁桥砂箱的卸落方法》发明专利；④《一种新型三角架支撑结构及模板》发明专利；⑤《一种适用于河道的大跨度钢桁架混凝土组合梁桥的支架》实用新型专利；⑥《一种吊装钢桁梁节段的门式吊机的行走轨道支撑》实用新型专利；⑦《一种新型桥面板结构》实用新型专利；⑧《一种钢桁梁检修车》实用新型专利。
2）提出了空间板件精准下料、焊接变形控制、工厂预拼精度保证、现场安装三维变形控制等一系列关键制造安装技术，保证了全焊接变截面空间曲线钢桁架的成桥线形与设计线形符合良好。
3）研发了多点砂箱分批同步下落技术，通过现场应变监测，控制了钢桁架和混凝土桥面板的应力状态，避免了桥面混凝土开裂。
4）研发了悬挂于钢桁架上弦杆的新型三脚架支撑结构，作为跨河段桥面板混凝土浇筑的临时支架，合理地解决了汛期河道不能搭设落地支架的问题。
5）提出了桥面板采用CF50钢锭铣削型钢纤维补偿收缩混凝土分两次浇筑的方法，研发了钢纤维混凝土投料、浇筑、成形的工艺措施，有效的防止了桥面板的开裂。
6）提出了在主河槽设临时支墩，墩上铺设轨道梁，利用沿轨道梁行走的门式吊机拼装钢桁梁节段的方法，在满足施工精度及质量同时，保证了雨季河道度汛，取得了良好的经济和社会效益。
7）研制了用于钢构件维修保养的桥梁检修车，保证钢桁梁服役期日常检查检修及重要部位检查到位的要求，该设备使用方便可靠、检修安全。
桥面板混凝土浇筑施工
与国内外同类技术的比较
项目查新结果表明：在所检索查询的国内外文献范围内，相关文献涉及钢桁混凝土组合梁桥的研究，但未涉见曲线钢桁架混凝土组合变截面全焊接连续梁桥的报道，亦未见用于该类桥施工的多点砂箱分批同步下落技术及悬挂于钢桁架上弦杆的三角形支撑结构的报道，因此结合周围环境条件，研究全焊接钢混凝土组合变截面连续钢桁架桥关键技术具有重要的意义。
北京市跨温榆河顺于路西延桥主桥是我国首座钢混凝土组合变截面全焊接连续钢桁架桥。该项目成果达到国内外领先水平，与国内外同类技术比具有工期短、经济效益明显等优点，特别适合类似桥梁的施工。
北京跨温榆河顺于路西延桥夜景
项目应用成果与效益
该项目研究成果在应用钢混凝土组合变截面全焊接连续钢桁架结构的北京市跨温榆河顺于路西延桥主桥工程中得到了成功应用，取得了良好的经济和社会效益。
经济效益 基于该项目研究成果，施工过程中对钢桁架梁的加工制作、焊接质量、临时支架的设计、桁架梁的运输吊装、桥面板施工方法制定了专项优化设计方案，为该工程的顺利施工提供充分的技术和质量保证，也取得了显著的经济效益。
1）主桥钢桁架节段采取液压轴线车运输和两台龙门吊吊装，此方法既满足了河道汛期过水要求、又能满足现场吊装，同时保证了施工质量和安全的运输吊装方式，与传统的吊车安装方式相比，缩短了施工周期，节约了约1115万元的工程造价。
2）桥面板模板采用三角支架支撑方法施工，与传统的支搭满堂红排架相比，不受河道过水断面影响，施工方便、经济、安装简单、受力合理，可有效缩短施工周期。节约造价约111万元。
社会效益 该项目成果应用的社会效益主要体现在以下几个方面：
1）主桥钢桁架节段采取液压轴线车运输和两台龙门吊吊装，与传统的吊车安装方式相比，减少了地基处理，极大地节约了河道占地范围，缩短了占地时间，保证了在汛期河道排洪的需要，缩短了施工周期。
2）桥面板模板采用三角支架支撑方法施工，此方法与传统的支搭满堂红排架相比，节约了地基处理的材料，降低了对河道的围堰及水土污染，不影响河道过水断面，保证了汛期河道排洪的需要。
3） 全桥共设计22处临时支架，位于河道范围的岸滩内和河道过水断面内，根据现场不同环境区域制定针对性的临时支架设计结构，避免了不必要的消耗和浪费，受力结构合理，现场施工方便、安全可靠、缩短施工周期，满足了河道对河道安全汛期的要求。
4）从钢桁架梁的加工制作、焊接质量、临时支架的设计、桁架梁的运输吊装、桥面板施工方法制定等环节进行全过程施工工艺研究及质量控制。结合本工程实际，研究结构施工中的质量控制措施，使此方案可对为今后类似施工提供参考。
5）通过采用课题研究提出的技术方案，有效地保证了桥梁施工的顺利进行，在保证施工质量的同时，也有效缩短了施工工期，得到了监理和业主的好评。
无支架阶段施工钢桁架桥
钢桁架施工解析
桁架施工对精度要求较高，由于高空作业，施工难度较大，因此除了确保按照施组要求和交底内容执行外，还要确保以下细节，才能顺利完成安装。
钢桁架吊装
吊装分段原则
吊装对于双向桁架而言，施工分段和施工次序应遵循以下原则：
（1）满足现场吊机性能且便于安装；
（2）工厂制作分段的合理性和经济性 ；
（3）单体散件的重量和运输条件要求 ；
（4）单体散件的重量和运输条件要求 ；
（5）单体散件的重量和运输条件要求；
（6）分段时杆件对接位置不宜在同一平面上，而宜错开不小于500mm的距离。
质量控制措施
（1）严格按设计要求进行焊缝尺寸控制，不任意加大或减小焊缝的高度和宽度。
（2）采用小热输入量，小焊道，多道多层焊接方法以减少收缩量。
（3）拼装焊接时构件预留收缩余量，分段（块）矫正构件，控制好拼装块的焊接变形。
（4）拼装焊接时，实施多人对称反向焊接，最大限度减少焊接变形。
（5）拼装焊接时构件预留收缩余量，分段（块）矫正构件，控制好拼装块的焊接变形。
（6）焊接时应根据杆件的对称布置的特点，选好自由端，避免由焊接误差的累积而造成过大的内力。
（7）提高构件制作精度，构件长度按正偏差验收。
（8）对跨距、中心线及位移、标高、起拱度的测量，利用钢尺、经纬仪器、水准仪、全站仪进行精确测量，及时发现并纠正可能出现的位置偏差，确保整体拼装精度。
钢桁架焊接
准备工作
在焊接前应先对接口处10～15mm范围进行清理，除去钢材的锈蚀与表面污迹。正式焊接前，将定位焊起点与收弧处修磨成缓坡状，确认无未熔合、收缩孔等缺陷。对钢桁架两端要预留焊接收缩量，而且由于加工制作时可能产生的误差及运输中可能产生的变形，必须在焊接前进行校正。
注意事项
首层焊接注意事项焊接前剔除首层凸起部分，检查坡口边沿是否存在未熔合及凹陷，若存在则必须除去。修磨起焊点等部位时注意避免触碰坡口边沿。立焊时选用大直径焊条，适中电流，平焊时选用较大电流。面层焊接注意事项焊接面层时应选用较小电流，在坡口边沿部位应延长熔合时间，更换焊条时应尽量缩短时间，以防焊接中断。
质量控制
（1）焊前对钢桁架进行预热，去潮除湿；（2）控制焊接速度，可适当增加热输入量；（3）控制熔合比，减少母材中有害物质及熔化金属在焊缝金属中的比例；（4）根部焊缝焊材应尽量选择硫、磷含量低、锰含量高的焊材以增加韧性，提高抗热裂性能。
安全预案
（1）建立安全警戒区在吊装过程中若操作不当则会造成安全事故的发生，影响工程进行。因此应当设置警戒区，警戒区范围是起吊工作范围，设置专人把守警戒区，明确统一建设24h值班制度，在起吊过程当中禁止人员在现场走动。
（2）起吊过程中安排专人检测千斤顶，使用通讯设备实施报告千斤顶的运行状况，严防千斤顶出现打滑等失效的情况。
（3）安排千斤顶检测的同时还要安排专人检测油泵的情况，若出现过热、漏油及压力输出不稳定的情况时也要及时上报，通过总指挥同意后全场停止作业进行检查维修，严禁单方面下达指令。
（4）在起吊过程中须在桁架两端设置绳索，保证桁架稳定性，防止桁架晃动。
（5）在吊装到指定位置后进行焊接工作，在焊接时要做防止电弧烧伤，还要对钢绞线及锚件做好绝缘工作。
（6）为保证起吊工程的顺利进行,本着安全第一、预防为主的原则,在起吊前应做好应急防范准备，制订相应的防范措施。
（7）吊装人员进入吊装场地时须佩戴好安全帽，若进行高空作业则必须系好安全带。专业人员佩戴专职标志，随时注意信号工的指示防止危险发生，信号工要随身携带旗子，哨子以及通话装置。
（8）起重机作业前需了解作业对象重量避免超负荷作业，在构件起吊是在合理位置绑扎溜绳，首先起吊半米高度对其绑扎进行检查确认其牢固后方可升起。在构件起吊时注意缓慢上升缓慢下落，在构件上严禁站人或放置其余构件，以防发生安全事故。
（9）信号指示人的语言和信号必须和司机保持一致，指挥人员吐字清晰，避免出现理解误区，塔吊司机听从信号工的指挥进行作业，以保证各方协调作业避免失误。
（10）钢构件下落时速度放缓，施工人员在构件外侧手扶构件，严禁将手放到构件底部或构件接缝处。
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知识点：万能钢桁架的设计变化与施工技术
