在线微课|“长虹卧波”系列课程之桁架桥（贰）

结构的力量

三角形桁架

早在两千年前，人类就发现了三角形具有很好的稳定性，进而发明了三角桁架单元，三个杆件相互铰接就是一种最简单的桁架。这个桁架后来广泛地运用到屋顶上，对比梁，它比梁效率更高，相比拱，它不会对底部支座产生侧推力，具有优势。

桁架结构的基本单元——三角形桁架

但在这一结构中，由于人字形构件也受力，所以会很容易断裂，如何才能保证人字形构件不折断？

三角形桁架中容易断裂的人字形构件

我们必须加强这种结构的稳定性，在人字形中间加上支撑。于是逐渐出现了单柱式桁架、双柱式桁架，这两种桁架都是通过在梁上增加支柱等构件的方式来增加桁架整体的刚性、防止人字形构件的折断。

单柱式桁架

双柱式桁架

最早采用单柱式桁架建造的铸铁桥，1793年

梁桁架

到了19世界纪中叶，梁桁架（又称为平行弦桁架）出现了。当时正值美国西部大开发，对铁路桥梁的需求急速增加。木拱桥是当时桥梁的主流，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会产生很大的变形。因此木桥普遍采用拱桥和增强刚架结合的形式。桥梁专家们经过多次实践发现，只要把补强刚架做得足够坚固，甚至可以省去拱。于是梁桁架的时代从此开始了。

从“拱桥 增强刚架”到梁桁架的演化

从上图我们可看出，在桁架桥的形成和演化过程中，桥梁设计师们根据跨越需要和能够获取的材料，创造了多种几何构造形式的桁架。

在1850年前后建设的铁路桥中，有几种常见桁架梁，其中包尔曼式（Bollman）桁架和芬克式(Fink)桁架被得到广泛应用。

菲尔蒙特铁路桥（芬克式桁架），1852年

包尔曼式桁架桥

这两种桁架结构在当时成功地用铸铁和锻铁取代木桁架的压杆和拉杆，提高了桁架的跨越能力，也提高了桥梁的耐久性，因此一经推出便极受欢迎。当时的巴尔的摩和俄亥俄铁路上，几乎20米至60米跨度范围的桥梁都是Fink桁架和Bollman桁架。但随着火车头动力的增加，机车重了，车速快了，Fink桁架和Bollman桁架刚度过小的缺陷就完全暴露出来，当列车通过时，桥梁过大的振动令人胆寒，当时所有的Fink桁架桥和Bollman桁架桥上都有警示火车司机减速的标示。到了1875年，铁路桥完全摒弃了这两种桁架形式。

“天择适者”——沃伦桁架

达尔文在论及生物进化时认为，在大自然的淘汰下能够存活繁衍的生物，是那些能够最快调整适应自然变化的物种。这一原则用来描述桁架桥在19世纪短短100年间的演变也十分贴切。

在19世纪中叶出现的如此众多的桁架形式中，如今保留下来且应用最为广泛的是三角桁架，也称为沃伦桁架（Warren）。

沃伦桁架

它在1840年便已注册专利，不过在19世纪并不流行。沃伦桁架是桁架家族中的“极简”成员，由最简单的等边三角形，沿跨度方向叠加，形成桁架梁。当跨度增大，可以用竖杆将等边三角形分成两个直角三角形，以减小节点间距，改善桥面系的支撑刚度。

美国纽约第三大道桥（沃伦桁架），2004年

桁架的发展，从最初的三角形，衍生出不同的组合、不同的构成，再回归简单三角形，也经历了一个“适者生存”的过程。那些经受了时间考验，由实践证明既能安全有效传力、又节省材料，同时通过了19世纪末成熟的结构设计理论验证的形式，才留存下来。

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参考文献：

尹德兰《桥梁》杂志 2018年 第5期 总第85期

川口卫著，王小盾陈志华译《建筑结构的奥秘》

来源：开放部