组成桁架的杆件的轴线和所受外力都在同一平面上(图1)。平面桁架可视为在一个基本的三角形框上添加杆件构成的。每添加两个杆,须形成一个新节点才能使结构的几何形状保持不变。这种能保持几何坚固性的桁架叫作无余杆(或叫无冗杆)桁架。如果只添加杆件而不增加节点,就不能保持桁架的几何坚固性,这种桁架叫作有余杆(或叫有冗杆)桁架。
多边形桁架也称折线形桁架。上弦节点位于二次抛物线上,如上弦呈拱形可减少节间荷载产生的弯矩,但制造较为复杂。在均布荷载作用下,桁架外形和简支梁的弯矩图形相似,因而上下弦轴力分布均匀,腹杆轴力较小,用料省,是工程中常用的一种桁架形式。空腹桁架基本取用多边形桁架的外形,无斜腹杆,仅以竖腹杆和上下弦相连接。杆件的轴力分布和多边形桁架相似,但在不对称荷载作用下杆端弯矩值变化较大。优点是在节点相交会的杆件较少,施工制造方便。
有些桥梁桥面设置在上弦,因此力主要通过上弦传递;也有的桥面设置在下弦,由于平面外刚度的要求,上弦之间仍需要连接以减少上弦平面外计算长度。桁架的弦杆在跨中部分受力比较大,向支座方向逐步减小;而腹杆的受力主要在支座附件大,在跨中部分腹杆的受力比较小,甚至有理论上的“零杆”。
房屋建筑用的桁架,一般仅进行静力计算;对于风力、地震力、运行的车辆和运转的机械等动荷载,则化为乘以动力系数的等效静荷载进行计算;特殊重大的承受动荷载的桁架,如大跨度桥梁和飞机机翼等,则需按动荷载进行动力分析(见荷载)。平面桁架一般按理想的铰接桁架进行计算,即假设荷载施加在桁架节点上(如果荷载施加在节间时,可按简支梁换算为节点荷载),并和桁架的全部杆件均在同一平面内,杆件的重心轴在一直线上,节点为可自由转动的铰接点。理想状态下的静定桁架,可以将杆件轴力作为未知量,按静力学的数解法或图解法求出已知荷载下杆件的轴向拉力或压力(见杆系结构的静力分析)。
根据桁架杆件所用的材料和计算所得出的内力,选择合适的截面应能桁架的整体刚度和稳定性以及各杆件的强度和局部稳定,以满足使用要求。桁架的整体刚度以控制桁架的大竖向挠度不超过容许挠度来;平面桁架的平面外刚度较差,依靠支撑体系。支撑系统有上弦支撑、下弦支撑、垂直支撑和桁架共同组成空间稳定体系。
在各种工程结构中,广泛使用一种特殊的刚体系,他们是有一些短而直的刚杆彼此以端部连接(铆接或焊接)而成的几何形状不变的结构。当刚杆之间的连接能近似地看作是铰链约束时,这种杆系结构称为桁架。例如桥梁、屋架、电视塔和起重机架等。设计桁架时,尽量使外加载荷集中的作用于刚杆连接处,以刚杆主要承受拉力或压力。直杆中心线在同一平面内且载荷也在此平面内的桁架称为平面桁架。