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1、第八章,刚架：梁、柱之间为刚性连接的结构称为刚架，单层刚架也称为门式刚架； 排架：梁与柱之间为铰接的单层结构称为排架； 框架：多层多跨的刚架结构称为框架。,单层刚架是梁柱合一的结构，杆件较少，结构内部空间较大，便于利用；一般由直杆组成，制作方便。门式刚架从材料上来看，可采用钢筋混凝土结构或钢结构。 横梁为折线形的门式刚架更具有受力性能良好、施工方便、造价较低和建筑造型美观等优点。适于双坡屋面的单层中、小型建筑，在中小型厂房、体育馆、礼堂、食堂等中小跨度的建筑中广泛应用。 门式刚架刚度较差，受荷载后产生跨变，当用于工业厂房时，吊车起重量不宜超过100kN。但与拱结构相比，刚架仍然属于以受弯为主的
2、结构，材料强度不能充分发挥作用，结构自重较大，跨度受限。,门式刚架,排架,钢框架,门式刚架的外形选择主要考虑建筑排水和建筑造型的需要 主要分为：单跨，双跨，多跨，带毗屋，带挑檐等形式,门式刚架钢结构体系主要包括： 主结构 刚架，吊车梁 次结构 檩条，墙架柱（抗风柱），墙梁 支撑结构 屋盖支撑，柱间支撑，系杆 围护结构 屋面系统（屋面板、采光板、通风器等），墙面系统（墙板、门窗）,单层刚架结构的特点：,1、属于平面结构体系； 2、横梁与柱刚接，梁跨中弯矩值得到降低，具有良好的受力性能（相对排架结构，内力小于排架结构）； 3、杆件较少，结构内部空间大，便于利用； 4、杆件少，制作方便，施工方便，造
3、价较低，建筑造型美观； 5、适于双坡屋面的单层中、小型建筑（如中小型的厂房、体育馆、礼堂、食堂等）； 6、刚度较差，受荷后易产生挠度(吊车起重量不宜超过10吨)； 7、刚架结构自重较大，用料较多，适用跨度受到限制（相对拱结构）。,影响单层刚架结构受力的主要因素 1. 支座约束条件 2. 梁柱线刚度比 3. 门式刚架的高跨比 4. 结构构造 5. 温度变化 6. 支座移动,8.1 单层刚架结构的种类与受力特点,1、 约束条件对结构受力的影响 按构件布置和支座约束条件分类 无铰刚架、两铰刚架和三铰刚架。,刚架随铰位的变化-结构内力不同,与排架相比：在竖向荷载作用下，由于柱对梁的约束作用，减少了梁跨
4、中的弯矩和挠度。,与排架相比：在水平荷载作用下，由于梁对柱的约束作用减少了柱底的弯矩和侧向变位。,刚架由于横梁与立柱整体刚性连接，减少了横梁中的弯矩值。 排架由于横梁与立柱为铰接，弯矩峰值较刚架大很多。 刚架结构比排架结构轻巧，并可节省钢材约10%，混凝土约20%。,特点：梁的约束减少了柱内弯矩；因此，刚架在竖向荷载作用下，柱对梁的约束减少了梁的跨中弯矩；在水平荷载作用下，梁对柱的承载力和刚度都大于排架结构。,三种门式刚架受力比较：,1、无铰刚架：柱脚与基础固结，为超静定（三次）结构，刚度好、但与两铰、三铰拱比，基础承受的弯矩大，基础耗料大，且地基的不均匀沉降将会引起结构内力的变化，因此，地基
5、条件较差时慎用。 2、两铰刚架：铰接的柱基不承受弯矩作用，构造简单，省工省力，当基础有转角时，对结构内力没有影响。但基础发生不均匀沉降时，同样对结构内力有影响，其刚度较三铰刚架大，故适用于较大跨度。,3、三铰刚架：梁、柱节点弯矩较大，刚度较差，不适合于有桥式吊车的厂房，仅用于无吊车或小吨位悬挂吊车的建筑。当其跨度较大时，半榀三铰刚架的悬臂太长，致使吊装不便，而且吊装内力大，所以，它适用于跨度小于（12m）或地基较差的情况。 4、在实际工程中，大多采用两铰刚架和三铰刚架及由其组成的多跨结构，无铰刚架很少采用。 5、约束条件：从受力分析可以看出，约束越多，内力变形越小；支座的移动也将使超静定结构产
6、生内力。,刚架结构并不是十分合理的结构。一方面它 与连续梁相似。仍为利用梁柱受弯来承受荷载 的结构，另一方面因为它是一个典型的平面结 构，在其自身平面外刚度极小，必须布置适当 的支撑。,2、梁柱线刚度比对结构内力的影响 根据力学原理，结构的内力按结构的 刚度大小分配。因此，梁柱线刚度的的比 不同，它们各自分配的内力也不同，梁柱 线刚度比大的，分配到的内力也越大。,竖向荷载作用下 k，接近简支梁； k0， 接近两端固定的梁。,顶端水平荷载作用下 k，接近单层框架； k0， 接近单层排架。,3、 门式刚架的高跨比对结构受力的影响 高跨比越大，支座推力越小。,门式刚架的跨度与柱高的比例问题，即高跨比
7、h/L，从结构观点看，由于柱高的减少将使推力增大，从推力线来看，对三铰门架来说，最好的形式是高度大于跨度；但对两铰门架来说，由于跨中弯矩的存在，跨度稍大于高度就成为合理的了。总的来说，高跨比H/L=0.75是比较合理的。,4、结构构造对结构受力的影响 用以减少刚架横梁的跨中弯矩及截面高度。,对静定结构（三铰刚架）无影响,5、温度变化,6、支座位移,按构件布置和支座约束条件分类 无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架 按结构材料分类 胶合木结构刚架、钢筋砼刚架、钢结构刚架 按构件截面分类 实腹式、空腹式、格构式、等截面、变截面,8.2 单层刚架结构的型式,按建筑体型分类 平顶、坡顶、拱顶、单跨、多跨 按施
8、工技术 预应力刚架、非预应力刚架,外形：外形可分为平顶、坡顶或拱顶，可以是单跨、双跨或多跨连续，可以根据通风、采光的需要设置天窗，通风屋脊和采光带，刚架横梁的坡度由屋面材料及排水确定。,1、胶合木刚架：胶合木是一种新材料，防腐 防蛀、阻燃性能好，克服了原木尺寸受限，有木 节影响强度等缺陷。构造简单、便于运输。,美国康涅狄克州小学，以裸露的两榀胶合木刚架为入口标志,2、钢刚架：钢刚架结构可分为实腹式和格构式,A、实腹式：适用于跨度不很大的结构，常做成两铰式刚架。,实腹式刚架,实腹式适应于跨度不很大的结构，常做成两铰式，截面一般为焊接工字形，少数为Z形，制作安装较方便。当跨度或荷载较大时构件应为变
9、截面，一般使截面高度适应弯矩图的变化 。实腹式刚架的横梁高度一般可取跨度的1/121/20。 当跨度很大时，可在支座平面内设置拉杆，并施加预应力对刚架横梁产生卸荷力矩及反拱，这时横梁高度可取跨度的1/301/30，并由拉杆承担了刚架支座处的横向推力，对支座和基础都有利。,B、格构式刚架： 优点：刚度大，节约材料。,格构式的适应范围较大，具有刚度大、耗钢省等优点。当跨度小时可采用三铰式结构，当跨度大时可采用两铰式或无铰式结构。 格构式刚架的梁高可取跨度的1/151/20，为了节省材料、增加刚度、减轻基础负担，也可施加预应力，以调整结构中的内力。预应力拉杆可布置在支座铰的平面内，既可布置在刚架横梁
10、内仅对横梁施加预应力，也可对整个刚架施加预应力。,3、钢筋混凝土 刚架：适用于 L18m，檐高不 超过10 m的无吊 车或吊车起重量 不超过100KN的 建筑中。,刚架构件的截面尺寸可根据结构在竖向荷载作用下的弯矩图的大小而改变：,一般是截面宽度不变而高度呈线性变化。对于两铰刚架或三铰刚架，立柱上大下小，为楔形构件，横梁为直线变截面。,为减少或避免应力集中现象，转角处常做成圆弧或加腋的形式。,立柱：上大下小的楔形构件。截面变化的形式尚应结合建筑立面要求确定，可以做成：里直外斜或外直里斜的形式，横梁通常也为直线变截面。,为减少材料用量，减轻自重，可采用空腹刚架。 空腹式刚架有两种形式：空心截面杆
11、件和杆件上留洞。,4、预应力混凝土刚架,优点：可以提高结构刚度，减小杆件截面，增大适用跨度。,预应力钢筋可通长布置，也可分段布置。,A、分段布置：梁、柱分别布置。其优点是：受力明确、穿筋方便、施工简单。缺点是：费材料、费锚具、转角处预应力孔道交叉，对截面削弱大。 B、通长布置：其优点是节省钢材、锚具，孔道对截面削弱少；缺点：穿筋困难，注意在外荷载作用下钢筋蹦出混凝土外的现象（对人字型和Y字型构件）。,构件截面与内力 等截面和变截面 截面形式取决于在各种荷载作用下的内力分布。 弯矩分布 立柱和横梁的转角截面弯矩最大 铰结点弯矩为零 因此在转角截面的内侧产生压应力集中现象，集度随内折角的形式而变化
12、，立柱的刚度比横梁的刚度大很多时，边缘应力急剧增加。,8.3 单层刚架结构的构造与布置,构件截面与内力 变内力变截面最经济 刚架杆件一般采用变截面形式，加大梁柱相交处的截面，减小铰结点附近的截面，以节约材料； 同时为减少或避免应力集中现象，转角处常作成圆弧或加腋的形式。,外形：外形可分为平顶、坡顶或拱顶，可以是单跨、双跨或多跨连续，可以根据通风、采光的需要设置天窗，通风屋脊和采光带，刚架横梁的坡度由屋面材料及排水确定。对于常见的中小跨度的双坡门式刚架，其屋面材料一般多用石棉波形瓦、瓦楞铁及其他轻型瓦材，通常用的屋面坡度为1/3。,单层刚架结构的截面形式 刚架杆件的截面应随其内力大小而相应变化（
13、截面h变化），这样，可以充分发挥材料性能，节约材料，减轻自重，外形美观。,钢刚架节点构造,砼刚架节点连构造,刚架铰节点构造,顶铰节点的构造,钢柱脚-铰支座形式,浇入素混凝土保护地脚锚栓,钢筋砼柱脚铰支座形式,单层刚架结构的布置是十分灵活的，它可以是平行布置、辐射状布置或以其他的方式排列，形成风格多变的建筑造型,结构布置时，平面刚架的侧向稳定是值得重视的问题。 当多榀刚架平行布置时，在结构纵向实际上为几何可变的铰接四边形结构。因此，为保证结构的整体稳定性，应在纵向柱间布置连系梁及柱间支承，同时在横梁的顶面设置上弦横向水平支承，柱间支承和横梁上弦横向水平支承宜设置在同一开间内。 对于独立的刚架结构
14、，如人行天桥，应将平行并列的两榀刚架通过垂直和水平剪刀撑构成稳定牢固的整体。为把各榀刚架连成整体、可将并列的刚架横梁改成相互交叉的斜横梁，这实际上形成了空间结构体系。,支撑系统 纵向柱间设置柱间支撑和联系； 横梁顶面设置上弦横向水平支撑； 支撑系统应设置在同一开间内。,中国农业大学体育馆,中国农业大学体育馆,轻型房屋钢结构体系：,在传统观念中，一般指由圆钢、小角钢（454及56364以下）组成的小型或小跨度屋架、钢架结构，采用砖墙、混凝土墙板和屋面板，多用于小型厂房、仓库或临时建筑。 随着冷弯薄壁型钢和彩色压型钢板等新型围护结构和材料的出现，其概念已发生根本性变革，与传统钢结构相比，其“轻”主
15、要体现在:,采用轻质围护结构，大大减轻恒载，整体结构自重轻； 采用标准化、自动化生产构件，现场装配，施工进度快； 广泛用于大中小跨度、工业与民用建筑，空间布置灵活，建筑造型轻； 可回收，符合环保及可持续发展原则。,压型彩色钢板（板壁厚0.41.5mm）,冷弯薄壁型钢 （壁厚1.55mm）,轻型门式刚架结构与一般普通钢结构相比，具有以下技术特征： 结构构件的横截面尺寸较小，可以有效地利用建筑空间，降低房屋的高度，建筑造型美观。 门式刚架的刚度较好，自重轻，横梁与柱可以组装，为制作、运输、安装提供了有利条件。 屋面刚架用钢量仅为普通钢屋架用钢量的1/51/10(2050kg/m2)，是一种经济可靠
16、的结构形式。,山墙抗风柱,吊车梁,天窗架,轻钢结构工业厂房,正在建设中的多层轻钢结构厂房,屋面板采用压型钢板，波浪造型的轻钢结构。屋面梁轻盈、活泼，克服了工业建筑造型单一、立面造型呆板的缺点。,压型钢板外墙板,主要承重骨架门式刚架（轻钢结构骨架） 檩条、墙梁冷弯薄壁型钢 屋面、墙面压型金属板、彩钢夹芯板 屋面及墙面保温芯材聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨 酯泡沫塑料、岩棉等 支撑屋面支撑、柱间支撑,轻型门式刚架结构的组成：,单层轻型钢结构厂房的组成,轻型门式刚架结构的特点：,重量轻(2050kg/m2) 工业化程度高、施工周期短 柱网布置灵活 综合经济效益高,檩条和墙梁的布置： 檩条：一般应等间距布置，但在屋脊处应沿屋脊两侧各布置一道，在天沟附近布置一道 。,屋面檩条布置实例,墙梁：墙梁的布置，应考虑设置门窗、挑檐、遮雨篷等构件和围护材料的要求。 门式刚架轻型房屋钢结构的侧墙，在采用压型钢板作围护面层时，墙梁宜布置在刚架的外侧，其间距随墙板板型及规格而定。,