结构选型3-4课件

第三章单层刚架结构刚架结构是指梁、柱之间为刚性连接的结构；当梁与柱之间为铰接的单层结构，一般称为排架，多层多跨的刚架结构则常称为框架，单层刚架也称为门式刚架。单层刚架为梁柱合一（刚性连接）的结构，其内力小于排架结构，梁柱截面高度小，造型轻巧，内部净空较大，故被广泛应用于中小型厂房、体育馆、礼堂、食堂等中小跨度的建筑中。但与拱相比，刚架仍然属于以受弯为主的结构，材料强度不能充分发挥作用，这就造成了刚架结构自重较大，用料较多，适用跨度受到限制。刚架结构与排架结构的比较刚架结构的受力优于排架结构，因刚架梁柱节点处为刚接，在竖向荷载作用下，由于柱对梁的约束作用而减小了梁跨中的弯矩和挠度。在水平荷载作用下，由于梁对柱的约束作用减少了柱内的弯矩和侧向变位。因此，刚架结构的承载力和刚度都大于排架结构。

第一节、单层刚架结构的受力特点

一、约束条件对结构内力的影响单层单跨刚架的结构计算简图，按构件的布置和支座约束条件可分成无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架三种。

一、约束条件对结构内力的影响在单层单跨刚架结构中，无铰刚架为三次超静定结构，刚度好，结构内力小，但对基础和地基的要求较高。因柱脚处有弯矩、轴向压力和水平剪力共同作用于基础，故基础用料较多。由于其超静定次数高，当地基发生不均匀沉降时，将在结构内产生附加内力，所以在地基条件较差时宜慎用。两铰刚架为一次超静定结构，在竖向荷载或水平方向荷载作用下，刚架内弯矩均比无铰刚架大。两铰刚架在基础处为铰支承，故当基础有转角时，对结构内力没有影响，但当两柱脚发生不均匀沉降时，则将在结构内产生附加内力。三铰刚架为静定结构，地基的变形或不均匀沉降对结构内力没有影响，但三铰刚架刚度较差，内力大，故一般适用于跨度较小或地基较差的情况。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。二、梁柱线刚度比对结构内力的影响三、高跨比的合理选定门式刚架的跨度与柱高的比例问题，即高跨比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。温度变化、支座移动对结构内力的影响第二节单层刚架结构的型式单层刚架结构的型式从受力条件看，可分为无铰钢架、两铰钢架、三铰钢架；从结构材料看，有胶合木结构、钢结构、砼结构；从构件截面看，可分为实腹式刚架、空腹式刚架、格构式刚架、等截面与变截面；从建筑体型看，有平顶、坡顶、拱顶、单跨与多跨；从施工技术看，由预应力刚架和非预应力刚架。一、胶合木结构胶合木结构有很多优点，它不受原木尺寸限制，可用短薄的板材拼接成任意合理截面形式的构件，可剔除木节等缺陷以提高强度；具有较好的防腐和阻燃性能。二、钢刚架结构钢刚架结构可分为实腹式和格构式两种。实腹式刚架用于跨度不很大的结构，常做成两铰式结构。外形比较美观，制造安装方便。实腹式刚架的横梁高度一般可取跨度的1/12~1/20。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1/30~1/30，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。钢刚架（实腹式）钢刚架（格构式）格构式刚架结构的适用范围较大，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1/15~1/20，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。三、钢筋砼刚架钢筋砼刚架一般适用跨度不超过50m、檐高不超过10m的无吊车或吊车起重量不超过100KN的建筑中。构件的截面形式一般为矩形，也可用工字形。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。一般是宽度不变而高度呈现性变化。对于两铰或三铰刚架，立柱上大下小，横梁为直线边截面。四、预应力砼刚架为了提高结构刚度，减小杆件截面，可采用预应力砼刚架。预应力钢筋的位置，应根据竖向荷载作用下刚架结构的弯矩图，布置在构件的受拉部位。砼刚架预应力筋的布置第三节单层刚架结构的构造与布置一、单层刚架结构的外形单层刚架结构可为平顶、坡顶或拱顶，可为单跨或多跨连续。刚架横梁的坡度主要由屋面材料及排水要求确定。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。钢

刚

架

节

点

构

造砼

刚

架

节

点

连

构

造刚

架

铰

节

点

构

造钢筋砼柱脚铰支座形式单层刚架结构的布置单层刚架结构的布置是十分灵活的，它可以平行布置，辐射状布置或以其他形式排列，形成风格多变的建筑造型。刚

架

结

构

布

置刚架结构的支撑系统工程实例1刚架工程实例2刚架工程实例3刚架工程实例4本章小结门式刚架是在中小跨度的单层工业建筑和公共建筑中得到较为广泛应用的一种平面结构体系。根据铰位设置的不同，可分为无铰刚架、两饺刚架和三铰刚架等三种型式。前两者是超静定结构，后者是静定结构。目前较常见的是钢筋混凝土门式刚架和钢结构门式刚架。门式刚架的类型不同，它们的受力特点不同，性能也有差异，决定了各自的适用范围。在进行结构选型时应根据建筑物的功能要求，环境荚学的考虑，以及经济指标，通过方案比较，合理选择门式刚架的外形和类型、材料、截面尺寸、构造做法。思考题与习题1、平面门式刚架与平面捧架结构的节点构造有什么不同?这对它们的内力状态有什么影响?2、平面门式刚架可分为哪几种主要类型?它们的适用范围是什么?3、试观察你所能遇到的平面门式刚架的工程实例，注意它们的外形尺寸。构件的截面形式、使用的材料，以及建筑物的用途和功能要求．第四章拱式结构拱结构的优点与缺点：拱结构比桁架结构具有更大的力学优点，因为桁架结构从整体来看还是相当一个受弯构件（弦杆承受弯矩，腹杆承受剪力），而拱结构的受力状态发生了与梁结构根本不同的受力改变。梁结构是受弯为主，拱结构已根本不是受弯了。拱在外荷载作用下，主要产生压力，如果用抗压性能较好的材料（如砖石或钢筋砼）去做拱，正好利用发挥材料的抗压有利性能。拱结构是使结构摆脱弯曲变形的一种突破性发展，因此，拱结构比桁架结构的力学优点更加显著。但是，拱结构的支座（拱脚）会产生水平推力，跨度大时这个推力不小，要对付这个推力将是一件麻烦而又耗费材料的事，故实际应用上，桁架还是比拱用的更普遍。第一节拱的受力特点按结构支承方式分类，拱可分成三铰拱、两铰拱和无铰拱三种。一、支座反力一、支座反力由以上分析可知：1、在竖向荷载作用下，拱脚支座内将产生水平推力。2、在竖向荷载作用下，拱脚水平推力的大小等于相同跨度简支梁在相同竖向荷载作用下所产生的相应于顶铰C截面上的弯矩Mc除以拱的矢高fc。即：3、当结构跨度与荷载条件一定时（Mc为定值），拱脚水平推力(Ha=Hb)与拱的矢高f成反比。二、拱身截面的内力1、拱身内的弯矩小于跨度相同荷载作用下简支梁内的剪力。2、拱身截面内的剪力小于相同跨度相同荷载作用下简支梁内的剪力。3、拱身截面内存在有较大的轴力，而简支梁中是没有轴力的。（用轴力承担外荷载，这是拱式结构比梁式结构受力合理的地方）三、水平推力由竖向承重结构承担第三节拱式结构的型式从力学计算简图看，可分成无铰拱、两铰拱、三铰拱；按应用材料分类，由钢筋砼结构、钢结构、胶合木结构、砖石砌体结构；从拱身截面看，有格构式和实腹式，等截面和变截面。一、钢结构拱（实腹式、格构式）二、钢筋混凝土拱第四节拱式结构的选型一、结构支承方式拱可分成无铰拱、两铰拱、三铰拱。三铰拱为静定结构，由于跨中存在着顶铰，使拱本身和屋盖结构构造复杂，因而较少采用。两铰拱和无铰拱均为超静定结构，两铰拱的优点是受力合理、用料经济、制作和安装比较简单，对温度变化和地基变形的适应性较好，目前较为常用。无铰拱受力最为合理，但对支座要求高，当地基条件较差时，不宜采用。二、拱的矢高（重点）1、矢高应满足建筑使用功能和建筑造型的要求。拱的矢高直接决定拱的外形，因此矢高必须满足建筑造型的要求。2、矢高的确定应使结构受力合理（合理控制）。3、矢高应满足屋面排水的要求。三、拱轴线方程设计要求根据荷载选定一条合理的拱轴线，但荷载是随时变化的，因此只能根据主要的荷载组合，确定一个相对合理的拱轴线方程，使拱身主要承受轴力，减少弯矩。例如对于大跨度公共建筑的屋盖结构，合理的拱轴线方程为：三、拱轴线方程从上式可看出当时，拱轴形式即为半圆，半圆拱的水平推力为零，称“无推力拱”。拱而无推力，受力是经济合理的。但半圆拱的矢高为跨度的一半，大跨度时显得非常高耸，故很少用于建筑屋盖上。合理矢高的大小：用于屋盖上：拱

式

结

构

的

布

置拱式结构的布置

拱式结构的支撑系统工程实例1工程实例2工

程

实

例

3工程实例4本章小结拱是一种古老的结构形式，它有利于充分发挥抗压材料的特性，建造较大跨度的建筑物或桥梁等。水平推力的平衡是影响拱结构选型的一个重要问题，拱推力和拱的矢高成反比，拱越高，椎力越小。按结构组成和支承方式分类，拱有无铰拱、两铰拱和三铰拱，无拉杆拱和有拉杆拱之分，它们的特性不同，适用范围也不同。拱轴形式和矢高的选择，必须根据