第八章单层刚架结构 ppt课件

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• 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。
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5、温度变化
❖对静定结构（三铰刚架）无影响
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6、支座位移
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8.2 单层刚架结构的型式
• 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
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结构，材料强度不
能充分发挥作用，结构自重较大，跨度受限。
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门式刚架
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排架
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钢框架
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• 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
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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
（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。
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钢 刚 架 节 点 构 造
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砼 刚 架 节 点 连 构 造
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顶铰节点的构造
刚 架 铰 节 点 构 造
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钢柱脚-铰支座形式
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浇入素混凝土 保护地脚锚栓
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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。
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• 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。
• 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。
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• 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。
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• 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。
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– 竖向荷载作用下 • k→∞，接近简支梁； • k→0， 接近两端固定的梁。
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– 顶端水平荷载作用下 • k→∞，接近单层框架； • k→0， 接近单层排架。
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实腹式刚架
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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1/12~1/20。
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。
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• 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
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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。
第八章
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❖ 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。
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是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
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钢筋砼柱脚铰支座形式
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❖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
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❖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，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。
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8.1 单层刚架结构的种类与受力特点
• 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
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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。
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B、格构式刚架： 优点：刚度大，节约材料。
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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1/15~1/20，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。预应力拉 杆可布置在支座铰的平面内，既可布置在刚架 横梁内仅对横梁施加预应力，也可对整个刚架 施加预应力。
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”主要体现在:
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➢ 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；
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• 刚架随铰位的变化--结构内力不同
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与排架相比：在竖向荷载作用下，由于柱对梁的 约束作用，减少了梁跨中的弯矩和挠度。
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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。
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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%。
笨，没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
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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。
• 按构件截面分类
– 实腹式、空腹式平顶、坡顶、拱顶、单跨、多跨
• 按施工技术 – 预应力刚架、非预应力刚架
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• 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。
➢ 可回收，符合环保及可持续发展原则。
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压型彩色钢板（板壁厚0.4～1.5mm）
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冷弯薄壁型钢 （壁厚1.5～5mm）
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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。
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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）
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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）。
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• 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。
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中国农业大学体育馆
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中国农业大学体育馆
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轻型房屋钢结构体系：
在传统观念中，一般指由圆钢、小角钢 （∟45×4及∟56×36×4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。
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• 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。
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三种门式刚架受力比较：
无铰刚架
两铰刚架 三铰刚架
三种不同型式的刚架弯矩图
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• 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，地基条件较差时慎用。
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。
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预应力钢筋可通长布置，也可分段布置。
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• 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）。
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• 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。
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• 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。
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8.3 单层刚架结构的构造与布置
• 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，立柱的刚度比横梁的刚度大很 多时，边缘应力急剧增加。
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3、钢筋混凝土 刚架：适用于 L≤18m，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。
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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。
• 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生 内力。
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• 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。
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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。
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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。
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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：空心截面杆件和杆件上留洞。
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