第3章 单层刚架结构

3.1 单层刚架结构的受力特点
3.1.3门式刚架的高跨比对结构内力的影响
1、悬索线倒置---即拱的推力线 2、刚架高度的减少将使支座处的水平推力增大
3.1 单层刚架结构的受力特点
3.1.4 结构构造对结构内力的影响
构造措施改变内力：在支座处设水平拉杆，平衡刚架节点处的弯矩； 墙体外挂减少横梁跨中弯矩； 用支座反力对柱轴线的偏心距对刚架横梁产生负弯矩
预应架结构的构造与布置 3.3 单层刚架结构的构造与布置
3.3.1 刚架结构的外形： 1、屋顶：平顶、坡顶、拱顶; 2、跨数：单跨、双跨、多跨； 3、屋面坡度：坡顶瓦材防水时，取跨高比为1/3 4、屋面材料：石棉水泥瓦、瓦楞铁、压型钢板 5、屋顶设置：采光通风天窗、通风屋脊、采光带
3.3 单层刚架结构的构造与布置 3.3 单层刚架结构的构造与布置
3.3.3 刚架铰节点的构造
刚架铰节点：顶铰和支座铰 应满足力学中完全铰的要求
3.3 单层刚架结构的构造与布置 3.3 单层刚架结构的构造与布置
3.3.4 刚架柱脚支座构造
钢刚架柱脚： 板式铰---反力不大时 臼式铰---反力大时、受力性能好、造价高、构造复杂 平衡铰---反力大时、受力性能好、造价高、构造复杂 混凝土刚架柱脚： 现浇式：交叉钢筋或垂直钢筋及基础边缘油毛毡、麻 刀所做的垫板 预制式：基础做杯口、上柱插入、沥青麻丝嵌缝
3.1 单层刚架结构的受力特点
3.1.2梁柱线刚度比对结构内力的影响
1、当梁的线刚度比柱的大很多时，柱对梁端的转动约束作用很小，梁类 似简支梁 2、当梁的线刚度比柱的小很多时，柱约束梁端发生转动，柱对梁相当于 固定端，梁相当于两端固定梁 3、当两端柱的刚度不等时，柱刚度大的一侧梁端负弯矩大
3.1 单层刚架结构的受力特点
3.1 单层刚架结构的受力特点 3.1 单层刚架结构的种类与受力特点 刚架随铰位不同化--结构内力不同
两铰刚架 三铰刚架
无铰刚架
3.1 单层刚架结构的受力特点 外形相同的排架结构与门式刚架在竖向均布荷载作 用下受力比较
在竖向均布荷载作用下刚架与排架弯矩图
3.1 单层刚架结构的受力特点
外形相同的排架结构与门式刚架在水平荷载作用下 受力比较
3.4 单层刚架结构的工程实例 3.3 单层刚架结构的构造与布置
2.中国国家体育场---鸟巢 由一些列辐射状门式钢桁架围绕碗状坐席区旋 转随意编织而成的独特的空间结构。结构科学、 简洁，设计新颖独特。其主体结构材料为钢结构。 由于辐射式门架不是一条合理的曲线，在构件上 同样会产生剪力和轴力，因此，用钢量较大。
3.1 单层刚架结构的受力特点
3.1.5温度变化对结构内力的影响
温度变化对结构内力的影响：温度变化对静定结构没有 影响，但在超静定结构中将产生内力---热胀冷缩效应
3.1 单层刚架结构的受力特点
3.1.6 支座移动对结构内力的影响
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。
3.4 单层刚架结构的工程实例 3.3 单层刚架结构的构造与布置
3.4 单层刚架结构的工程实例 3.3 单层刚架结构的构造与布置
国家体育场“鸟巢”是2008年北京奥运会主体育场, 共设 10万个座席(其中8万个是永久性的，2万个是可拆卸的) ，总投 资超过30亿。设计由曾获2001年普利茨克奖的赫尔佐格.德梅隆 与中国设计师合作完成，形似孕育生命的“巢”，也像一个摇 篮，它寄托着人们对未来的希望。
实腹式刚架
格构式刚架
3.2 单层刚架结构的型式
3.2.2 按材料分类 3）钢筋混凝土刚架：适应于跨度不大于18米，檐口高度不 大于10米的无吊车或吊车荷载不大于100KN的建筑中，最大跨 度可达30米。构件截面一般为矩形亦可工字形，截面高度线性
变化，节点处截面最大。
实腹式刚架
3.2 单层刚架结构的型式
① 平顶刚架； 按建筑形体分为： ② 坡顶刚架； ③ 拱顶刚架； ④ 单跨和多跨刚架；
3.2 单层刚架结构的型式
总结： 1、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。
3.2 单层刚架结构的型式
3.1.2梁柱线刚度比对结构内力的影响
1、当梁的线刚度比柱的大很多时，梁作为刚体平移，梁柱节点无转动， 柱子上下端只有相对平移而无相对转动，柱反弯点在柱高的中点 2、当梁的线刚度比柱的小很多时，梁不能约束柱端发生转动，梁相当于 两端铰接的连杆，结构内力分布类似排架 3、当两端柱的刚度不等时，则刚度大的柱承受较大的侧向剪力和弯矩
2、平面布置： 一般情况下，矩形平面建筑物都采用等间距、等跨度 的平行刚架布置方案。
3.2 单层刚架结构的型式
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（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。
3.2 单层刚架结构的型式
3.2.2 按材料分类
3.3 单层刚架结构的构造与布置 3.3 单层刚架结构的构造与布置
3.3.6 刚架结构的支撑系统
3.4 单层刚架结构的工程实例 3.3 单层刚架结构的构造与布置
工程实例： 1、中国农业大学体育馆
中国农业大学体育馆
3.4 单层刚架结构的工程实例 3.3 单层刚架结构的构造与布置
中国农业大学体育馆
构，常做成两铰式刚架。
B、格构式刚架： 优点：刚度大， 节约材料；
3.2 单层刚架结构的型式
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。 为充分发挥材料的作用，可在支座水平面内设拉杆，并施加预 应力使刚架横梁产生卸荷力矩及反拱。横梁高度为跨度的 1/20~1/12，刚架转折处可圆弧过度或设加劲肋。
3.2 单层刚架结构的型式
格构式: 适应范围较大，具有刚度大、耗钢省等优点。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。梁高可取跨度的1/20~1/15。
3.2 单层刚架结构的型式
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。 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。
3.2 单层刚架结构的型式
案例
3.2 单层刚架结构的型式
3.2.2 按材料分类 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。
3.2 单层刚架结构的型式
预应力钢筋布置：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）。
第三章 单层刚架结构 刚架：梁、柱之间为刚性连接的结构，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；
刚架结构
排架结构
框架结构
第三章 单层刚架结构
门式刚架
第三章 单层刚架结构
排架
第三章 单层刚架结构
钢框架
第三章 单层刚架结构
3.1 单层刚架结构的结构特点：
3.3 单层刚架结构的构造与布置 3.3 单层刚架结构的构造与布置
3.3.2 刚架节点连接构造：
1、钢刚架节点连接： 形式：刚接或铰接 方式：栓接或焊接 接头位置：一般为节点处 措施：节点板、加腋、加劲肋、加劲杆、曲线 过度等 2、混凝土刚架节点连接： 形式：刚接或铰接 方式：栓接、焊接、预埋工字钢接头 接头位置：铰节点或弯矩为零的部位 措施：把刚架划分为L形、F形、Y形的拼装单元 注：铰接时刚架横梁弯矩较大，梁截面较大；固接时刚 架横梁截面较小，基础较大。
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
3.2 单层刚架结构的型式
3.2.2 按材料分类
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
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。
3.1 单层刚架结构的受力特点
3.1.2梁柱线刚度比对结构内力的影响
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
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。 从内力图看，三种铰位不同的刚架各有特点：
3.1 单层刚架结构的受力特点
3.1.1约束条件对结构内力的影响 1、无铰刚架：柱脚与基础固结，为超静定（三次）
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）； 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）。