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1、单层刚架结构体系在本小节中我们要给大家介绍单层刚架结构体系的组成、优缺点及适用范围；单层刚架结构体系的合理布置原则及及受力特点。刚架:凡是梁、柱之间为刚性连接的结构，统称为刚架。单层刚架也称为门式刚架。门式刚架外形有水平横梁式和折线横梁式两种，它的选择主要服从建筑排水和建筑造型的考虑。单层刚架为梁柱合一的结构，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。一、门式刚架的结构特点、种类与适用范围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
2、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，如图1-13所示。因此，刚架结构的承载力和刚度都大于排架结构，故门式刚架能够适用于较大的跨度。图113 刚性连接与铰接的弯矩比较a)排架结构 b）无铰刚架 c)两铰刚架 d）三铰刚架门式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三种:（1）无铰刚架（2）两铰刚架（3）三铰刚架（1）钢筋混凝土无铰刚架（图1-13b）无铰刚架和排架相比，当跨度和荷载相同，且跨度不大于18m时，刚架比排架结构轻巧，可节省钢材约10，混凝土约20。无铰刚架和两铰刚架、三铰刚架相比，前者基础承受弯矩较大，因此基础大、耗料多，不够经济；此外，由于这种刚架
3、属于超静定结构，和三铰刚架相比，对地基的不均匀沉降和温度变化引起的内力变化较大。所以地基条件较差时，必须考虑其影响。（2）钢筋混凝土两铰刚架（图1-13c）两铰刚架也是超静定结构，对地基不均匀沉降引起的结构内力也必须考虑，但两铰刚架基础材料用量较少和三铰刚架相比，其结构刚度较大，所以适用跨度较大。（3）钢筋混凝土三铰刚架（图1-13d）三铰刚架为静定结构。当基础有不均匀沉降时，对结构不引起附加内力。但是当跨度较大时，半榀三铰刚架的悬臂太长，吊装内力较大，而且三铰刚架的刚度也较差，所以它适用于跨度较小及地基较差的情况。由于门式刚架的杆件较少，制作方便，而且结构内部空间较大，便于利用，所以它广泛用
4、于工业厂房和体育馆、礼堂、食堂等建筑。钢筋混凝土门式刚架的跨度可达40m左右，最适宜是18m左右。由于门式刚架刚度较差，受荷后产生挠度，故用于工业厂房时，吊车起重量不宜超过10t。门式刚架的分类:1.从构件材料看，可分成钢结构、混凝土结构；2.从构件截面看，可分成实腹式刚架、空腹式刚架、格构式刚架、等截面与变截面；3.从建筑型体看，有平顶、坡顶、拱顶、单跨与多跨（图1-14）；4.从施工技术看，有预应力刚架和非预应力刚架。图114单层刚架的形式1.钢刚架结构钢刚架结构可分为实腹式和格构式两种（图1-15）。国外多采用热轧H形或其他截面形式的型钢，可减少焊接工作量，并能节约材料。图115 格构式
5、刚架结构及实腹式双铰刚架格构式刚架结构的适用范围较大，且具有刚度大、耗钢省等优点。当跨度较小时可采用三铰式结构，当跨度较大时可采用两铰式或无铰结构。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，也可布置在刚架横梁内仅对横梁施加预应力，也可对整个刚架结构施加预应力。2.钢筋混凝土刚架钢筋混凝土刚架一般适用于跨度不超过18m、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，也可采用工字形截面。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
6、变，一般是截面宽度不变而高度呈线性变化。对于两铰或三铰刚架，立柱上大下小，为楔形构件，横梁为直线变截面，如图116所示。图116 广州体育馆，钢筋混凝土刚架结构钢筋混凝土刚架的杆件一般采用矩形截面，也可采用I字形截面。其截面尺寸为：（1）梁高可按连续梁确定，一般取h=（1/151/20）l ，但不宜小于250mm;（2）柱底截面高度hl，一般不小于300mm；柱顶截面高度为 (23) hl；（3）梁柱截面宽度b(钢架厚度)，应保证屋面构件的搁置长度，并应满足平面外刚度的要求，一般取bH/30(H为柱高)，且b200mm;（4）横梁的加腋长度一般取自柱边算起为(0.150.25)l ；（5）拱式
7、门架的起拱高度（矢高）f，一般取为（1/91/7）l 。1.结构布置刚架结构为平面受力体系，当多榀刚架平行布置时，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撑，同时在横梁的顶面设置上弦横向水平支撑。柱间支撑和横梁上弦横向水平支撑宜设置在同一开间内，如图117所示。刚架的纵向柱距一般为6m，横向跨度以m为单位取整数，一般为3m的整倍数，如24m、27m、30m以至更大的跨度。其跨度由工艺条件确定，同时兼顾经济的考虑。图117 刚架结构的支撑（1）等间距、等跨度的结构布置方案一般情况下，矩形平面建筑都采用等间距、等跨度的刚架布置方案。（2）主次结构在置方案奥地利维也纳市大会堂（图118
8、）供体育、集会、电影、戏剧、音乐、文艺演出、展览等活动用的多功能大厅。其平面呈八角形，东西长98m，南北长109m，最大容量为15400人。屋盖的主要承重结构是中距为30m的两榀东西向93m跨的双铰门架，矢高7m，门架顶高28m。其上支承8榀全长105m的三跨连续桁架。图1-18 奥地利维也纳市大会堂（3）门式刚架的高跨比门式刚架的高度与跨度之比，决定了刚架的基本型式，也直接影响结构的受力状态。设想有一条悬索在竖向均布荷载作用下，在平衡状态将形成一条悬垂线即所谓的索线，这时悬索内仅有拉力。将索上下倒置，即成为拱的作用，索内的拉力也变成为拱的压力，这条倒置的索线即为推力线。图1-19给出了三铰刚
9、架和两铰刚架的推力线及其在竖向均布荷载作用下的弯矩图。从结构观点看，由于刚架高度的减小将使支座处水平推力增大;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比较合理。图1-19 刚架的跨高比对内力的影响2. 刚架节点的连接构造刚架结构的形式较多，其节点构造和连接形式也是多种多样的，但其设计要点基本相同。设计时既要使节点构造与结构计算简图一致，又要使制造、运输、安装方便。（1）钢刚架节点的连接构造门式实腹式刚架，一般在梁柱交接处及跨中屋脊处设置安装拼接单元，用螺栓连接。拼接节点处，有加
10、腋与不加腋两种。在加腋的形式中又有梯形加腋与曲线形加腋两种，通常多采用梯形加腋，如图120所示。加腋连接既可使截面的变化符合弯矩图形的要求，又便于连接螺栓的布置。图120 实腹式刚架的拼接节点（2）钢筋混凝土刚架节点的连接构造在实际工程中，大多采用预制装配式钢筋混凝土刚架。刚架拼装单元的划分一般根据内力分布决定，应考虑结构受力可靠，制造、运输、安装方便。一般可把接头位置设置在铰接节点或弯矩为零的部位，把整个刚架结构划分成形 、Y形拼装单元，如图121所示。单跨三铰刚架可分成两个“ ”形拼装单元，铰结点设在基础和顶部中间拼接点部位。两铰刚架的拼接点一般设在横梁零弯点截面附近，柱与基础连接处做成铰
11、结点；多跨刚架常采用“ ”形和“Y”形拼装单元，见图121。刚架承受的荷载一般有恒载和活载两种。在恒载作用下弯矩零点的位置是固定的，在活载作用下，对于各种不同的情况，弯矩零点的位置是变化的。因此，在划分结构单元时，接头位置应根据刚架在主要荷载作用下的内力图确定。图121 刚架拼装单元的划分 我国某地曾拟建中型民航客机的维修车间。修理“伊尔一24”和“安一24”型客机。机身长24m，翼宽32m，尾高 8.4m，桨高5.1 m。机翼距地3m。设计过程曾做三种结构方案比较，如图122所示。图122某民航客机维修车间设计三种方案（a）桁架方案 （b）悬索方案 （c）刚架方案（1）桁架方案机尾高8.4m, 屋架下弦不能低于8.8m。由于建筑形式与机身的形状尺寸不相适应，使整个厂房普遍增高，室内空间不能充分利用。因此，这个方案不经济。（2）双曲抛物面悬索方案这个方案的特点是：建筑形式符合机身的形状尺寸，建筑空间能够充分利用。但是跨度较小，采用悬索方案不经济，要求高强度的钢索，材料价格高；同时对施工条件和技术的要求较高，因此这个方案不宜采用。（3）刚架结构方案这个方案的特点是，不仅建筑形式符合机身的形状尺寸，尾部高，两翼低建筑空间能够充分利用；而且对材料和施工都没有特别要求。根据本工程的具体条件，选用了刚架结构方案，见图1-22c。
