第三章--单层刚架结构课件

第第2 2章教学内容复习章教学内容复习1.1.桁架的结构特点：桁架的结构特点：桁架结构桁架结构受力合理、计算简单、施工方便、受力合理、计算简单、施工方便、适应性强，不会对支座产生横向水平推力适应性强，不会对支座产生横向水平推力，常用来作为，常用来作为屋盖承重结构，屋盖承重结构，也常称为也常称为屋架。屋架。缺点是缺点是结构高度大，侧向刚度小。结构高度大，侧向刚度小。尤其是尤其是钢桁架，钢桁架，由于其由于其杆件截面小，杆件截面小，上弦平面外（侧向）刚度更小、稳定性更差，难以抵抗侧向力，上弦平面外（侧向）刚度更小、稳定性更差，难以抵抗侧向力，需要需要设置足够多设置足够多支撑以提高侧向稳定性。支撑以提高侧向稳定性。2.2.桁架的力学特点：桁架的力学特点：桁架的桁架的上弦受压、下弦受拉，腹杆受拉或受上弦受压、下弦受拉，腹杆受拉或受压，使材料的强度可以得到充分的发挥。压，使材料的强度可以得到充分的发挥。3.3.桁架的类型和应用：桁架的类型和应用：三角形桁架，梯形屋架、抛物线屋架、折三角形桁架，梯形屋架、抛物线屋架、折线型屋架、平行弦屋架等。还有立体桁架和刚接桁架等特殊形式。线型屋架、平行弦屋架等。还有立体桁架和刚接桁架等特殊形式。桁架的跨度可达数十米。桁架的跨度可达数十米。矩形桁架各个节间杆件的受力矩形桁架各个节间杆件的受力4.4.不同类型桁架的受力特点和应用：不同类型桁架的受力特点和应用：（1 1）矩形桁架：）矩形桁架：上下弦杆在跨中节间轴力大、靠近支座上下弦杆在跨中节间轴力大、靠近支座处轴力较小或为零。而各腹杆的轴力，都是跨中小而支座处轴力较小或为零。而各腹杆的轴力，都是跨中小而支座处大，其值变化较大。处大，其值变化较大。（2 2）三角形桁架：）三角形桁架：上下弦杆内力在跨中节间最小，而在上下弦杆内力在跨中节间最小，而在靠近支座处最大。斜腹杆和竖腹杆的受力都是跨中大，支靠近支座处最大。斜腹杆和竖腹杆的受力都是跨中大，支座处小。座处小。（3 3）折线型桁架：）折线型桁架：上下弦杆各的轴力大小接近或相等。上下弦杆各的轴力大小接近或相等。腹杆内力全部为零。腹杆内力全部为零。三角形桁架和折线形桁架各个节间杆件的受力三角形桁架和折线形桁架各个节间杆件的受力5.5.新型桁架形式和应用新型桁架形式和应用（1 1）轻型钢屋架）轻型钢屋架 三铰拱轻钢屋架由两根斜梁和一根三铰拱轻钢屋架由两根斜梁和一根拉杆组成，斜梁有平面桁架式和空间桁架式两种。拉杆组成，斜梁有平面桁架式和空间桁架式两种。（2 2）立体桁架）立体桁架截面形式可为矩形、正三角形、倒三角形。（3 3）刚接桁架）刚接桁架由于使用功能上或由于建筑造型上的要求，需要桁架结构取消斜腹杆，仅有竖腹杆，必须采用刚结桁架。梁柱合一的构件之一梁柱合一的构件之一单层刚架单层刚架第3单元 第3章刚架结构是指由刚架结构是指由横梁和柱子横梁和柱子组成，并且梁和柱之间的约束关系为组成，并且梁和柱之间的约束关系为刚性刚性连接连接的的格架式格架式结构。结构。特例：特例：当梁柱间为当梁柱间为铰接铰接的的单层结构单层结构 (无论单跨、多跨无论单跨、多跨)，一般称做，一般称做排排架。架。单层刚架单层刚架(无论单跨、多跨无论单跨、多跨)形似大门，故称形似大门，故称门架。门架。多层刚架多层刚架(无论单跨、多跨无论单跨、多跨)刚架结构则常被称为刚架结构则常被称为框架框架。梁加柱刚接格架式梁加柱铰接单层格架式图图3.1 3.1 单层刚架结构构件解剖图单层刚架结构构件解剖图单层刚架单层刚架刚架刚架图图3.2 3.2 单层刚架结构构件组成透视图单层刚架结构构件组成透视图刚接刚接刚架梁刚架梁刚架柱刚架柱刚接刚接图图3.2 3.2 单层刚架结构构件组成外形图单层刚架结构构件组成外形图刚架梁刚架梁刚架柱刚架柱刚接刚接可平可平可斜可斜可曲可曲可直可直可斜可斜可变可变单层刚架为梁柱合一结构，梁柱之间的单层刚架为梁柱合一结构，梁柱之间的铰接变为刚接铰接变为刚接，这一小小的改，这一小小的改变，造成梁柱间相互变，造成梁柱间相互传递弯矩传递弯矩，其工程意义在于，在同样受力下，刚刚架内力小于排架的架内力小于排架的，梁柱截面高度变小，梁柱截面高度变小，造型轻巧，内部净空较大，造型轻巧，内部净空较大，故被广泛应用于故被广泛应用于中等跨度的建筑中等跨度的建筑，例如广房、体育馆、礼堂、食堂等。铰接变为刚接，属于单梁结构的改良模式之一。技术途径叫铰接变为刚接，属于单梁结构的改良模式之一。技术途径叫“协助抗协助抗弯，共同承担。弯，共同承担。”但与拱相比，刚架仍然属于以受弯为主的结构，材料强度没有完全发但与拱相比，刚架仍然属于以受弯为主的结构，材料强度没有完全发挥作用，造成刚架结构自重仍较大，用料较多，适用跨度受到一定的挥作用，造成刚架结构自重仍较大，用料较多，适用跨度受到一定的限制。限制。a a 排架弯矩图样排架弯矩图样b b 门架弯矩图样门架弯矩图样图图3.3 3.3 排架与刚架的受力比较排架与刚架的受力比较同学们请认真观察下面两个图片，读懂它就会明白刚架的奥妙所在。同学们请认真观察下面两个图片，读懂它就会明白刚架的奥妙所在。图图3.4 3.4 单层刚架结构内部空间示意图单层刚架结构内部空间示意图图图3.5 3.5 单层刚架结构骨架安装示意图单层刚架结构骨架安装示意图图图3.6 3.6 单层刚架结构外墙屋面安装示意图单层刚架结构外墙屋面安装示意图图图3.7 3.7 单层刚架在桥梁中的应用单层刚架在桥梁中的应用图图3.8 3.8 单层刚架结构厂房应用单层刚架结构厂房应用第一节 单层刚架结构的受力特点 一、约束条件对结构内力的影响一、约束条件对结构内力的影响单层单跨刚架按构件的布置和单层单跨刚架按构件的布置和支座约束支座约束条件不同分成条件不同分成无铰刚架、两铰无铰刚架、两铰刚架、三铰刚架刚架、三铰刚架三种。三种。刚架结构的受力优于排架结构，因刚架梁柱节点处为刚架结构的受力优于排架结构，因刚架梁柱节点处为刚接刚接，首先在竖，首先在竖向荷载作用下，由于柱对梁的向荷载作用下，由于柱对梁的约束作用约束作用而减小了而减小了梁跨中的弯矩和挠度。梁跨中的弯矩和挠度。其次在水平荷载作用下，由于梁对柱的其次在水平荷载作用下，由于梁对柱的约束作用减少了柱子的弯矩和约束作用减少了柱子的弯矩和侧向变位，侧向变位，如图如图3.93.9所示。因此，刚架结构的承载力和刚度都大于排架所示。因此，刚架结构的承载力和刚度都大于排架结构。结构。图图3.9竖向荷载作用竖向荷载作用水平荷载作用水平荷载作用梁跨中的弯矩和梁跨中的弯矩和挠度较小挠度较小柱子的弯矩和水柱子的弯矩和水平位移较小平位移较小统一规律：梁柱最大弯矩大大减少统一规律：梁柱最大弯矩大大减少图图3.9图图3.10 3.10 单层刚架均布荷载下弯矩和变形图单层刚架均布荷载下弯矩和变形图图图3.11 3.11 两铰刚架均布荷载和水平力下的弯矩和变形图两铰刚架均布荷载和水平力下的弯矩和变形图 无铰刚无铰刚架为三次超静定结构，刚度好，内力小，但对基础和地基刚度好，内力小，但对基础和地基的位移要求校高的位移要求校高。因柱脚处有弯矩、轴向压力和水平剪力共同作用于因柱脚处有弯矩、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。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。两铰刚架为两铰刚架为一次超静定结构，在竖向荷载或水平向荷载作用下，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。将在结构内产生附加内力。三铰刚架为三铰刚架为静定结构，地基的变形或基础的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。或地基较差的情况。图图12 12 国内装配式排架结构实例国内装配式排架结构实例 图图13 13 单层多跨刚架结构实例单层多跨刚架结构实例 图图3.14 3.14 国外某公建刚架实例图国外某公建刚架实例图 图图3.15 3.15 国外某教堂大厅刚架实例图国外某教堂大厅刚架实例图 刚架结构的支座约束条件对内力的影响与第一章所述的连续梁相似，刚架结构的支座约束条件对内力的影响与第一章所述的连续梁相似，如图如图3-1-23-1-2所示。所示。在竖向分布荷载作用下，三铰刚架可看成是由两根外伸梁弯折在竖向分布荷载作用下，三铰刚架可看成是由两根外伸梁弯折9090而而成，两铰刚架可看成是由两端简支的连续梁弯折而成，无铰刚架可看成，两铰刚架可看成是由两端简支的连续梁弯折而成，无铰刚架可看成是由两端固结的连续梁弯折而成，而排架结构则可看成是由三跨简成是由两端固结的连续梁弯折而成，而排架结构则可看成是由三跨简支梁弯折而成。支梁弯折而成。它们的受力特点没有原则的区别，连续梁的边支座反力它们的受力特点没有原则的区别，连续梁的边支座反力(向下的向下的R)R)在在刚架中改为一对向内水平推力刚架中改为一对向内水平推力H H，其值不变。由此可见，结构的一个，其值不变。由此可见，结构的一个共同特点是，约束越多，内力越分散，内力值越小，变形越小即刚度共同特点是，约束越多，内力越分散，内力值越小，变形越小即刚度增大。因此，增大。因此，通过增加约束，可以提高结构的承载力，增加结构的刚通过增加约束，可以提高结构的承载力，增加结构的刚度，或可减小结构的截面尺寸。度，或可减小结构的截面尺寸。从材尽其用的要求来看，从材尽其用的要求来看，刚架结构并不是十分合理的结构。刚架结构并不是十分合理的结构。一方面因一方面因为它与连续梁相似，仍为利用为它与连续梁相似，仍为利用梁、柱截面受弯来承受荷载的结构，梁、柱截面受弯来承受荷载的结构，另另一方面因为它是一个一方面因为它是一个典型的平面结构，在其自身平面外的刚度极小，典型的平面结构，在其自身平面外的刚度极小，必须布置适当的支撑。必须布置适当的支撑。二、梁柱线刚度比对结构内力的影响（略讲）二、梁柱线刚度比对结构内力的影响（略讲）刚架结构在竖向荷载或水平荷载作用下的内力分布不仅与约束条件有刚架结构在竖向荷载或水平荷载作用下的内力分布不仅与约束条件有关，而且还与梁柱线刚度比有关。图关，而且还与梁柱线刚度比有关。图3.163.16、图、图3-1-43-1-4以无铰门式刚架以无铰门式刚架为例，对不同梁柱线刚度比的刚架在竖向荷载和水平荷载作用下的弯为例，对不同梁柱线刚度比的刚架在竖向荷载和水平荷载作用下的弯矩分布进行了分析。矩分布进行了分析。在跨中竖向荷载（集中力）作用下，在跨中竖向荷载（集中力）作用下，当梁的线刚度比柱的线刚度大很当梁的线刚度比柱的线刚度大很多很多时，柱对梁端转动的约束就很小，只能够阻止梁端发生竖向位多很多时，柱对梁端转动的约束就很小，只能够阻止梁端发生竖向位移，这时梁的内力分布与简支梁相差无几，移，这时梁的内力分布与简支梁相差无几，如图如图3.16a)3.16a)所示。所示。相反，当梁的线刚度比柱的线刚度小得多时，柱子不仅能阻止梁端发相反，当梁的线刚度比柱的线刚度小得多时，柱子不仅能阻止梁端发生竖向位移，而且还能约束梁端发生转动，则柱对梁端的约束作用可生竖向位移，而且还能约束梁端发生转动，则柱对梁端的约束作用可看成是相当于固定端的作用，梁的内力分布与两端固定梁十分接近，看成是相当于固定端的作用，梁的内力分布与两端固定梁十分接近，如图如图3.16d)3.16d)所示。所示。当梁两端支承柱刚度不等时，则梁两端负弯矩值亦不等，柱刚度大的当梁两端支承柱刚度不等时，则梁两端负弯矩值亦不等，柱刚度大的一侧梁端负弯矩大，柱刚度小的一则梁端负弯矩小，如图一侧梁端负弯矩大，柱刚度小的一则梁端负弯矩小，如图3.16c)3.16