結(jié)構(gòu)選型3-4課件

第三章單層剛架結(jié)構(gòu)剛架結(jié)構(gòu)是指梁、柱之間為剛性連接的結(jié)構(gòu)；當(dāng)梁與柱之間為鉸接的單層結(jié)構(gòu)，一般稱為排架，多層多跨的剛架結(jié)構(gòu)則常稱為框架，單層剛架也稱為門式剛架。單層剛架為梁柱合一（剛性連接）的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)力小于排架結(jié)構(gòu)，梁柱截面高度小，造型輕巧，內(nèi)部凈空較大，故被廣泛應(yīng)用于中小型廠房、體育館、禮堂、食堂等中小跨度的建筑中。但與拱相比，剛架仍然屬于以受彎為主的結(jié)構(gòu)，材料強(qiáng)度不能充分發(fā)揮作用，這就造成了剛架結(jié)構(gòu)自重較大，用料較多，適用跨度受到限制。剛架結(jié)構(gòu)與排架結(jié)構(gòu)的比較剛架結(jié)構(gòu)的受力優(yōu)于排架結(jié)構(gòu)，因剛架梁柱節(jié)點處為剛接，在豎向荷載作用下，由于柱對梁的約束作用而減小了梁跨中的彎矩和撓度。在水平荷載作用下，由于梁對柱的約束作用減少了柱內(nèi)的彎矩和側(cè)向變位。因此，剛架結(jié)構(gòu)的承載力和剛度都大于排架結(jié)構(gòu)。

第一節(jié)、單層剛架結(jié)構(gòu)的受力特點

一、約束條件對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響單層單跨剛架的結(jié)構(gòu)計算簡圖，按構(gòu)件的布置和支座約束條件可分成無鉸剛架、兩鉸剛架、三鉸剛架三種。

一、約束條件對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響在單層單跨剛架結(jié)構(gòu)中，無鉸剛架為三次超靜定結(jié)構(gòu)，剛度好，結(jié)構(gòu)內(nèi)力小，但對基礎(chǔ)和地基的要求較高。因柱腳處有彎矩、軸向壓力和水平剪力共同作用于基礎(chǔ)，故基礎(chǔ)用料較多。由于其超靜定次數(shù)高，當(dāng)?shù)鼗l(fā)生不均勻沉降時，將在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生附加內(nèi)力，所以在地基條件較差時宜慎用。兩鉸剛架為一次超靜定結(jié)構(gòu)，在豎向荷載或水平方向荷載作用下，剛架內(nèi)彎矩均比無鉸剛架大。兩鉸剛架在基礎(chǔ)處為鉸支承，故當(dāng)基礎(chǔ)有轉(zhuǎn)角時，對結(jié)構(gòu)內(nèi)力沒有影響，但當(dāng)兩柱腳發(fā)生不均勻沉降時，則將在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生附加內(nèi)力。三鉸剛架為靜定結(jié)構(gòu)，地基的變形或不均勻沉降對結(jié)構(gòu)內(nèi)力沒有影響，但三鉸剛架剛度較差，內(nèi)力大，故一般適用于跨度較小或地基較差的情況。剛架結(jié)構(gòu)并不是十分合理的結(jié)構(gòu)。一方面它與連續(xù)梁相似。仍為利用梁柱受彎來承受荷載的結(jié)構(gòu)，另一方面因為它是一個典型的平面結(jié)構(gòu)，在其自身平面外剛度極小，必須布置適當(dāng)?shù)闹巍６⒘褐€剛度比對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響三、高跨比的合理選定門式剛架的跨度與柱高的比例問題，即高跨比h/L，從結(jié)構(gòu)觀點看，由于柱高的減少將使推力增大，從推力線來看，對三鉸門架來說，最好的形式是高度大于跨度；但對兩鉸門架來說，由于跨中彎矩的存在，跨度稍大于高度就成為合理的了?？偟膩碚f，高跨比H/L=0.75是比較合理的。溫度變化、支座移動對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響第二節(jié)單層剛架結(jié)構(gòu)的型式單層剛架結(jié)構(gòu)的型式從受力條件看，可分為無鉸鋼架、兩鉸鋼架、三鉸鋼架；從結(jié)構(gòu)材料看，有膠合木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、砼結(jié)構(gòu)；從構(gòu)件截面看，可分為實腹式剛架、空腹式剛架、格構(gòu)式剛架、等截面與變截面；從建筑體型看，有平頂、坡頂、拱頂、單跨與多跨；從施工技術(shù)看，由預(yù)應(yīng)力剛架和非預(yù)應(yīng)力剛架。一、膠合木結(jié)構(gòu)膠合木結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點，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構(gòu)件，可剔除木節(jié)等缺陷以提高強(qiáng)度；具有較好的防腐和阻燃性能。二、鋼剛架結(jié)構(gòu)鋼剛架結(jié)構(gòu)可分為實腹式和格構(gòu)式兩種。實腹式剛架用于跨度不很大的結(jié)構(gòu)，常做成兩鉸式結(jié)構(gòu)。外形比較美觀，制造安裝方便。實腹式剛架的橫梁高度一般可取跨度的1/12~1/20。當(dāng)跨度很大時，可在支座平面內(nèi)設(shè)置拉桿，并施加預(yù)應(yīng)力對剛架橫梁產(chǎn)生卸荷力矩及反拱，這時橫梁高度可取跨度的1/30~1/30，并由拉桿承擔(dān)了剛架支座處的橫向推力，對支座和基礎(chǔ)都有利。鋼剛架（實腹式）鋼剛架（格構(gòu)式）格構(gòu)式剛架結(jié)構(gòu)的適用范圍較大，具有剛度大、耗鋼省等優(yōu)點。當(dāng)跨度小時可采用三鉸式結(jié)構(gòu)，當(dāng)跨度大時可采用兩鉸式或無鉸式結(jié)構(gòu)。格構(gòu)式剛架的梁高可取跨度的1/15~1/20，為了節(jié)省材料，增加剛度，減輕基礎(chǔ)負(fù)擔(dān)，也可施加預(yù)應(yīng)力，以調(diào)整結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力。三、鋼筋砼剛架鋼筋砼剛架一般適用跨度不超過50m、檐高不超過10m的無吊車或吊車起重量不超過100KN的建筑中。構(gòu)件的截面形式一般為矩形，也可用工字形。截面尺寸可根據(jù)結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的彎矩圖的大小而改變。一般是寬度不變而高度呈現(xiàn)性變化。對于兩鉸或三鉸剛架，立柱上大下小，橫梁為直線邊截面。四、預(yù)應(yīng)力砼剛架為了提高結(jié)構(gòu)剛度，減小桿件截面，可采用預(yù)應(yīng)力砼剛架。預(yù)應(yīng)力鋼筋的位置，應(yīng)根據(jù)豎向荷載作用下剛架結(jié)構(gòu)的彎矩圖，布置在構(gòu)件的受拉部位。砼剛架預(yù)應(yīng)力筋的布置第三節(jié)單層剛架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造與布置一、單層剛架結(jié)構(gòu)的外形單層剛架結(jié)構(gòu)可為平頂、坡頂或拱頂，可為單跨或多跨連續(xù)。剛架橫梁的坡度主要由屋面材料及排水要求確定。對于常見的中小跨度的雙坡門式剛架，其屋面材料一般多用石棉波形瓦、瓦楞鐵及其他輕型瓦材，通常用的屋面坡度為1/3。鋼

剛

架

節(jié)

點

構(gòu)

造砼

剛

架

節(jié)

點

連

構(gòu)

造剛

架

鉸

節(jié)

點

構(gòu)

造鋼筋砼柱腳鉸支座形式單層剛架結(jié)構(gòu)的布置單層剛架結(jié)構(gòu)的布置是十分靈活的，它可以平行布置，輻射狀布置或以其他形式排列，形成風(fēng)格多變的建筑造型。剛

架

結(jié)

構(gòu)

布

置剛架結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)工程實例1剛架工程實例2剛架工程實例3剛架工程實例4本章小結(jié)門式剛架是在中小跨度的單層工業(yè)建筑和公共建筑中得到較為廣泛應(yīng)用的一種平面結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)鉸位設(shè)置的不同，可分為無鉸剛架、兩餃剛架和三鉸剛架等三種型式。前兩者是超靜定結(jié)構(gòu)，后者是靜定結(jié)構(gòu)。目前較常見的是鋼筋混凝土門式剛架和鋼結(jié)構(gòu)門式剛架。門式剛架的類型不同，它們的受力特點不同，性能也有差異，決定了各自的適用范圍。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型時應(yīng)根據(jù)建筑物的功能要求，環(huán)境莢學(xué)的考慮，以及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，通過方案比較，合理選擇門式剛架的外形和類型、材料、截面尺寸、構(gòu)造做法。思考題與習(xí)題1、平面門式剛架與平面捧架結(jié)構(gòu)的節(jié)點構(gòu)造有什么不同?這對它們的內(nèi)力狀態(tài)有什么影響?2、平面門式剛架可分為哪幾種主要類型?它們的適用范圍是什么?3、試觀察你所能遇到的平面門式剛架的工程實例，注意它們的外形尺寸。構(gòu)件的截面形式、使用的材料，以及建筑物的用途和功能要求．第四章拱式結(jié)構(gòu)拱結(jié)構(gòu)的優(yōu)點與缺點：拱結(jié)構(gòu)比桁架結(jié)構(gòu)具有更大的力學(xué)優(yōu)點，因為桁架結(jié)構(gòu)從整體來看還是相當(dāng)一個受彎構(gòu)件（弦桿承受彎矩，腹桿承受剪力），而拱結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)發(fā)生了與梁結(jié)構(gòu)根本不同的受力改變。梁結(jié)構(gòu)是受彎為主，拱結(jié)構(gòu)已根本不是受彎了。拱在外荷載作用下，主要產(chǎn)生壓力，如果用抗壓性能較好的材料（如磚石或鋼筋砼）去做拱，正好利用發(fā)揮材料的抗壓有利性能。拱結(jié)構(gòu)是使結(jié)構(gòu)擺脫彎曲變形的一種突破性發(fā)展，因此，拱結(jié)構(gòu)比桁架結(jié)構(gòu)的力學(xué)優(yōu)點更加顯著。但是，拱結(jié)構(gòu)的支座（拱腳）會產(chǎn)生水平推力，跨度大時這個推力不小，要對付這個推力將是一件麻煩而又耗費(fèi)材料的事，故實際應(yīng)用上，桁架還是比拱用的更普遍。第一節(jié)拱的受力特點按結(jié)構(gòu)支承方式分類，拱可分成三鉸拱、兩鉸拱和無鉸拱三種。一、支座反力一、支座反力由以上分析可知：1、在豎向荷載作用下，拱腳支座內(nèi)將產(chǎn)生水平推力。2、在豎向荷載作用下，拱腳水平推力的大小等于相同跨度簡支梁在相同豎向荷載作用下所產(chǎn)生的相應(yīng)于頂鉸C截面上的彎矩Mc除以拱的矢高fc。即：3、當(dāng)結(jié)構(gòu)跨度與荷載條件一定時（Mc為定值），拱腳水平推力(Ha=Hb)與拱的矢高f成反比。二、拱身截面的內(nèi)力1、拱身內(nèi)的彎矩小于跨度相同荷載作用下簡支梁內(nèi)的剪力。2、拱身截面內(nèi)的剪力小于相同跨度相同荷載作用下簡支梁內(nèi)的剪力。3、拱身截面內(nèi)存在有較大的軸力，而簡支梁中是沒有軸力的。（用軸力承擔(dān)外荷載，這是拱式結(jié)構(gòu)比梁式結(jié)構(gòu)受力合理的地方）三、水平推力由豎向承重結(jié)構(gòu)承擔(dān)第三節(jié)拱式結(jié)構(gòu)的型式從力學(xué)計算簡圖看，可分成無鉸拱、兩鉸拱、三鉸拱；按應(yīng)用材料分類，由鋼筋砼結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、膠合木結(jié)構(gòu)、磚石砌體結(jié)構(gòu)；從拱身截面看，有格構(gòu)式和實腹式，等截面和變截面。一、鋼結(jié)構(gòu)拱（實腹式、格構(gòu)式）二、鋼筋混凝土拱第四節(jié)拱式結(jié)構(gòu)的選型一、結(jié)構(gòu)支承方式拱可分成無鉸拱、兩鉸拱、三鉸拱。三鉸拱為靜定結(jié)構(gòu)，由于跨中存在著頂鉸，使拱本身和屋蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，因而較少采用。兩鉸拱和無鉸拱均為超靜定結(jié)構(gòu)，兩鉸拱的優(yōu)點是受力合理、用料經(jīng)濟(jì)、制作和安裝比較簡單，對溫度變化和地基變形的適應(yīng)性較好，目前較為常用。無鉸拱受力最為合理，但對支座要求高，當(dāng)?shù)鼗鶙l件較差時，不宜采用。二、拱的矢高（重點）1、矢高應(yīng)滿足建筑使用功能和建筑造型的要求。拱的矢高直接決定拱的外形，因此矢高必須滿足建筑造型的要求。2、矢高的確定應(yīng)使結(jié)構(gòu)受力合理（合理控制）。3、矢高應(yīng)滿足屋面排水的要求。三、拱軸線方程設(shè)計要求根據(jù)荷載選定一條合理的拱軸線，但荷載是隨時變化的，因此只能根據(jù)主要的荷載組合，確定一個相對合理的拱軸線方程，使拱身主要承受軸力，減少彎矩。例如對于大跨度公共建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)，合理的拱軸線方程為：三、拱軸線方程從上式可看出當(dāng)時，拱軸形式即為半圓，半圓拱的水平推力為零，稱“無推力拱”。拱而無推力，受力是經(jīng)濟(jì)合理的。但半圓拱的矢高為跨度的一半，大跨度時顯得非常高聳，故很少用于建筑屋蓋上。合理矢高的大小：用于屋蓋上：拱

式

結(jié)

構(gòu)

的

布

置拱式結(jié)構(gòu)的布置

拱式結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)工程實例1工程實例2工

程

實

例

3工程實例4本章小結(jié)拱是一種古老的結(jié)構(gòu)形式，它有利于充分發(fā)揮抗壓材料的特性，建造較大跨度的建筑物或橋梁等。水平推力的平衡是影響拱結(jié)構(gòu)選型的一個重要問題，拱推力和拱的矢高成反比，拱越高，椎力越小。按結(jié)構(gòu)組成和支承方式分類，拱有無鉸拱、兩鉸拱和三鉸拱，無拉桿拱和有拉桿拱之分，它們的特性不同，適用范圍也不同。拱軸形式和矢高的選擇，必須根據(jù)