東莞市聯(lián)億鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司

一、輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)

單層鋼結(jié)構(gòu)廠房一般為輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)。剛架結(jié)構(gòu)通常是指由直線形桿件（梁和柱）通過剛性節(jié)點連接起來的結(jié)構(gòu)。工程中習(xí)慣把梁與柱之間為鉸接的單層結(jié)構(gòu)稱為排架，多層多跨的剛架結(jié)構(gòu)則常稱為框架。我們討論的剛架是單層剛架，因單層單跨或多跨剛架“冂”字型的外形之故，習(xí)慣上稱為門式剛架。

單層剛架結(jié)構(gòu)的桿件較少，一般為大跨度結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空間較大，便于利用。且剛架一般由直桿組成，制作方便，因此，在實際工程特別是工業(yè)建筑中應(yīng)用非常廣泛。當(dāng)跨度與荷載一定時，門式剛架結(jié)構(gòu)比屋面大跨梁(或屋架)與立柱組成的排架結(jié)構(gòu)輕巧，可節(jié)省鋼材約10％以上。斜梁為折線形的門式剛架類似于拱的受力特點，更具有受力性能良好、施工方便、造價較低和造型美觀等優(yōu)點。由于斜梁是折線形的，使室內(nèi)空間加大，適于雙坡屋頂?shù)膯螌又小⑿⌒徒ㄖ?，在工業(yè)廠房、體育館、禮堂和食堂等民用建筑中得到廣泛應(yīng)用。但門式剛架剛度較差，受荷載后產(chǎn)生跨變，因此用于工業(yè)廠房時，吊車起重量一般不超過10t。

對比了門式剛架與外形相同的排架在垂直均布荷載作用下的彎矩圖。剛架由于橫梁與立柱整體剛性連接，節(jié)點B和C是剛性節(jié)點，能夠承受并傳遞彎矩，這樣就減少了橫梁中的跨中彎矩峰值。排架由于橫梁與立柱為鉸接，節(jié)點B、C為鉸接點，故在均布荷載作用下，橫梁的彎矩圖與簡支梁相同，跨中彎矩峰值比剛架大得多。但與拱結(jié)構(gòu)相比，剛架仍然屬于以受彎為主的結(jié)構(gòu)，材料強度不能充分發(fā)揮作用，這就造成了門式剛架結(jié)構(gòu)與拱相比自重大，用料多，適用跨度受到限制。
                         
剛接剛架與鉸接剛架的彎矩比較

門式剛架按結(jié)構(gòu)組成和構(gòu)造的不同，可分為無鉸剛架、兩鉸剛架和三鉸剛架等三種。在相同荷載作用下，這三種剛架的內(nèi)力分布和大小是有差別的，其經(jīng)濟技術(shù)效果也不相同。門式剛架結(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，梁柱互為約束。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)向變形，如圖1.3所示。因此，門式剛架結(jié)構(gòu)的承載力和剛度都大于排架結(jié)構(gòu)。

無鉸門式剛架的柱腳與基礎(chǔ)固接，為三次超靜定結(jié)構(gòu)，剛度大，結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布比較均勻，但柱底彎矩比較大，對基礎(chǔ)和地基的要求較高。因柱腳存在彎矩、軸向壓力和水平剪力共同作用于基礎(chǔ)，基礎(chǔ)材料用量較大。無鉸門式剛架超靜定次數(shù)高，剛度較大，當(dāng)?shù)鼗l(fā)生不均勻沉降時，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需慎用。

兩鉸門式剛架應(yīng)用最為普遍，其柱腳與基礎(chǔ)鉸接，為一次超靜定結(jié)構(gòu)，在豎向荷載或水平荷載作用下，剛架內(nèi)彎矩比無鉸門式剛架大。其優(yōu)點是剛架柱腳鉸接，基礎(chǔ)無彎矩作用，計算和構(gòu)造簡單，省料省工；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)生一定的附加內(nèi)力。

三鉸門式剛架在屋脊節(jié)點處設(shè)置永久性鉸，柱腳鉸接，為靜定結(jié)構(gòu)，溫差、地基的變形或基礎(chǔ)的不均勻沉降對結(jié)構(gòu)內(nèi)力沒有影響。三鉸和兩鉸門式剛架材料用量相近，但三鉸剛架的梁柱節(jié)點彎矩略大，剛度較差，不能用于有橋式吊車的廠房，僅用于無吊車或小噸位懸掛吊車的建筑。

實際工程中大多采用兩鉸剛架以及由它們組成的多跨結(jié)構(gòu)，無鉸剛架很少使用。

門式剛架的高跨比、梁柱線剛度比、支座位移、溫度變化等均是影響門式剛架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的因素，門式剛架結(jié)構(gòu)選型時應(yīng)予以考慮。

二、索膜結(jié)構(gòu)

索膜結(jié)構(gòu)的連接必須要滿足結(jié)構(gòu)受力要求和耐久要求，具體連接構(gòu)造。

三、鋼框架結(jié)構(gòu)（民用建筑）

鋼框架結(jié)構(gòu)住宅－可分為焊接箱形截面（常用）或H型鋼柱－鋼梁鋼框架結(jié)構(gòu)和鋼框架加支撐結(jié)構(gòu)兩種類型。鋼框架結(jié)構(gòu)不超過6層住宅。其墻體可采用輕質(zhì)材料。結(jié)構(gòu)自重小，抗震性能良好，施工速度快。鋼框架加支撐結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)7～15層住宅。經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)略高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

（1）框架結(jié)構(gòu)的受力特點

a.荷載作用

框架結(jié)構(gòu)承受的作用包括豎向荷載和水平荷載。豎向荷載包括結(jié)構(gòu)自重及樓（屋）面活荷載，一般為分布荷載，有時也存在集中荷載。水平荷載有風(fēng)荷載和地震作用?？蚣芙Y(jié)構(gòu)是一個空間結(jié)構(gòu)體系，沿房屋的長向和短向可分別視為縱向框架和橫向框架?？v、橫向框架分別承受縱向和橫向水平荷載。

b.豎向荷載傳遞路線

現(xiàn)澆平板樓（屋）蓋荷載主要向距離較近的梁上傳遞，然后在傳遞給鋼柱。

c.受力分析

①在多層框架結(jié)構(gòu)中，影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力的主要是豎向荷載，而結(jié)構(gòu)變形則主要考慮梁在豎向荷載作用下的撓度，一般不考慮結(jié)構(gòu)側(cè)移對建筑物的使用功能和結(jié)構(gòu)可靠性的影響。隨著房屋高度增大，增加最快的是結(jié)構(gòu)位移，彎矩次之。

②框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下。其側(cè)移由兩部分組成：一部分側(cè)移由柱和梁的彎曲變形產(chǎn)生。柱和梁都有反彎點，形成側(cè)向變形?？蚣芟虏康牧?、柱內(nèi)力大，層間變形也大，愈到上部層間變形愈小；另一部分側(cè)移由柱的軸向變形產(chǎn)生。在水平力作用下，柱的拉伸和壓縮使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)側(cè)移。這種側(cè)移在上部各層較大，愈到底部層間變形愈小。在兩部分側(cè)移中第一部分側(cè)移是主要的，隨著建筑高度加大，第二部分變形所占比例逐漸加大。

③一般將框架結(jié)構(gòu)的梁、柱節(jié)點視為剛接節(jié)點，柱固結(jié)于基礎(chǔ)頂面，所以框架結(jié)構(gòu)為高次超靜定結(jié)構(gòu)。

（2）框架結(jié)構(gòu)在豎向荷載和水平荷載作用下的內(nèi)力圖

a 計算簡圖
 
c梁剪力、柱軸力圖
 
b 彎矩圖

e風(fēng)荷載作用下剪力、軸力圖
 
d風(fēng)荷載作用下彎矩圖

四、鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是由很多桿件通過節(jié)點，按照一定規(guī)律組成的空間桿系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)根據(jù)外形可分為平板網(wǎng)架和曲面網(wǎng)架。通常情況下，平板網(wǎng)架稱為網(wǎng)架；曲面網(wǎng)架稱為網(wǎng)殼，如圖1.7所示。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是曲面型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，兼有桿系結(jié)構(gòu)和薄殼結(jié)構(gòu)的特性，受力合理，覆蓋跨度大，是一種頗受國內(nèi)外關(guān)注、半個世紀(jì)以來發(fā)展最快、有著廣闊發(fā)展前景的空間結(jié)構(gòu)。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)美的建筑造型，無論是建筑平面、外形和形體都能給設(shè)計師以充分的創(chuàng)作自由。建筑平面上，可以適應(yīng)多種形狀，如圓形、矩形、多邊形、三角形、扇形以及各種不規(guī)則的平面；建筑外觀方面，可以形成多種曲面，如球面、橢圓面、旋轉(zhuǎn)拋物面屋面，建筑的各種形體可通過曲面的切割和組合得到；結(jié)構(gòu)上，網(wǎng)殼受力合理，可以實現(xiàn)較大的跨度，由于網(wǎng)殼曲面的多樣化，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員可以通過精心的曲面設(shè)計使網(wǎng)殼受力均勻；施工上采用較小的構(gòu)件在工廠預(yù)制，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，現(xiàn)場安裝簡便快速，不需要大型設(shè)備，綜合技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)較好。本部分僅介紹平板網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為一種空間桿系結(jié)構(gòu)，具有三維受力特點，能承受各方向的作用，并且網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般為高次超靜定結(jié)構(gòu)，倘若一桿局部失效，超靜定次數(shù)僅減少一次，內(nèi)力可重新調(diào)整和分布，整個結(jié)構(gòu)一般并不失效，具有較高的安全儲備。

網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的桿件，既為受力桿件，又互為支撐桿件，協(xié)同工作，整體性和穩(wěn)定性好，空間剛度大，能有效承受非對稱荷載、集中荷載和動荷載的作用，具有較好的抗震性能。

在節(jié)點荷載作用下，各桿件主要承受軸向的拉力和壓力，能充分發(fā)揮材料的強度，節(jié)省鋼材。

平板網(wǎng)架與網(wǎng)殼相比，它是一種無水平推力或拉力的空間結(jié)構(gòu)，支座構(gòu)造較為簡單，一般簡支支座即可，便于下部支承結(jié)構(gòu)處理，而網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)型式，受力更趨于合理，且可以實現(xiàn)更美觀的建筑外形。

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的主要缺點在于：桿件和節(jié)點幾何尺寸的偏差以及曲面的偏離對網(wǎng)殼的內(nèi)力、整體穩(wěn)定性和施工精度影響較大，給結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工帶來了一定的困難。為減小網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)初始缺陷，對于桿件和節(jié)點的加工精度要求較高，加工難度大。此外，網(wǎng)殼的矢高很大時，增加了屋面面積和不必要的建筑內(nèi)部空間，增加建筑材料和能源的消耗。這些問題在大跨度網(wǎng)殼中顯得更加突出。

由于網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)組合有規(guī)律，大量桿件和節(jié)點的形狀、尺寸相同，并且桿件和節(jié)點規(guī)格少，便于工廠成批生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量高，現(xiàn)場進行拼裝較容易，施工速度快。

網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)不僅實現(xiàn)了利用較小規(guī)格的桿件建造大跨度結(jié)構(gòu)，而且結(jié)構(gòu)占用空間較小，更能有效利用空間，如在網(wǎng)架和多層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)上下弦之間的空間布置各種設(shè)備及管道等。網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)平面布置靈活，適用于矩形、圓形、橢圓形、多邊形、扇形等多種建筑平面，建筑造型新穎、輕巧、壯觀，極富表現(xiàn)力，深受建筑師和業(yè)主的青睞。

由于網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有以上諸多的特點，我國從1964年以來已建成為數(shù)眾多的不同類型、不同平面形式的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。目前我國已經(jīng)成為網(wǎng)