东莞市联亿钢结构工程有限公司

一、轻钢门式刚架结构

单层钢结构厂房一般为轻钢门式刚架结构。刚架结构通常是指由直线形杆件（梁和柱）通过刚性节点连接起来的结构。工程中习惯把梁与柱之间为铰接的单层结构称为排架，多层多跨的刚架结构则常称为框架。我们讨论的刚架是单层刚架，因单层单跨或多跨刚架“冂”字型的外形之故，习惯上称为门式刚架。

单层刚架结构的杆件较少，一般为大跨度结构，内部空间较大，便于利用。且刚架一般由直杆组成，制作方便，因此，在实际工程特别是工业建筑中应用非常广泛。当跨度与荷载一定时，门式刚架结构比屋面大跨梁(或屋架)与立柱组成的排架结构轻巧，可节省钢材约10％以上。斜梁为折线形的门式刚架类似于拱的受力特点，更具有受力性能良好、施工方便、造价较低和造型美观等优点。由于斜梁是折线形的，使室内空间加大，适于双坡屋顶的单层中、小型建筑，在工业厂房、体育馆、礼堂和食堂等民用建筑中得到广泛应用。但门式刚架刚度较差，受荷载后产生跨变，因此用于工业厂房时，吊车起重量一般不超过10t。

对比了门式刚架与外形相同的排架在垂直均布荷载作用下的弯矩图。刚架由于横梁与立柱整体刚性连接，节点B和C是刚性节点，能够承受并传递弯矩，这样就减少了横梁中的跨中弯矩峰值。排架由于横梁与立柱为铰接，节点B、C为铰接点，故在均布荷载作用下，横梁的弯矩图与简支梁相同，跨中弯矩峰值比刚架大得多。但与拱结构相比，刚架仍然属于以受弯为主的结构，材料强度不能充分发挥作用，这就造成了门式刚架结构与拱相比自重大，用料多，适用跨度受到限制。
                         
刚接刚架与铰接刚架的弯矩比较

门式刚架按结构组成和构造的不同，可分为无铰刚架、两铰刚架和三铰刚架等三种。在相同荷载作用下，这三种刚架的内力分布和大小是有差别的，其经济技术效果也不相同。门式刚架结构的受力优于排架结构，因刚架梁柱节点处为刚接，梁柱互为约束。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形，如图1.3所示。因此，门式刚架结构的承载力和刚度都大于排架结构。

无铰门式刚架的柱脚与基础固接，为三次超静定结构，刚度大，结构内力分布比较均匀，但柱底弯矩比较大，对基础和地基的要求较高。因柱脚存在弯矩、轴向压力和水平剪力共同作用于基础，基础材料用量较大。无铰门式刚架超静定次数高，刚度较大，当地基发生不均匀沉降时，在结构内产生附加内力，所以在地基条件较差时需慎用。

两铰门式刚架应用最为普遍，其柱脚与基础铰接，为一次超静定结构，在竖向荷载或水平荷载作用下，刚架内弯矩比无铰门式刚架大。其优点是刚架柱脚铰接，基础无弯矩作用，计算和构造简单，省料省工；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，则将在结构内产生一定的附加内力。

三铰门式刚架在屋脊节点处设置永久性铰，柱脚铰接，为静定结构，温差、地基的变形或基础的不均匀沉降对结构内力没有影响。三铰和两铰门式刚架材料用量相近，但三铰刚架的梁柱节点弯矩略大，刚度较差，不能用于有桥式吊车的厂房，仅用于无吊车或小吨位悬挂吊车的建筑。

实际工程中大多采用两铰刚架以及由它们组成的多跨结构，无铰刚架很少使用。

门式刚架的高跨比、梁柱线刚度比、支座位移、温度变化等均是影响门式刚架结构内力的因素，门式刚架结构选型时应予以考虑。

二、索膜结构

索膜结构的连接必须要满足结构受力要求和耐久要求，具体连接构造。

三、钢框架结构（民用建筑）

钢框架结构住宅－可分为焊接箱形截面（常用）或H型钢柱－钢梁钢框架结构和钢框架加支撑结构两种类型。钢框架结构不超过6层住宅。其墙体可采用轻质材料。结构自重小，抗震性能良好，施工速度快。钢框架加支撑结构可实现7～15层住宅。经济技术指标略高于钢筋混凝土结构。

（1）框架结构的受力特点

a.荷载作用

框架结构承受的作用包括竖向荷载和水平荷载。竖向荷载包括结构自重及楼（屋）面活荷载，一般为分布荷载，有时也存在集中荷载。水平荷载有风荷载和地震作用。框架结构是一个空间结构体系，沿房屋的长向和短向可分别视为纵向框架和横向框架。纵、横向框架分别承受纵向和横向水平荷载。

b.竖向荷载传递路线

现浇平板楼（屋）盖荷载主要向距离较近的梁上传递，然后在传递给钢柱。

c.受力分析

①在多层框架结构中，影响结构内力的主要是竖向荷载，而结构变形则主要考虑梁在竖向荷载作用下的挠度，一般不考虑结构侧移对建筑物的使用功能和结构可靠性的影响。随着房屋高度增大，增加最快的是结构位移，弯矩次之。

②框架结构在水平荷载作用下。其侧移由两部分组成：一部分侧移由柱和梁的弯曲变形产生。柱和梁都有反弯点，形成侧向变形。框架下部的梁、柱内力大，层间变形也大，愈到上部层间变形愈小；另一部分侧移由柱的轴向变形产生。在水平力作用下，柱的拉伸和压缩使结构出现侧移。这种侧移在上部各层较大，愈到底部层间变形愈小。在两部分侧移中第一部分侧移是主要的，随着建筑高度加大，第二部分变形所占比例逐渐加大。

③一般将框架结构的梁、柱节点视为刚接节点，柱固结于基础顶面，所以框架结构为高次超静定结构。

（2）框架结构在竖向荷载和水平荷载作用下的内力图

a 计算简图
 
c梁剪力、柱轴力图
 
b 弯矩图

e风荷载作用下剪力、轴力图
 
d风荷载作用下弯矩图

四、钢网架结构

网架结构是由很多杆件通过节点，按照一定规律组成的空间杆系结构。网架结构根据外形可分为平板网架和曲面网架。通常情况下，平板网架称为网架；曲面网架称为网壳，如图1.7所示。网壳结构是曲面型的网格结构，兼有杆系结构和薄壳结构的特性，受力合理，覆盖跨度大，是一种颇受国内外关注、半个世纪以来发展最快、有着广阔发展前景的空间结构。网壳结构具有优美的建筑造型，无论是建筑平面、外形和形体都能给设计师以充分的创作自由。建筑平面上，可以适应多种形状，如圆形、矩形、多边形、三角形、扇形以及各种不规则的平面；建筑外观方面，可以形成多种曲面，如球面、椭圆面、旋转抛物面屋面，建筑的各种形体可通过曲面的切割和组合得到；结构上，网壳受力合理，可以实现较大的跨度，由于网壳曲面的多样化，结构设计人员可以通过精心的曲面设计使网壳受力均匀；施工上采用较小的构件在工厂预制，实现工业化生产，现场安装简便快速，不需要大型设备，综合技术经济指标较好。本部分仅介绍平板网架和网壳结构。

网架、网壳结构为一种空间杆系结构，具有三维受力特点，能承受各方向的作用，并且网架结构一般为高次超静定结构，倘若一杆局部失效，超静定次数仅减少一次，内力可重新调整和分布，整个结构一般并不失效，具有较高的安全储备。

网架、网壳结构中的杆件，既为受力杆件，又互为支撑杆件，协同工作，整体性和稳定性好，空间刚度大，能有效承受非对称荷载、集中荷载和动荷载的作用，具有较好的抗震性能。

在节点荷载作用下，各杆件主要承受轴向的拉力和压力，能充分发挥材料的强度，节省钢材。

平板网架与网壳相比，它是一种无水平推力或拉力的空间结构，支座构造较为简单，一般简支支座即可，便于下部支承结构处理，而网壳结构由于其结构型式，受力更趋于合理，且可以实现更美观的建筑外形。

网壳结构的主要缺点在于：杆件和节点几何尺寸的偏差以及曲面的偏离对网壳的内力、整体稳定性和施工精度影响较大，给结构设计和施工带来了一定的困难。为减小网壳结构初始缺陷，对于杆件和节点的加工精度要求较高，加工难度大。此外，网壳的矢高很大时，增加了屋面面积和不必要的建筑内部空间，增加建筑材料和能源的消耗。这些问题在大跨度网壳中显得更加突出。

由于网架、网壳结构组合有规律，大量杆件和节点的形状、尺寸相同，并且杆件和节点规格少，便于工厂成批生产，产品质量高，现场进行拼装较容易，施工速度快。

网架、网壳结构不仅实现了利用较小规格的杆件建造大跨度结构，而且结构占用空间较小，更能有效利用空间，如在网架和多层网壳结构上下弦之间的空间布置各种设备及管道等。网架、网壳结构平面布置灵活，适用于矩形、圆形、椭圆形、多边形、扇形等多种建筑平面，建筑造型新颖、轻巧、壮观，极富表现力，深受建筑师和业主的青睐。

由于网架、网壳结构具有以上诸多的特点，我国从1964年以来已建成为数众多的不同类型、不同平面形式的网架结构。目前我国已经成为网