带铰框架的设计与应用

万恒均

(四川省建筑设计研究院， 成都 610000)

0 引言

铰的力学特征是铰点的力矩为零(包括平面弯矩和空间扭矩)，去力矩化后，可消除节点应力集中现象。铰的变形特征是铰点可以自由转动，可以松弛刚性框架节点紧张状态，改善结构体系工作条件。

若在刚性框架的适当位置设置铰点，框架节点就可获得上述两大优点，是优化框架结构设计的好方法。

1 带铰框架是稳定的结构体系

铰接机构是不稳定的几何可变体系，是铰接框架的陷阱，要做好带铰框架设计，必须先弄清铰接机构的成因。

平面铰接框架结构是稳定的基本结构体系，而铰接瞬变体系是不稳定的几何可变机构。两者之间的力学概念截然不同。瞬变体系产生的充要条件是：三刚片在平面内可能产生相对位移时，三个相对瞬心必在一直线上，即三个铰点出现在一条直线上[1]。瞬变机构成因分析：设三铰点A，B，C在一直线上，成为瞬变体系(图1(a))。设图1(b)中C点有微小位移δ，以L表示杆AC或BC的原长，Δ表示原杆因位移δ而产生的增长，θ表示杆的转角。则有：Δ=Lsecθ-L=L(1+θ2/2+……)-L≈θ2L/2；δ=Ltanθ=L(θ+θ2/3+……)≈Lθ。

图1 瞬变机动分析图

当位移很小，θ为微量时，δ为一阶微量，Δ为二阶微量。换句话说，杆有微量增长时，节点C的位移便极为显著。瞬变体系在理论上虽然只能有极小的位移，实际上在荷载作用下可以发生很显著的位移，使结构产生机动。体系在荷载作用下，可以产生很大的内力，危及结构安全，故瞬变体系是不能用于建筑结构的。

示例1：单跨门字形框架(图2)，柱脚铰接支承，左端为固定铰点、右端为活动铰点，当右端活动铰点为竖向连接支承时，结构是稳定的基本体系(图2(c))。