轻钢结构简介

轻钢结构简介

轻型门式刚架

——计算原理和设计实例

绪言

铁曾经在西方工业革命中起了十分重要的作用。由生铁冶炼为钢材的思想始于1855年，到1879年钢材冶炼技术逐渐成熟。金属结构的应用历史大致可分为

[1]三个时期:(一)、1780—1850年的铸铁时期;(二)、1850—1900年的锻铁时期;(三)、1880至今的钢结构时期。

1880—1900年代，钢结构主要由热轧截面和铆接连接构成，结构体系大多为静定结构，其稳定性主要由支撑来保证，设计计算主要针对构件采用弹性理论和容许应力设计法;1930年代起，焊接技术带来了钢结构制造业的根本性变革，实截面的焊接框架代替了精致的铆接结构，梁柱刚性节点替代了支撑以保障结构的稳定性，设计计算逐渐针对整个框架采用弹塑性理论和极限状态方法;冷弯薄壁型钢自1940年代起在钢结构建筑中得到了广泛的应用，考虑板件局部失稳后极限强度的设计方法以及考虑板材与框架体系共同作用的设计方法逐渐得到发展。

我国钢结构体系的发展大致经过了这样的时期:1990年以前，钢结构建筑在工业领域中的主要应用是重型厂房中的排架结构体系，在民用领域中的主要应用是螺栓球或焊接球网架结构;自1990年代起，钢结构在我国进入了快速的全面的发展和应用时期。门式钢刚架结构被大量应用于工业厂房、超市、仓库中;钢框架在多高层建筑中也得到了越来越多的应用;薄壁彩钢板已大量应用于各类结构的维护体系和无梁无柱穹顶中;钢管直接汇交焊接结构及其与高强度拉索的组合结构已推广应用于各类体育、文化等公共建筑中;冷弯薄壁型钢截面除广泛应用于檩条等维护结构构件外也开始作为结构的主要受力构件或其组成部件得到应用。

现代钢结构体系由热轧截面、焊接截面和冷弯薄壁型钢截面构件组成。人们往往将钢结构划分为普通钢结构和轻型钢结构两大类。但是，究竟如何定义或区分这两类结构，却存在着很多不同的标准。例如，结构跨度的标准，结构层数的标准，结构用途的标准，吊车吨位的标准等。这些标准都有一定的合理性，但是都是建立在结构体系外在因素或特征基础上的。事实上，轻型钢结构体系的本质是“轻”，实现这一本质的条件是截面板件要“薄”，设计时必然要考虑板件局部失稳后的极限强度。所以，从结构工作机理和设计计算原理的角度出发，轻型钢结构体系是指“结构构件采用较薄板件，设计时考虑板件局部失稳后的后继强度的钢结构体系”。

门式钢刚架是典型的轻型钢结构，也是目前国内应用最为广泛的轻型钢结构。早期典型的门式钢刚架是1910年布鲁塞尔世博会的德国机械工程展厅，采用了多层阶形钢框架结构;1932年建成的德国埃森煤矿税收协会采用了门式钢

[30]框架结构。现代轻型门式钢刚架体系是由国外钢结构专业公司引入我国的，它包括主结构系统(刚架、支撑、抗风柱等)、次结构系统(屋面和墙面檩条等)、辅助结构体系(挑檐、雨蓬、女儿墙、楼梯、吊车梁等)、围护板材体系、柱脚和基础等。

近几年来，已有若干轻型门式钢刚架结构及薄壁型钢结构的设计规程规范编

[1]-[5]写出版，有的经数年的应用和实践正在修订中，也有一些轻型钢结构的设计

[8]-[17]手册及专著出版发表。但是，现有的轻型钢结构方面的出版物还不能满足广大设计人员的需求。本书按照轻型门式钢刚架各组成部分，力求通俗易懂地阐

述其受力特点、计算理论、设计思想、连接节点和构造细节。本书的特点之一是简洁地叙述了轻型钢结构计算和设计的理论及原理，而不仅仅满足于向读者简单

描述公式和方法;特点之二是结合近年来国内工程的实践经验，对于支撑、檩条和屋面板材采用3D3S软件进行了参数化分析，给出了可供用户直接选用的表格和规格;特点之三是对于轻型门式刚架的各个组成部分都给出了典型的设计和计算例子，并在全书最后给出了整体结构完整的设计例子和相应的设计施工图，可供读者参照使用。本书第一、第五和第七章由黄明鑫、钱卫军、张莉撰写;第二章由张其林、吴杰、于贵景撰写;第三章由龚铭、刘沈如、刘振华撰写;第四章由罗晓群、刘沈如、王忠全撰写;第六、八、九章由刘沈如、刘振华、于贵景、王忠全撰写。杨冰、姜峰、程立新、周骥、秦雅菲等参与了本书例题的计算和整理。全书由张其林修改审定。本书可供设计单位、钢结构工程公司设计人员、大专院校学生和研究生作工程设计和教学学习参考用书。

编写组

2003年5月

编写组成员:

主编:张其林(同济大学土木工程学院) 副主编:刘沈如(同济大学土木工程学院)

黄明鑫(浙江精工钢结构工程有限公司)

钱卫军(浙江精工钢结构工程有限公司) 成员:龚铭(同济大学土木工程学院) 罗晓群(同济大学土木工程学院)

张莉(浙江精工钢结构工程有限公司)

刘振华(山东大学土木水利学院)

吴杰(同济大学土木工程学院)

王忠全(同济大学土木工程学院)

于贵景(同济大学土木工程学院)

目录

绪言

第一章轻型门式刚架加工制造的基本知识

第一节 H型钢的制作及其设备 1

第二节围护系统的制作及其设备 10

第三节钢结构防腐处理 15

第四节钢结构防火处理 24 第二章轻型门式刚架设计的基本理论第一节结构布置和材料选用 34

第二节结构设计的一般原则 37

第三节计算模型和计算理论 40

第四节稳定设计的基本知识 45

第四节优化设计的基本知识 55 第三章主结构及其支撑体系

第一节主刚架的设计和构造 62

第二节山墙刚架的设计和构造 77

第三节伸缩缝处刚架的构造 81

第四节托梁及屋面单梁设计 82

第五节结构支撑体系 86

第六节主刚架工程设计实例 94 第四章次结构及其连接构造

第一节冷弯薄壁型钢的一般特点 125

第二节有效宽度法的基本概念 126

第三节屋面檩条的构造和计算 130

第四节墙面檩条的构造和计算 141

第五节若干问题讨论 142

第六节檩条计算设计实例 150

第七节檩条规格选用附表 153 第五章辅助结构系统