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三个时期[1]：（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框架结构[30]。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写出版[1]-[5]，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手册及专著出版发表[8]-[17]。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