探討普通鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬中建

（中建二局安裝工程有限公司廊坊鋼結(jié)構(gòu)分公司　065000）

探討普通鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

馬中建

（中建二局安裝工程有限公司廊坊鋼結(jié)構(gòu)分公司065000）

在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的情況下，鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)民用建筑與工業(yè)建筑中得到了越來(lái)越廣泛的運(yùn)用，同時(shí)，人們對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。因此在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)特別注重鋼結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)?？茖W(xué)、合理的鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅可以在很大程度上控制施工的工程造價(jià)，而且還可為具體的施工作業(yè)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文主要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)闡述，并在此基礎(chǔ)上提出解決鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的策略，以便進(jìn)一步提升我國(guó)民用建筑與工業(yè)建筑的質(zhì)量。

普通；鋼結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

無(wú)論是在民用建筑中還是工業(yè)建筑中，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的要求不僅要有較高的強(qiáng)度以及建筑布局靈活，而且鋼結(jié)構(gòu)自身的重量不易過(guò)重，還應(yīng)有良好的抗震性能，并且在具體的工程應(yīng)用中，應(yīng)具有較好的隔音、與保溫效果。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是在原有的基礎(chǔ)上對(duì)其優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步提升，以便其更好滿足民用建筑與工業(yè)建筑的施工要求，使我國(guó)工程建筑向幾乎完美的方向發(fā)展。此外鋼結(jié)構(gòu)作為一種具備“環(huán)保、節(jié)能、工廠化”的新型結(jié)構(gòu)體系，在我國(guó)目前的建筑使用中得到迅速的發(fā)展。

1　鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

1.1鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

以鋼結(jié)構(gòu)為主要承重體系的工程結(jié)構(gòu)稱為鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下所示：①材料強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)重量輕；②鋼結(jié)構(gòu)工作的可靠性高；③塑性性能好；④具有良好的韌性，適宜于承受動(dòng)荷載；⑤具有良好的加工性能與焊接性能；⑥密閉性好適用于高壓容器、管道、大型油罐等；⑦便于拆裝、重復(fù)使用。

1.2鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本過(guò)程

（1）結(jié)構(gòu)方案：結(jié)構(gòu)體系、材料、構(gòu)建布置。

（2）荷載計(jì)算：恒、活、風(fēng)、雪、吊車、地震等。

（3）荷載組合：恒+活、恒+活+風(fēng)、恒+活+地震等，地震和風(fēng)作用的方向，吊車不同的位置。

（4）內(nèi)力分析：截面估算、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性分析、變形計(jì)算。

（5）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：驗(yàn)算兩種極限狀態(tài)、優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（6）構(gòu)造要求：考慮制作和安裝問(wèn)題、考慮不可計(jì)算因素。

（7）施工詳圖：保證制作和安裝需求。深化詳圖一般運(yùn)用Tekla軟件。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)既要接近實(shí)際工況，又要方便加工單位焊接操作和現(xiàn)場(chǎng)安裝便捷。

1.3鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性

（1）我國(guó)建筑工程速度要求，需要大量采用鋼結(jié)構(gòu)。其主要原因是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)施工工期短。

（2）追求低強(qiáng)度勞動(dòng)和好的工作環(huán)境，促使大量采用鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)工廠化生產(chǎn)，易于產(chǎn)業(yè)化，機(jī)械化程度高。

（3）鋼結(jié)構(gòu)是可持續(xù)發(fā)展的結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)工廠制作，現(xiàn)場(chǎng)組裝，對(duì)周圍環(huán)境污染小。鋼結(jié)構(gòu)容易拆除，鋼材可回收利用，負(fù)荷可持續(xù)發(fā)展要求。

（4）政策支持為鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展提供了國(guó)家保證。由限制使用→合理使用→推廣使用→積極推廣使用，國(guó)家十大推廣技術(shù)中鋼結(jié)構(gòu)專利。

2　鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

2.1優(yōu)秀的設(shè)計(jì)人才匱乏

從我國(guó)目前鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的情況來(lái)看，多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員缺乏豐富的實(shí)踐應(yīng)驗(yàn)，并且對(duì)鋼結(jié)構(gòu)理論知識(shí)掌握不夠透徹。多數(shù)設(shè)計(jì)人員依靠軟件的自身設(shè)計(jì)，沒(méi)有根據(jù)具體的實(shí)際需求有針對(duì)性的進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)一些精細(xì)部位的設(shè)計(jì)缺乏親身實(shí)踐，無(wú)法確保鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，加之桿件截面尺寸的選擇不合理，容易造成整體結(jié)構(gòu)中各桿件應(yīng)力不均，致使設(shè)計(jì)出的鋼結(jié)構(gòu)與實(shí)際需求不相符或缺少協(xié)調(diào)性。

2.2對(duì)于市場(chǎng)材料的行情缺少有效分析

由于一些鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位缺少對(duì)市場(chǎng)行情的調(diào)研，所以無(wú)法了解鋼材的市場(chǎng)行情以及質(zhì)量的現(xiàn)狀，這些因素都會(huì)對(duì)后續(xù)的施工情況產(chǎn)生影響。從目前鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)情況來(lái)看，部分鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)，過(guò)于追求設(shè)計(jì)成本，降低鋼的使用量，使實(shí)際生產(chǎn)偏離設(shè)計(jì)規(guī)劃，這樣不僅會(huì)給建筑的安全系數(shù)埋下隱患，同時(shí)也導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)承載力無(wú)法與實(shí)際情況相符合。因此在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)深入鋼材市場(chǎng)，依據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出合理、能夠確保施工安全的鋼結(jié)構(gòu)。

3　鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的思路

3.1優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)的建立

一個(gè)良好的團(tuán)隊(duì)，應(yīng)有創(chuàng)新精神，思路清晰。能接受新工藝，新技術(shù)。既能熟悉規(guī)范規(guī)程，又能提出自己獨(dú)特的見(jiàn)解。

3.2建立三維整體模型

在鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，利用設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)原鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)中框架的各個(gè)桿件結(jié)構(gòu)按照剖面、立面、平面建立結(jié)構(gòu)三維模型，其比例為1：1。連接節(jié)點(diǎn)可以待結(jié)構(gòu)優(yōu)化驗(yàn)算確定截面規(guī)格及尺寸后，再驗(yàn)算連接板與螺栓規(guī)格、數(shù)量[1]。三維結(jié)構(gòu)能提供設(shè)計(jì)人員整體造型結(jié)構(gòu)，更易滿足實(shí)際情況。

3.3設(shè)置設(shè)計(jì)條件

選擇要優(yōu)化的桿件截面，輸入要控制應(yīng)力與容許應(yīng)力的比值限制。放寬“極限驗(yàn)算比”的下限，可能會(huì)搜索到更為滿意的截面。選取截面分組情況需由工程師根據(jù)建筑要求、桿件受力情況，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等多方面進(jìn)行考慮。桿件截面分組越多，優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來(lái)的收益越大。以便設(shè)計(jì)出的鋼結(jié)構(gòu)能夠在正常的使用中具有良好的工作性能和耐久性能，在偶然事件發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，仍能保持必須的整體穩(wěn)定性，不致出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象。

3.4鋼結(jié)構(gòu)截面的選擇

按照鋼結(jié)構(gòu)截面的不同，在選擇截面的時(shí)候，選擇方向也有所不同。例如：鋼柱單層可選變截面柱，非標(biāo)制作。屋梁架一般都選擇分段變截面梁；選擇平臺(tái)梁時(shí)，一般重點(diǎn)選擇高頻焊H型鋼等[3]。

按柱截面類型不同又可分兩類：

（1）實(shí)腹式柱。這種柱子不僅構(gòu)造簡(jiǎn)單而且施工方便，但是耗鋼量大。通常情況下用于截面高度較小或者廠房高跨框架的門(mén)式剛架等，一些輕型的廠房柱。除此之外，考慮到柱與屋架的連接以及柱和托架之間的連接構(gòu)造時(shí)的要求，往往會(huì)使用實(shí)腹式柱。實(shí)腹式柱一般優(yōu)先采用型鋼，它不僅在制作流程方面很簡(jiǎn)單，并且建造的質(zhì)量可以得到很好的保障。

（2）格構(gòu)式柱。格構(gòu)式柱一般用在截面高度較大的情況當(dāng)中，當(dāng)柱承受較大彎矩作用時(shí)，為了能夠使材料得到科學(xué)合理的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員就會(huì)采用格構(gòu)式組合截面。結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)選取截面分組情況需由工程師根據(jù)建筑要求、桿件受力情況，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等多方面進(jìn)行考慮。桿件截面分組越多，優(yōu)化設(shè)計(jì)的收益越大。

4　結(jié)論

綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)具有重量輕、結(jié)構(gòu)抗震性好以及施工快等優(yōu)點(diǎn)，所以在進(jìn)行工程施工時(shí)，應(yīng)注重對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中技術(shù)的加強(qiáng)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)不斷的進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的工程設(shè)計(jì)理念以及新的設(shè)計(jì)軟件，從最優(yōu)化設(shè)計(jì)入手，提高設(shè)計(jì)水平，吸取適合我國(guó)國(guó)情的設(shè)計(jì)方法，這樣不僅可以降低企業(yè)在成本支出，還可以更好的完成建筑施工作業(yè)，從而確保工程建筑的整體質(zhì)量。

[1]王恩華.建筑鋼結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù)與質(zhì)量控制[J].北京機(jī)械工業(yè)，2013，22（8）：12～16.

[2]施鋼，范浩，王元清，石永久，李明.某重型門(mén)式鋼架鋼結(jié)構(gòu)廠房的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].建筑工程，2012，23（14）：16～20.

[3]孫凱，程鵬飛，彭聰.基于SNSYS對(duì)工業(yè)廠房變截面排架移位計(jì)算[J]. 2012，33（16）：37～40.

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