鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計基本方法簡述

吳露　王庭偉

摘 要：鋼結(jié)構(gòu)從業(yè)人員隨著我國建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的飛速發(fā)展而面臨重大挑戰(zhàn)和機遇。本文就從結(jié)構(gòu)體系的選擇和創(chuàng)新、計算分析和校核調(diào)整、節(jié)點優(yōu)化等方面，對鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本方法進行了介紹，并且進一步對綜合考慮計算理論、制造技術(shù)水平和施工條件等因素強調(diào)，從而使合理的設(shè)計方案得到確定。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計；優(yōu)化；計算分析

結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是要在滿足各種規(guī)范和特定的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的條件下，使結(jié)構(gòu)的成本-效益達(dá)到最佳平衡。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計不是為了降低造價而減小構(gòu)件截面，而是要根據(jù)建筑所處位置、地質(zhì)條件、氣候條件、周邊建筑布局、使用用途、外形和結(jié)構(gòu)形式、制造技術(shù)水平、現(xiàn)場施工條件等因素，綜合考慮后，對設(shè)計方案進行合理性修改。

1 結(jié)構(gòu)體系的選擇和創(chuàng)新

1.1 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計。結(jié)構(gòu)概念設(shè)計是綜合運用設(shè)計概念，將結(jié)構(gòu)方案從整體到局部、從抽象到具體、從粗略到詳細(xì)不斷優(yōu)化和細(xì)化的過程。概念設(shè)計有助于工程師快速確定設(shè)計原則和設(shè)計方案的薄弱點，且概念設(shè)計貫穿結(jié)構(gòu)設(shè)計的全過程，對結(jié)構(gòu)布置、體系選擇、整體計算、構(gòu)件設(shè)計和節(jié)點設(shè)計等起到指導(dǎo)作用。

1.2 結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新。鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計不應(yīng)將目標(biāo)局限在構(gòu)件優(yōu)化層面，如果時間和項目實際進展情況允許，也可對項目的結(jié)構(gòu)體系進行合理創(chuàng)新。結(jié)構(gòu)體系不僅要傳力簡明、受力合理、充分發(fā)揮材料特性等，還應(yīng)考慮建筑功能、用途等外在因素，全面權(quán)衡后選取較佳的體系方案。以某項目為例，其建筑剖面為半圓形的雙曲造型，建筑功能為海洋游藝為主題的大型公共建筑。初設(shè)方案優(yōu)點：屋蓋整體剛度較大，結(jié)構(gòu)構(gòu)架規(guī)整，傳力路徑簡單、明確；缺點：次桁架較密，加上檁條系統(tǒng)，屋蓋結(jié)構(gòu)桿件數(shù)量多，對于玻璃屋面而言不美觀，且通透性差。最終實施方案優(yōu)點：單層網(wǎng)殼斜交屋檁體系直接可作為玻璃屋面的支撐結(jié)構(gòu)，外形統(tǒng)一，尺寸相近，建筑效果較佳；屋蓋整體剛度大，單層網(wǎng)殼作為主次桁架間的連接結(jié)構(gòu)，主平面內(nèi)剛度較大，可以為主次桁架上弦提供較強的側(cè)向約束，且屋面荷載可通過網(wǎng)殼斜向傳遞給主次桁架，局部構(gòu)件破損后，可通過其他路徑傳遞荷載，對主體結(jié)構(gòu)的防連續(xù)倒塌有利；缺點：單層網(wǎng)殼部分平面外剛度差，需采取措施，防止單層網(wǎng)殼平面外失穩(wěn)；單層網(wǎng)殼矢跨比1/14～1/15，拱殼效應(yīng)不明顯。如上所述，初設(shè)方案為常規(guī)的空間屋蓋結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)方案雖然整體剛度較大，但次桁架和屋面檁條系統(tǒng)的桿件過于密集，視覺效果不佳，對于以游藝休閑為主的建筑而言并不是最佳方案。優(yōu)化后的最終實施方案整體承載力高、剛度大。單層網(wǎng)殼屋檁體系作為屋蓋玻璃的支撐結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)格分布均勻、規(guī)律、通透性好，視覺效果較佳。一般條件下，因為工期限制、鋼結(jié)構(gòu)招標(biāo)前基礎(chǔ)已施工等原因，很難對結(jié)構(gòu)體系進行大的調(diào)整，這種情況下，可以考慮對局部構(gòu)件的體系構(gòu)成進行優(yōu)化。經(jīng)計算分析，因為工期的緣故，不能選擇主結(jié)構(gòu)吊裝完成卸載后，再施工檁條托桁架的施工順序。而檁條托桁架隨主結(jié)構(gòu)一起吊裝施工，最后卸載，則會在檁條托桁架中產(chǎn)生較大的施工附加內(nèi)力，部分構(gòu)件應(yīng)力比超標(biāo)，且因為檁條托桁架采用薄壁型鋼制作而成，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，加工周期較長，不能滿足現(xiàn)場施工的需要。

2 計算分析和校核調(diào)整

2.1 計算分析方法和工具的選擇。一般而言，門式鋼架結(jié)構(gòu)，如單層輕鋼廠房等，因檁條、屋面結(jié)構(gòu)水平方向剛度較小，對相鄰鋼架的約束作用較弱，故可采取單榀鋼架計算分析的方法進行設(shè)計，但對于雙向受力結(jié)構(gòu)，必須整體建模，采用大型有限元設(shè)計軟件計算分析。必要時，還需要采用多種軟件進行對比。

2.2 合理的邊界約束條件。優(yōu)化設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)計算結(jié)果和結(jié)構(gòu)受力特性，對結(jié)構(gòu)的邊界條件進行合理調(diào)整。例如一個大跨度雙向受力體系，結(jié)構(gòu)水平剛度較大、對溫度作用比較敏感時，可沿長度方向適當(dāng)設(shè)置溫度縫或節(jié)點構(gòu)造采用可滑移構(gòu)造等，通過減小結(jié)構(gòu)單向剛度或水平自由度釋放，降低結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力水平。設(shè)計階段，尚應(yīng)根據(jù)邊界處的設(shè)計條件，如基礎(chǔ)大小、配筋多少等，合理選擇計算錨固點的位置和邊界類型（如剛接、鉸接等）。

2.3 結(jié)構(gòu)剛度的合理簡化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，不僅要考慮外部荷載作用對結(jié)構(gòu)的影響，還要考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間相對剛度的差異對內(nèi)力分配、結(jié)構(gòu)變形等產(chǎn)生的作用。以混凝土柱-鋼屋蓋結(jié)構(gòu)為例，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋在設(shè)計時必須考慮下部混凝土結(jié)構(gòu)的剛度作用，建立整裝模型，或僅包含局部混凝土結(jié)構(gòu)（如下部樓層上方的混凝土柱）的整裝模型進行計算分析。

2.4 合理選擇材料材質(zhì)。不同牌號的鋼材其設(shè)計強度不同，構(gòu)件長細(xì)比計算方法也不同。在優(yōu)化設(shè)計時，可根據(jù)構(gòu)件受力特性進行合理選擇，如應(yīng)力水平較高的構(gòu)件，可選用設(shè)計強度較大的材料，應(yīng)力水平較低、穩(wěn)定控制為主的構(gòu)件，則可選用設(shè)計強度較小的材料。如為了提高構(gòu)件的材料利用率水平，對于常規(guī)的桁架結(jié)構(gòu)，弦桿可采用Q345鋼材，而腹桿采用Q235鋼材。此外，還應(yīng)根據(jù)項目所在地的氣候條件和項目類型、構(gòu)件形式、應(yīng)力水平和尺寸等，選擇材料的牌號和質(zhì)量級別。

3 節(jié)點優(yōu)化設(shè)計

3.1 特殊節(jié)點的選擇。抗震設(shè)防烈度較高的地區(qū)，或大跨度、復(fù)雜體系的結(jié)構(gòu)，可采用成品抗震球鉸支座，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，避免大震作用下發(fā)生破壞。支座節(jié)點還可以選用單向滑動支座、雙向滑動支座、隔震支座等類型，降低各種荷載及作用在結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力，增強結(jié)構(gòu)隔振耗能性能。對于一些多桿件、小角度相交節(jié)點，及構(gòu)造復(fù)雜的異形節(jié)點，使用鋼板或型材焊接時存在操作不便、無法保證加工質(zhì)量，或存在焊接殘余應(yīng)力較大很難消除時，可以考慮使用鑄鋼節(jié)點代替。

3.2 合理優(yōu)化節(jié)點質(zhì)量要求和節(jié)點構(gòu)造。在當(dāng)前國內(nèi)建筑鋼結(jié)構(gòu)向高、大、難、異方向發(fā)展的條件下，各種復(fù)雜、大型、異形節(jié)點方案層出不窮。設(shè)計人員在設(shè)計節(jié)點時，因為對工廠制作工藝和行業(yè)技術(shù)水平的不了解，設(shè)計作品往往將焊接要求大幅度提高，如某項目設(shè)計說明中規(guī)定，除角焊縫外，其他剖口焊縫均要求為全熔透一級焊縫。這種設(shè)定一來并無必要且不合理，二來因為施焊角度、施焊空間、部位等因素影響，加工廠經(jīng)常無法達(dá)到該要求。

3.3 控制節(jié)點尺寸。除出口項目外，鋼結(jié)構(gòu)運輸以公路運輸為主，而我國公路運輸一般對貨物總寬度、高度有一定要求，如《浙江省公路路政管理條例》規(guī)定，正常運輸條件下，車貨總寬度不超過2.5m，車貨總高度從地面算起不超過4m，如有超出則處于超限運輸，需向行政主管部門提出申請，核發(fā)通行證后，方能按照指定的時間、路線、時速運輸。超限運輸效率較低，且費用較高，故在鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，在不影響節(jié)點受力和施工作業(yè)的前提下，可將節(jié)點尺寸控制在規(guī)定的運輸尺寸以內(nèi)。

4 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計不是為了降低造價而優(yōu)化，而是要結(jié)合概念和軟件等手段，從設(shè)定合理的結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)、結(jié)構(gòu)體系的選擇和創(chuàng)新、計算分析和校核調(diào)整、節(jié)點優(yōu)化設(shè)計等方面，綜合考慮結(jié)構(gòu)重要性和用途、受力性能、氣候條件、加工制作技術(shù)水平和現(xiàn)場施工條件等因素，對設(shè)計方案進行合理性調(diào)整。鋼結(jié)構(gòu)從業(yè)人員應(yīng)綜合學(xué)習(xí)設(shè)計、制作、安裝領(lǐng)域的知識，力爭設(shè)計出更合理、優(yōu)異的作品。

參考文獻

[1] 中國建筑科學(xué)研究院.GB50068—2001建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.