鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及其優(yōu)化措施分析

高青松 鄧海明

（云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650041）

1 鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計基本理論

在鋼網(wǎng)架的使用過程中，鋼材的主要性能參數(shù)是溫度、應(yīng)力、變形等。因此，對鋼材進(jìn)行選擇的時候，要考慮到其自身的特點(diǎn)和所處環(huán)境，并且要保證其具有良好的力學(xué)性質(zhì)和熱工方面的性能；同時，還要注意到鋼材的耐腐蝕性，因?yàn)殇撹F的耐火能力強(qiáng)弱與鋼材的抗壓強(qiáng)度大小有著密不可分的關(guān)系；另外，還需要對材料的熱穩(wěn)定性以及抗疲勞性等因素加以控制，以確保其能夠長期地工作在高應(yīng)變的狀態(tài)下[1]。對于一個工程來說，最基本的要求就是安全性，所以一定要選用安全系數(shù)較高的材料來作為施工的基礎(chǔ)條件，并加強(qiáng)對施工人員的技術(shù)培訓(xùn)，提高他們的操作水平，使工作人員的作業(yè)效率得到有效的提升；此外，還應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，選取合適的機(jī)械設(shè)備，并采用合理的措施來降低成本，從而達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益。

2 鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

目前，我國鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計方法主要有類比法和計算機(jī)輔助設(shè)計法。（1）類比法。這種方法是通過對已有的鋼材進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分析與計算，從而得出結(jié)論。在這一過程中，需要根據(jù)實(shí)際的情況來選擇合適的方案和合理的布局方式。在這一步驟中，首先要對所選的構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)的了解和分析，包括材料的性能、力學(xué)屬性等，然后再確定出其具體的截面尺寸，最后再將其與所選的節(jié)點(diǎn)相連接，最終得到所需的結(jié)構(gòu)形式；（2）電腦設(shè)計法。這一方法是指利用CAD 系統(tǒng)來完成結(jié)構(gòu)的建模工作，并以此為依據(jù)，進(jìn)而生成三維圖紙。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠快速地獲取模型的相關(guān)信息，并且可以直觀地反映出整個的幾何形狀，同時還能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性[2]。

3 鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及其優(yōu)化措施

3.1 鋼網(wǎng)架的設(shè)計與配重

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，鋼網(wǎng)架的設(shè)計方法也越來越多，主要分為兩種：一種是對已有的鋼材進(jìn)行合理的加減，從而達(dá)到提高截面強(qiáng)度的目的；另一種則是在原有的基礎(chǔ)上，對鋼材的重量和尺寸的變化規(guī)律加以總結(jié)，并結(jié)合實(shí)際的施工情況，最終確定出最合適的設(shè)計方式。

在對現(xiàn)有的幾種鋼材加減設(shè)計方法的研究過程中發(fā)現(xiàn)，目前常用的加減系數(shù)的方法有兩種，分別為單根的單重、雙重。其中單根的單重法就是將原邊梁的厚度作為變量，通過改變構(gòu)件的長度來實(shí)現(xiàn)的；而雙重心法是將原邊梁的質(zhì)量看作一個變量，將其視為正交分量，進(jìn)而根據(jù)其大小的不同來決定材料的用量。

因此，在選擇鋼材的時候，應(yīng)該從以下幾個方面著手：（1）合理地選取截面參數(shù)，以達(dá)到降低重量的目的；（2）對構(gòu)件的受力情況加以分析，以確定出最合適的截面參數(shù)；（3）通過計算得出最佳的桿件直徑，以便于接下來的優(yōu)化工作。

3.2 鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于鋼網(wǎng)架的截面形狀和尺寸都比較復(fù)雜，所以在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須要考慮各種因素的影響才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果和目標(biāo)。因此，在鋼網(wǎng)架的設(shè)計過程中，需要對這些問題的解決辦法有一定的了解和掌握，并能夠?qū)⑵溥\(yùn)用到實(shí)際的工作中。

圖1 網(wǎng)殼后補(bǔ)桿端部臨時固定措施示意圖

（1）彈性模量法。這種方法是通過計算鋼材的彈塑性模量來確定結(jié)構(gòu)的材料屬性的一種方法。它主要是以彈塑性理論為基礎(chǔ)，并結(jié)合了力學(xué)、材料及工程等方面的相關(guān)理論，來對結(jié)構(gòu)的彈塑性的極限狀態(tài)下的變形行為以及應(yīng)變情況作出分析，從而得出可靠的結(jié)論；（2）應(yīng)力矩法。它的原理是利用了屈服點(diǎn)的瞬時變化的特性，對金屬物的抗拉強(qiáng)度的大小產(chǎn)生作用，然后再根據(jù)這一特點(diǎn)，就可以得到構(gòu)件的拉伸位移，最后再把所獲得的結(jié)果與原假設(shè)的值對比，就可求得所需的彎矩。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

結(jié)構(gòu)設(shè)計是整個鋼材的選型和強(qiáng)度校核的基礎(chǔ)工作，其主要目的就是確定鋼材的屈服極限，需要滿足經(jīng)濟(jì)性的要求；在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的截面尺寸和材料，并對其抗彎、抗剪、抗扭等性能參數(shù)加以限定，以保證鋼材的質(zhì)量達(dá)到安全可靠的標(biāo)準(zhǔn)。

在對施工場地的布置上，應(yīng)盡量避免大的擾動以及影響周邊建筑設(shè)施的正常使用，并使之與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)一致。

（1）鋼網(wǎng)架的平面布局要考慮到受力條件，包括地震作用力及風(fēng)荷載等；（2）在計算中，要注意到各種荷載的變化趨勢，如恒荷載、風(fēng)載荷及地震作用等。另外，還要充分了解不同類型的節(jié)點(diǎn)受力特點(diǎn)，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.4 鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)尺寸確定

鋼材的抗拉強(qiáng)度和抗壓能力都比較強(qiáng)，在實(shí)際的施工中，需要對鋼網(wǎng)架進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而保證其能夠滿足使用要求。在對鋼網(wǎng)架的截面尺寸進(jìn)行確定時，要注意以下幾個方面：

（1）要結(jié)合具體的工程情況，選擇合適的截面半徑大小，以確保其具有足夠的穩(wěn)定性和承載力。同時還要考慮到經(jīng)濟(jì)性，盡量減少不必要的浪費(fèi)；（2）在確定了相應(yīng)的構(gòu)件直徑之后，還應(yīng)該將其作為一個重要的參考參數(shù)，這樣可以使整個設(shè)計更加的科學(xué)、可靠。另外，還應(yīng)將鋼材的收縮率、塑性以及熱導(dǎo)率等因素綜合起來，以避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.5 優(yōu)化鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)參數(shù)

由于鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和施工工藝的不同，會影響到鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和安全，因此，在進(jìn)行優(yōu)化時，要結(jié)合實(shí)際情況，選擇最適合的方法對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，以保證其具有更好的力學(xué)性能。

（1）根據(jù)設(shè)計要求，確定構(gòu)件的截面尺寸，并對其剛度、抗彎能力以及抗剪強(qiáng)度等進(jìn)行計算，以滿足使用條件；（2）在對鋼板的布置方式、焊接位置及連接形式的選定時，應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性，盡量減少構(gòu)件的重量與變形，降低應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時，也要避免因局部受壓而產(chǎn)生過大的位移或力傳遞，從而造成大范圍的破壞或浪費(fèi)；（3）對于采用高支座的鋁合金建筑，應(yīng)盡可能地使支座的剛度最大，減小支撐的負(fù)彎矩，提高整體穩(wěn)定性[3]。另外也可以將梁的節(jié)點(diǎn)設(shè)置在梁的中部；而將柱的節(jié)點(diǎn)加設(shè)為加強(qiáng)柱，可使柱的穩(wěn)定屈曲程度得到改善，增加整個體系的抗扭矩。

3.6 地震時程

地震時程是指根據(jù)不同的地震加速度進(jìn)程曲線結(jié)果，對鋼材的截面進(jìn)行合理選擇，使其滿足一定的抗拉強(qiáng)度和屈服極限，從而達(dá)到提高鋼材的力學(xué)性能的目的；同時，還能夠有效地避免因地震而產(chǎn)生的破壞作用。

地震時程的確定主要有以下幾個方面：（1）鋼材的承載力計算。在設(shè)計階段，需要考慮鋼材的使用年限以及其自身的應(yīng)力水平，這就要求設(shè)計人員要充分地掌握材料的相關(guān)特性，并結(jié)合實(shí)際情況，對結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)做出準(zhǔn)確的判斷和分析，以保證結(jié)構(gòu)的安全可靠；（2）結(jié)構(gòu)的整體剛度的驗(yàn)算。當(dāng)發(fā)現(xiàn)構(gòu)件的局部剛度出現(xiàn)了問題，或者是受到了較大的約束時，可以及時地采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣斫鉀Q問題，以免造成更大的傷害事故。此外，還應(yīng)注意的是，在設(shè)計的過程中，要盡可能地使節(jié)點(diǎn)之間的距離變大，以便于安裝的方便性。

3.7 鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計尺寸

一般情況下，鋼網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)尺寸主要受到以下幾個方面的因素影響：

（1）鋼網(wǎng)架的截面尺寸。在實(shí)際的生產(chǎn)中，鋼網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)往往會受到多種的應(yīng)力和荷載的共同作用，因此其受力也是復(fù)雜的、多變的；（2）鋼材的抗彎能力?？箯澬阅艿膹?qiáng)弱直接決定了其承載力的大小；而抗拉強(qiáng)度則是衡量結(jié)構(gòu)安全性的重要指標(biāo)；（3）材料的屈服極限。在相同的條件下，不同種類的金屬都具有不一樣的彈性模量，這也就導(dǎo)致了鋼鐵的力學(xué)性質(zhì)和使用要求的差別較大，所以說，對于同一類的鋼材來說，其承受的拉壓值也就相差甚遠(yuǎn)，從而使得鋼板的疲勞壽命大大降低。

3.8 鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計形狀

為了保證鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，應(yīng)使其具有一定的平面度，但也要注意在設(shè)計過程中的幾何外形。鋼網(wǎng)架的設(shè)計形狀主要有矩形、三角形、圓形等。

矩形截面的特點(diǎn)是：（1）在相同的條件下，線形的線形比圓拱的線形大，并且其曲率較小，所以其抗彎能力強(qiáng)；（2）在相同的情況下，線形的彎曲應(yīng)力大于屈服極限，因此它的抗拉和抗剪承載的性能較好；（3）由于直線段的受力較為均勻，因而可以將直線段的受力區(qū)域劃分為若干個單獨(dú)的部分進(jìn)行計算，而不必考慮整體的力學(xué)特性。矩形截面的優(yōu)點(diǎn)是：（1）矩形的橫梁上的點(diǎn)比較容易形成橫向的裂縫；（2）矩形的橫梁上的縫隙不會影響到鋼筋混凝土的保護(hù)層，從而提高了鋼材的使用壽命。此外還有一些缺點(diǎn)，比如：如果采用圓拱的形式則會增加鋼板的重量，以及增大構(gòu)件的高度并不利于美觀。

3.9 鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的載荷

結(jié)構(gòu)的受力主要是由靜力學(xué)中的各種應(yīng)力集中產(chǎn)生的結(jié)果引起的；由于鋼網(wǎng)架的工作環(huán)境復(fù)雜，所以鋼網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)在承受荷載時，往往會出現(xiàn)不均勻的受拉和變形，導(dǎo)致截面的內(nèi)力和位移都會發(fā)生不同程度的變化；而當(dāng)受到外荷載作用時，則會使構(gòu)件的內(nèi)力分布發(fā)生變化，從而影響到整個結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

因此，需要對其進(jìn)行合理的設(shè)計計算，以保證其滿足強(qiáng)度要求，同時也要盡量避免因過大的剛度而造成的附加應(yīng)力的問題；在設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的情況選擇合適的材料、尺寸以及施工工藝，以降低鋼材的塑性流動，提高機(jī)械性能。對于上述的幾種因素，本文所研究的內(nèi)容為：（1）確定鋼網(wǎng)架的基本形狀，并對其進(jìn)行優(yōu)化，使之符合工程的需求；（2）對模型的簡化與加載條件的探討；（3）建立有限元的數(shù)學(xué)模型，并分析出最不利的參數(shù)位置，以便于之后的設(shè)計與驗(yàn)證。

4 結(jié)語

本文主要研究的是鋼網(wǎng)架的優(yōu)化設(shè)計，鋼網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)體系是由鋼材的截面形狀、尺寸和材料性能等因素所決定的一個整體。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，需要對各種影響因素充分考慮，這樣才能使結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性得到改善，從而使整個結(jié)構(gòu)更加安全可靠。