利用STS對輕鋼屋面鋼梁的優化設計

胡凡 蔡杰

摘要：通過工程實例，概述如何利用現有軟件STS對輕鋼屋架梁進行人為干預的優化設計。算例結果表明，利用該優化處理步驟，對鋼架截面進行優化調整，具有明顯的改善效果，有一定的實際運用的經濟價值。

關鍵詞：輕鋼屋面鋼架；截面優化設計；STS

一、 引言，

輕鋼屋面由于其具備結構自重輕，抗震性能好，施工周期短等優勢，普遍被運用于單層多層廠房、倉庫、商業樓，辦公樓及其他較大跨度的建筑屋蓋結構。對于跨度較大的輕鋼結構設計，初始計算時設計的屋面鋼梁，往往截面較大，浪費鋼材，因此人為干預的優化設計就顯得非常必要，通過對鋼架截面尺寸的二次優化，減輕結構自重，不但能加強鋼架自身抗震性能，節約鋼材，同時也減少了建設成本。本文將淺要概述如何利用現有軟件，從參數設定開始運用程序進行人為優化設計的步驟。

二、 設計條件概況：

以本人設計的某廠無菌包裝車間項目中屋面鋼架梁GWJ4的設計為例，采用軟件為STS。

1） 該項目處于III類場地上，基本地震加速度0.05g； 設計地震分組：第一組，本工程主體結構設計使用年限為50年；維護結構設計使用年限為15年；結構的安全等級二級，建筑抗震設防類別： 丙 類；設防烈度6度；

2） GWJ4為中間跨鋼梁，類型為雙坡、對稱屋面，可參考圖3，總跨度63m，單坡跨度31.5m.

3） GWJ4基本荷載參數為：屋面恒荷載（屋面板+檁條0.2 kN/m2、輕鋼龍骨吊頂0.15 kN/m2燈具吊載0.1 kN/m2、+線纜風管吊載0.5 kN/m2）共計1.0 kN/m2 ； 屋面活荷載均為 0.50 kN/m2；基本雪壓 0.45KN/m ，平面外縱向柱距7.5m綜上，累計在鋼梁上的均布恒荷載為7.5kN。均布活載為3.5kN，（由于使用要求，本工程不考慮屋面活荷載折減）

三、初始參數設定

1、材料選用，針對大跨度輕鋼結構，由于鋼梁上跨度荷載都相對較大，考慮到應力比，采用較高強度的Q345鋼材，顯然更為適宜，可有效減小構件截面，減輕自重。實踐表明當截面受強度控制，選用Q345鋼與Q235相比，屈服強度提高45%左右，采用Q345鋼可節約15%～25%鋼材。

因此本工程屋面鋼梁鋼材及節點板選用Q345B鋼，其屈服強度 fy ≥ 345N/m2。屋面檁條則可選用選用Q235鋼，其屈服強度fy ≥235N/m2。

2、采用較為合理的柱網布置，

本工程，鋼架平面內總跨度為63.000，考慮到輕鋼鋼架經濟跨度在24米～30米左右，故在不影響建筑使用功能的前提下，鋼架平面內如圖所示，設置為兩跨鋼架，單跨31.500m，縱向柱間距7.500，柱為混凝土柱，邊柱高8.300m，中柱高，9.075m。

3、支承條件：鋼架模型為：邊支座鋼梁與砼柱端鉸接，中間支座鋼梁與柱頂鉸接，鋼梁本身各節點均為固接，砼柱與基礎均為固接?；炷僚偶苤阡摷芷矫嫱庥没炷亮鹤鱾认蜻B接。

4、鋼架梁節點分段，梁分段節點是鋼梁截面優化中初始考量的重點，主要是根據鋼梁初算后應力包絡圖表來確定的，左跨初始分段可預先劃分比例為1：1：0.5（右跨為對稱結構）。

5、經初步計算結果展示

經過程序STS半自動運算選取的截面如下：從左柱到中柱排序四段分別為

梁段1、2、3截面均為H1250x300x10x16

梁段4為H（1250～1550）x300x10x16

彎矩，剪力如下圖（應力比圖略）：

圖1

圖2

6、試算結果分析：

雖然所示截面計算結果顯示，其能滿足應力及變形的計算要求，但是計算結果同時表明端肢應力比0.37，明顯截面過大，應進行必要的優化調整。

四 優化調整

根據彎剪內力包絡圖及繞曲變形指標，可通過以下步驟對初算結果進行優化調整

1、 優化節點排布比例，根據圖示內力包絡圖的特殊控制點的相對位置，對節點間距的初始分段進行試算對比和二次微調，（過程略），通過調整，確定為9：9：8：5.5的節點分段比例，分段后鋼梁分段節點與彎矩包絡圖更為匹配。實例結果表明通過調整節點距使之更貼合彎矩包絡圖能有效減少鋼材用量。

注：雖也可通過增加節點個數調整，但這種做法會導致鋼架分段數增加，同時增加連接節點，造成安裝施工麻煩，因此并不建議增設節點數。

2、根據應力比控制，對鋼梁截面進行二次調整，（本工程考慮根據可能的吊載分布不均，應力比控制在0.8左右），

計算方法為：

1） 設定預設值：利用程序試算結果先行確定鋼梁經濟翼緣寬度及翼緣厚度，（如程序初算結果很不理想，可自行預估），本工程試算預設值為翼緣寬度300mm，翼緣厚度暫定為12mm）注：參數設定時應符合模數。

2） 產生初始種群：分別用初算結果的各節點端彎剪值分別計算節點部位截面翼緣腹板截面高度及鋼板厚度，獲得一組參數種群。節點兩端的腹板高度選用原則應符合下式：H=max{f1（M、b，hf1），f2（V、hw）}

3） 計算時設計計算順序原則為，優先計算彎矩最大處位置截面確定分段鋼梁端部腹板截面高度及板厚，然后向彎矩減小處推算。

4） 計算當前種群適應度比值，通過種群的當前全局最優位置，比較選取最優截面參數。

5） 根據變形繞曲值，對最優截面進行二次復核調整，有時截面雖滿足應力比計算值，但對繞度變形值可能出現超限，同時應特別注意鋼梁坡度改變率等的計算，避免超限。

注：上述計算過程也適用于采用對多元方程解系對目標優選函數的迭代方法，得出趨近最優解，實際設計過程中如遇到較復雜工程，該操作可能會較為繁瑣，建議設計過程可配合利用STS對估算設計截面直接輸入程序利用STS，進行運算，通過對運算結果比對，得到最優解，可節約大量設計工時。

五、優化成果圖展示

優化后截面圖

圖3

截面優化前后對比表

結果比較 X1（截面） X2（截面） X3（截面） X4（截面） 經濟性比較（總重）

優化前 H1250x300

x10x16 H1250x300

x10x16 H1250x300

x10x16 H（1250～1550）x300x10x16 12.11T

優化后 H700～1200

x300x8x12 H1200x

300x8x12 H1200～700x

300x8x12 H700～1500

x300x10x16 9.162T

梁段截面前后面積比%

67%

76%

67%

87%

75.6%

調整后應力比見下圖

圖4

可見，經過截面優化設計，變截面H型鋼更貼合應力曲線，可減少不必要的浪費，為鋼架“瘦身”，優化后整體鋼架自重可減輕24.4%，優化結果令人滿意，在保證結構安全性的前提下大大減輕了結構自重。

六、結論

綜上可以看出，按上述步驟通過人為干預優化，對原鋼架截面具有很大的改善效應。此方法對于實際工程中輕鋼屋架梁設計具有一定指導意義。當然，工程結構優化問題具有多解性，本文僅提供一種優化思路，以擴充優化方法。

參考文獻

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GB50755-2012 鋼結構工程施工規范

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