探討普通鋼結構的優化設計

馬中建

（中建二局安裝工程有限公司廊坊鋼結構分公司　065000）

探討普通鋼結構的優化設計

馬中建

（中建二局安裝工程有限公司廊坊鋼結構分公司065000）

在我國社會經濟不斷發展的情況下，鋼結構在我國民用建筑與工業建筑中得到了越來越廣泛的運用，同時，人們對于鋼結構設計質量的要求也越來越高。因此在鋼結構設計中，設計人員應特別注重鋼結構的整體優化設計。科學、合理的鋼結構優化設計，不僅可以在很大程度上控制施工的工程造價，而且還可為具體的施工作業奠定堅實的基礎。本文主要對鋼結構優化設計的現狀進行詳細闡述，并在此基礎上提出解決鋼結構優化設計的策略，以便進一步提升我國民用建筑與工業建筑的質量。

普通；鋼結構；優化設計

無論是在民用建筑中還是工業建筑中，對于鋼結構的要求不僅要有較高的強度以及建筑布局靈活，而且鋼結構自身的重量不易過重，還應有良好的抗震性能，并且在具體的工程應用中，應具有較好的隔音、與保溫效果。對鋼結構進行優化設計，就是在原有的基礎上對其優點進行進一步提升，以便其更好滿足民用建筑與工業建筑的施工要求，使我國工程建筑向幾乎完美的方向發展。此外鋼結構作為一種具備“環保、節能、工廠化”的新型結構體系，在我國目前的建筑使用中得到迅速的發展。

1　鋼結構優化設計概述

1.1鋼結構的特點

以鋼結構為主要承重體系的工程結構稱為鋼結構。鋼結構特點如下所示：①材料強度高、結構重量輕；②鋼結構工作的可靠性高；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、重復使用。

1.2鋼結構設計的基本過程

（1）結構方案：結構體系、材料、構建布置。

（2）荷載計算：恒、活、風、雪、吊車、地震等。

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

（4）內力分析：截面估算、結構力學、彈性分析、變形計算。

（5）結構設計：驗算兩種極限狀態、優化設計。

（6）構造要求：考慮制作和安裝問題、考慮不可計算因素。

（7）施工詳圖：保證制作和安裝需求。深化詳圖一般運用Tekla軟件。節點設計很關鍵。節點設計既要接近實際工況，又要方便加工單位焊接操作和現場安裝便捷。

1.3鋼結構優化設計的必要性

（1）我國建筑工程速度要求，需要大量采用鋼結構。其主要原因是因為鋼結構施工工期短。

（2）追求低強度勞動和好的工作環境，促使大量采用鋼結構。鋼結構工廠化生產，易于產業化，機械化程度高。

（3）鋼結構是可持續發展的結構。鋼結構工廠制作，現場組裝，對周圍環境污染小。鋼結構容易拆除，鋼材可回收利用，負荷可持續發展要求。

（4）政策支持為鋼結構發展提供了國家保證。由限制使用→合理使用→推廣使用→積極推廣使用，國家十大推廣技術中鋼結構專利。

2　鋼結構優化設計的現狀

2.1優秀的設計人才匱乏

從我國目前鋼結構優化設計的情況來看，多數鋼結構設計人員缺乏豐富的實踐應驗，并且對鋼結構理論知識掌握不夠透徹。多數設計人員依靠軟件的自身設計，沒有根據具體的實際需求有針對性的進行鋼結構設計，對一些精細部位的設計缺乏親身實踐，無法確保鋼結構設計的合理性，加之桿件截面尺寸的選擇不合理，容易造成整體結構中各桿件應力不均，致使設計出的鋼結構與實際需求不相符或缺少協調性。

2.2對于市場材料的行情缺少有效分析

由于一些鋼結構設計單位缺少對市場行情的調研，所以無法了解鋼材的市場行情以及質量的現狀，這些因素都會對后續的施工情況產生影響。從目前鋼結構的生產情況來看，部分鋼結構企業，過于追求設計成本，降低鋼的使用量，使實際生產偏離設計規劃，這樣不僅會給建筑的安全系數埋下隱患，同時也導致鋼結構承載力無法與實際情況相符合。因此在鋼結構設計中，設計人員應深入鋼材市場，依據實際情況，設計出合理、能夠確保施工安全的鋼結構。

3　鋼結構優化設計的思路

3.1優秀團隊的建立

一個良好的團隊，應有創新精神，思路清晰。能接受新工藝，新技術。既能熟悉規范規程，又能提出自己獨特的見解。

3.2建立三維整體模型

在鋼結構優化設計中，利用設計軟件，根據原鋼結構設計圖紙，對鋼結構當中框架的各個桿件結構按照剖面、立面、平面建立結構三維模型，其比例為1：1。連接節點可以待結構優化驗算確定截面規格及尺寸后，再驗算連接板與螺栓規格、數量[1]。三維結構能提供設計人員整體造型結構，更易滿足實際情況。

3.3設置設計條件

選擇要優化的桿件截面，輸入要控制應力與容許應力的比值限制。放寬“極限驗算比”的下限，可能會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建筑要求、桿件受力情況，結構特點等多方面進行考慮。桿件截面分組越多，優化設計帶來的收益越大。以便設計出的鋼結構能夠在正常的使用中具有良好的工作性能和耐久性能，在偶然事件發生時及發生后，仍能保持必須的整體穩定性，不致出現倒塌現象。

3.4鋼結構截面的選擇

按照鋼結構截面的不同，在選擇截面的時候，選擇方向也有所不同。例如：鋼柱單層可選變截面柱，非標制作。屋梁架一般都選擇分段變截面梁；選擇平臺梁時，一般重點選擇高頻焊H型鋼等[3]。

按柱截面類型不同又可分兩類：

（1）實腹式柱。這種柱子不僅構造簡單而且施工方便，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造時的要求，往往會使用實腹式柱。實腹式柱一般優先采用型鋼，它不僅在制作流程方面很簡單，并且建造的質量可以得到很好的保障。

（2）格構式柱。格構式柱一般用在截面高度較大的情況當中，當柱承受較大彎矩作用時，為了能夠使材料得到科學合理的應用，設計人員就會采用格構式組合截面。結構優化時選取截面分組情況需由工程師根據建筑要求、桿件受力情況，結構特點等多方面進行考慮。桿件截面分組越多，優化設計的收益越大。

4　結論

綜上所述，鋼結構具有重量輕、結構抗震性好以及施工快等優點，所以在進行工程施工時，應注重對鋼結構的優化設計和施工過程中技術的加強，設計人員應不斷的進行自我學習，學習國外先進的工程設計理念以及新的設計軟件，從最優化設計入手，提高設計水平，吸取適合我國國情的設計方法，這樣不僅可以降低企業在成本支出，還可以更好的完成建筑施工作業，從而確保工程建筑的整體質量。

[1]王恩華.建筑鋼結構工程施工技術與質量控制[J].北京機械工業，2013，22（8）：12～16.

[2]施鋼，范浩，王元清，石永久，李明.某重型門式鋼架鋼結構廠房的優化設計[J].建筑工程，2012，23（14）：16～20.

[3]孫凱，程鵬飛，彭聰.基于SNSYS對工業廠房變截面排架移位計算[J]. 2012，33（16）：37～40.

TU391

A

1673-0038（2015）28-0009-02

2015-6-19