鋼結構優化設計基本方法簡述

吳露　王庭偉

摘 要：鋼結構從業人員隨著我國建筑鋼結構行業的飛速發展而面臨重大挑戰和機遇。本文就從結構體系的選擇和創新、計算分析和校核調整、節點優化等方面，對鋼結構優化設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、制造技術水平和施工條件等因素強調，從而使合理的設計方案得到確定。

關鍵詞：鋼結構；設計；優化；計算分析

結構的優化設計是要在滿足各種規范和特定的結構性能目標的條件下，使結構的成本-效益達到最佳平衡。結構優化設計不是為了降低造價而減小構件截面，而是要根據建筑所處位置、地質條件、氣候條件、周邊建筑布局、使用用途、外形和結構形式、制造技術水平、現場施工條件等因素，綜合考慮后，對設計方案進行合理性修改。

1 結構體系的選擇和創新

1.1 結構概念設計。結構概念設計是綜合運用設計概念，將結構方案從整體到局部、從抽象到具體、從粗略到詳細不斷優化和細化的過程。概念設計有助于工程師快速確定設計原則和設計方案的薄弱點，且概念設計貫穿結構設計的全過程，對結構布置、體系選擇、整體計算、構件設計和節點設計等起到指導作用。

1.2 結構體系的創新。鋼結構優化設計不應將目標局限在構件優化層面，如果時間和項目實際進展情況允許，也可對項目的結構體系進行合理創新。結構體系不僅要傳力簡明、受力合理、充分發揮材料特性等，還應考慮建筑功能、用途等外在因素，全面權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。初設方案優點：屋蓋整體剛度較大，結構構架規整，傳力路徑簡單、明確；缺點：次桁架較密，加上檁條系統，屋蓋結構桿件數量多，對于玻璃屋面而言不美觀，且通透性差。最終實施方案優點：單層網殼斜交屋檁體系直接可作為玻璃屋面的支撐結構，外形統一，尺寸相近，建筑效果較佳；屋蓋整體剛度大，單層網殼作為主次桁架間的連接結構，主平面內剛度較大，可以為主次桁架上弦提供較強的側向約束，且屋面荷載可通過網殼斜向傳遞給主次桁架，局部構件破損后，可通過其他路徑傳遞荷載，對主體結構的防連續倒塌有利；缺點：單層網殼部分平面外剛度差，需采取措施，防止單層網殼平面外失穩；單層網殼矢跨比1/14～1/15，拱殼效應不明顯。如上所述，初設方案為常規的空間屋蓋結構形式，該結構方案雖然整體剛度較大，但次桁架和屋面檁條系統的桿件過于密集，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。優化后的最終實施方案整體承載力高、剛度大。單層網殼屋檁體系作為屋蓋玻璃的支撐結構，其網格分布均勻、規律、通透性好，視覺效果較佳。一般條件下，因為工期限制、鋼結構招標前基礎已施工等原因，很難對結構體系進行大的調整，這種情況下，可以考慮對局部構件的體系構成進行優化。經計算分析，因為工期的緣故，不能選擇主結構吊裝完成卸載后，再施工檁條托桁架的施工順序。而檁條托桁架隨主結構一起吊裝施工，最后卸載，則會在檁條托桁架中產生較大的施工附加內力，部分構件應力比超標，且因為檁條托桁架采用薄壁型鋼制作而成，結構形式復雜，加工周期較長，不能滿足現場施工的需要。

2 計算分析和校核調整

2.1 計算分析方法和工具的選擇。一般而言，門式鋼架結構，如單層輕鋼廠房等，因檁條、屋面結構水平方向剛度較小，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計，但對于雙向受力結構，必須整體建模，采用大型有限元設計軟件計算分析。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。優化設計時，應根據結構計算結果和結構受力特性，對結構的邊界條件進行合理調整。例如一個大跨度雙向受力體系，結構水平剛度較大、對溫度作用比較敏感時，可沿長度方向適當設置溫度縫或節點構造采用可滑移構造等，通過減小結構單向剛度或水平自由度釋放，降低結構桿件應力水平。設計階段，尚應根據邊界處的設計條件，如基礎大小、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 結構剛度的合理簡化。結構優化設計時，不僅要考慮外部荷載作用對結構的影響，還要考慮結構構件之間相對剛度的差異對內力分配、結構變形等產生的作用。以混凝土柱-鋼屋蓋結構為例，鋼結構屋蓋在設計時必須考慮下部混凝土結構的剛度作用，建立整裝模型，或僅包含局部混凝土結構（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。不同牌號的鋼材其設計強度不同，構件長細比計算方法也不同。在優化設計時，可根據構件受力特性進行合理選擇，如應力水平較高的構件，可選用設計強度較大的材料，應力水平較低、穩定控制為主的構件，則可選用設計強度較小的材料。如為了提高構件的材料利用率水平，對于常規的桁架結構，弦桿可采用Q345鋼材，而腹桿采用Q235鋼材。此外，還應根據項目所在地的氣候條件和項目類型、構件形式、應力水平和尺寸等，選擇材料的牌號和質量級別。

3 節點優化設計

3.1 特殊節點的選擇。抗震設防烈度較高的地區，或大跨度、復雜體系的結構，可采用成品抗震球鉸支座，提高結構的抗震性能，避免大震作用下發生破壞。支座節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構桿件內產生的應力，增強結構隔振耗能性能。對于一些多桿件、小角度相交節點，及構造復雜的異形節點，使用鋼板或型材焊接時存在操作不便、無法保證加工質量，或存在焊接殘余應力較大很難消除時，可以考慮使用鑄鋼節點代替。

3.2 合理優化節點質量要求和節點構造。在當前國內建筑鋼結構向高、大、難、異方向發展的條件下，各種復雜、大型、異形節點方案層出不窮。設計人員在設計節點時，因為對工廠制作工藝和行業技術水平的不了解，設計作品往往將焊接要求大幅度提高，如某項目設計說明中規定，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，加工廠經常無法達到該要求。

3.3 控制節點尺寸。除出口項目外，鋼結構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，故在鋼結構優化設計時，在不影響節點受力和施工作業的前提下，可將節點尺寸控制在規定的運輸尺寸以內。

4 結語

鋼結構優化設計不是為了降低造價而優化，而是要結合概念和軟件等手段，從設定合理的結構性能目標、結構體系的選擇和創新、計算分析和校核調整、節點優化設計等方面，綜合考慮結構重要性和用途、受力性能、氣候條件、加工制作技術水平和現場施工條件等因素，對設計方案進行合理性調整。鋼結構從業人員應綜合學習設計、制作、安裝領域的知識，力爭設計出更合理、優異的作品。

參考文獻

[1] 中國建筑科學研究院.GB50068—2001建筑結構可靠度設計統一標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2001.